Les nanofils de ZnO à puits quantiques et le dopage p par implantation ionique d'azote sont étudiés pour la fabrication de LED ultra-violettes. Des pyramides de polarité O et des nanofils de polarité Zn sur substrats de saphir et ZnO sont élaborés. La croissance organisée de nanofils sur ZnO de polarité Zn est démontrée. De même, des pyramides ou des nanofils de GaN sont obtenus sur GaN de polarité Ga ou N. Sur saphir, l'élimination des dislocations dans les pyramides sous-jacentes aux nanofils est analysée. Les nanofils sans défauts structuraux permettent l'élaboration de puits quantiques coeur-coquille ZnO/Zn(1-x)MgxO. La relaxation plastique dans les nanofils est étudiée, puis la composition en Mg est optimisée pour l'éviter et atteindre un rendement quantique interne de 54%. Concernant l'implantation, les défauts sont identifiés avant et après recuit. Ils disparaissent en surface, d'où une guérison facilitée des nanofils. Un matériau guéri avec des accepteurs activés n'est pas obtenu. / Quantum well ZnO nanowires and p-type doping by nitrogen ion implantation are studied to make ultraviolet light-emitting diodes. O-polar pyramids and Zn-polar nanowires on sapphire and ZnO substrates are grown. Organized growth of nanowires on a masked Zn-polar ZnO is demonstrated. Similarly, GaN pyramids and nanowires are grown on Ga and N-polar GaN respectively. On sapphire, the dislocation elimination in the underlying pyramids is analyzed. Nanowires with no structural defects allow the growth of ZnO / Zn (1-x) Mg x O core-shell quantum wells. Plastic relaxation is studied, and the Mg composition is optimized to avoid it and attain an internal quantum efficiency as high as 54%. Concerning ion implantation, the defects are identified before and after annealing. They disappear in the near-surface, which lead to an easier recovery of nanowires compared to bulk ZnO. However, a recovered material with activated acceptors is not obtained.

Ce travail porte sur la croissance par MOVPE et l’étude de structures à base de nanofilsde ZnO, semi-conducteur à large bande interdite directe (3,37 eV) qui possède un fort po-tentiel pour les applications optoélectroniques. Des observations systématiques par MEBet TEM de nanofils de ZnO crûs sur saphir, sous différentes conditions, renseignent surla formation de ces nanostructures et notamment sur l’importance de la polarité du ma-tériau. Les observations structurales par TEM révèlent l’absence de défaut étendu dansles nanofils. Dans un second temps, la croissance de structures à puits quantiques coeur-coquilles ZnO/ZnMgO est étudiée. L’imagerie de cathodoluminescence révèle l’émis-sion de puits quantiques axiaux (avec effet stark confiné) et radiaux. L’optimisation dela composition en Mg des barrières ZnMgO permet d’éviter la relaxation plastique dansles nanofils et montre une amélioration très significative de la tenue en température del’émission de photoluminescence des puits quantiques radiaux. Le rendement quantiqueinterne des meilleures structures est estimé à 54%. Enfin, la localisation de la croissancesur substrats structurés est démontrée. La morphologie ainsi que le taux de remplissagedes nanofils sont comparés en fonction de la polarité de la couche de germination utilisé,de la taille et de l’espacement des ouvertures pratiquées dans le masque. L’ensemble deces briques technologiques ouvre la voie à la réalisation de LEDs à base de nanofils ZnO. / This work deals with the MOVPE growth and the study of ZnO based structures,which is a direct and large gap semiconductor (3.37 eV) with a high potential for op-toelectronics applications. Systematic SEM and TEM observations of ZnO nanowires onsapphire grown under various conditions help us to understand growth mechanism, andmore particularly the role of the polarity in formation of nanowires. Structural TEM ob-servations reveal the lack of dislocations or stacking fault in nanowires. In a second hand,the growth of ZnO/ZnMgO core-shell structure with quantum wells is studied. Cathodolu-minescence mapping exhibit both radial and axial quantum wells emission with quantumconfinement and quantum confined stark effect, respectively. Mg composition is optimi-zed to avoid plastic relaxation in nanowires structure, which allow us to obtain internalquantum efficiency as high as 54%. Finally, the selective area growth is demonstrated onpatterned substrates. Morphology and efficiency of ZnO nanowires growth is compare asa function of seed layer polarity and size of holes in the mask. These technological stepsopen the way to ZnO nanowires based LEDs devices.

L’objectif de ce travail est d’élaborer des méthodes peu chères pour produire desmatériaux semi-conducteurs pouvant entrer dans la fabrication de cellules solaires de type"eta" (extremely thin absorber). Ces cellules sont constituées d’une couche extrêmement fined’un adsorbeur inorganique dont la bande interdite est situé entre 1.1 et 1.8 eV placée entredeux nanostructures transparentes l’une de type n et l’autre de type p et dont les bandesinterdites doivent être supérieurs à 3.3 eV. Une couche compacte et des nanofils de ZnO ontété préparés en mode galvanostatique. Les dimensions des nanofils ont été contrôlées à l’aidede la couche compacte et de la densité du courant appliqué. La photosensibilisation desnanofils par des couches uniformes de CdS, CdSe et CdTe préparée par la méthode SILAR(Successive Ionic Layer Adsorption and Reaction) a été étudiée. Les propriétés de cescouches ont été améliorées par recuit et traitement chimique. En ce qui concerne les finescoquilles de CdTe deux autres méthodes de sensibilisation ont été également étudiées : la CSS(Close Spaced Sublimation) et les QDs (Quantum Dots). La première méthode conduit à unfaible recouvrement alors que la seconde produit un matériau mal défini optiquement. Leshétérostructures formées sur les nanofils ont été complétées par une couche de CuSCN, unsemi-conducteur de type p, préparée par trois méthodes différentes. L’influence de lamorphologie de ces couches sur les propriétés des cellules eta a été étudiée. Les filmspréparés par électrodéposition et SILAR sont plus rugueux que ceux obtenus parimprégnation et leur conductivité est moins bonne. Les hétérostructures (avec CdS et CdSecomme absorbeurs) ont été testées dans une cellule photoélectrochimique et les rendementsobtenus (jusque 2%) montrent une amélioration certaine des propriétés de ces matériauxpréparée par SILAR-modifiée ainsi que des interfaces ZnO/absorbeur. La qualité desmatériaux obtenus par SILAR montre qu’aujourd’hui on peut s’attendre à une Renaissance decette technique. / The development of semiconducting materials for the extremely thin absorber (eta)solar cell using cheap and scalable methods was the main objective of this work. The eta-solarcell is composed of all inorganic materials consisting of an extremely thin layer of absorbingmaterial (1.1 <Eg< 1.8 eV) sandwiched between nanostructured transparent electron and holeconductors (Eg ≥ 3.3 eV). Compact and defect free ZnO thin film and nanowires (NWs) wereprepared galvanostatically. The ZnO nanowire dimensions were controlled with the ZnO seedlayer or the applied current density. The photosensitization of the ZnO nanowires withconformal layers of CdS, CdSe and CdTe prepared by Successive Ionic Layer Adsorption andReaction (SILAR) was studied. The improvement of the absorber structural and opticalproperties by annealing and chemical treatment was achieved. The Close Spaced Sublimation(CSS) and Quantum Dot (QD) sensitization were also used for CdTe thin shell deposition,while the first method produced low coverage, the second resulted in better coverage but withnot optimal optical features. The ZnO NW/absorber heterostructure was completed with ahole conducting CuSCN layer. The influence of the CuSCN layer (prepared by three methods)morphology on the eta-solar cell performance is discussed. Electrodeposited and SILARprepared films exhibited rougher surfaces than that by the Impregnation technique (whichaffects the electrical conductivity). The ZnO/absorber core/shell heterostructures were alsotested in a photoelectrochemical cell. The recorded efficiencies (up to 2 %) for the case ofCdS and CdSe photosensitizers demonstrated an improvement of the ZnO/absorber interfacesand the material quality achieved by the modified-SILAR technique. These results let us toconsider that today a Renascence of the SILAR method is happening.

Ce travail présente les principaux résultats obtenus avec une large gamme de dispositifs SOI avancés, candidats très prometteurs pour les futurs générations de transistors MOSFETs. Leurs propriétés électriques ont été analysées par des mesures systématiques, agrémentées par des modèles analytiques et/ou des simulations numériques. Nous avons également proposé une utilisation originale de dispositifs FinFETs fabriqués sur ONO enterré en fonctionnalisant le ONO à des fins d'application mémoire non volatile, volatile et unifiées. Après une introduction sur l'état de l'art des dispositifs avancés en technologie SOI, le deuxième chapitre a été consacré à la caractérisation détaillée des propriétés de dispositifs SOI planaires ultra- mince (épaisseur en dessous de 7 nm) et multi-grille. Nous avons montré l’excellent contrôle électrostatique par la grille dans les transistors très courts ainsi que des effets intéressants de transport et de couplage. Une approche similaire a été utilisée pour étudier et comparer des dispositifs FinFETs à double grille et triple grille. Nous avons démontré que la configuration FinFET double grille améliore le couplage avec la grille arrière, phénomène important pour des applications à tension de seuil multiple. Nous avons proposé des modèles originaux expliquant l'effet de couplage 3D et le comportement de la mobilité dans des TFTs nanocristallin ZnO. Nos résultats ont souligné les similitudes et les différences entre les transistors SOI et à base de ZnO. Des mesures à basse température et de nouvelles méthodes d'extraction ont permis d'établir que la mobilité dans le ZnO et la qualité de l'interface ZnO/SiO2 sont remarquables. Cet état de fait ouvre des perspectives intéressantes pour l'utilisation de ce type de matériaux aux applications innovantes de l'électronique flexible. Dans le troisième chapitre, nous nous sommes concentrés sur le comportement de la mobilité dans les dispositifs SOI planaires et FinFET en effectuant des mesures de magnétorésistance à basse température. Nous avons mis en évidence expérimentalement un comportement de mobilité inhabituel (multi-branche) obtenu lorsque deux ou plusieurs canaux coexistent et interagissent. Un autre résultat original concerne l’existence et l’interprétation de la magnétorésistance géométrique dans les FinFETs.L'utilisation de FinFETs fabriqués sur ONO enterré en tant que mémoire non volatile flash a été proposée dans le quatrième chapitre. Deux mécanismes d'injection de charge ont été étudiés systématiquement. En plus de la démonstration de la pertinence de ce type mémoire en termes de performances (rétention, marge de détection), nous avons mis en évidence un comportement inattendu : l’amélioration de la marge de détection pour des dispositifs à canaux courts. Notre concept innovant de FinFlash sur ONO enterré présente plusieurs avantages: (i) opération double-bit et (ii) séparation de la grille de stockage et de l'interface de lecture augmentant la fiabilité et autorisant une miniaturisation plus poussée que des Finflash conventionnels avec grille ONO.Dans le dernier chapitre, nous avons exploré le concept de mémoire unifiée, en combinant les opérations non volatiles et 1T-DRAM par le biais des FinFETs sur ONO enterré. Comme escompté pour les mémoires dites unifiées, le courant transitoire en mode 1T-DRAM dépend des charges non volatiles stockées dans le ONO. D'autre part, nous avons montré que les charges piégées dans le nitrure ne sont pas perturbées par les opérations de programmation et lecture de la 1T-DRAM. Les performances de cette mémoire unifiée multi-bits sont prometteuses et pourront être considérablement améliorées par optimisation technologique de ce dispositif. / The evolution of electronic systems and portable devices requires innovation in both circuit design and transistor architecture. During last fifty years, the main issue in MOS transistor has been the gate length scaling down. The reduction of power consumption together with the co-integration of different functions is a more recent avenue. In bulk-Si planar technology, device shrinking seems to arrive at the end due to the multiplication of parasitic effects. The relay has been taken by novel SOI-like device architectures. In this perspective, this manuscript presents the main achievements of our work obtained with a variety of advanced fully depleted SOI MOSFETs, which are very promising candidates for next generation MOSFETs. Their electrical properties have been analyzed by systematic measurements and clarified by analytical models and/or simulations. Ultimately, appropriate applications have been proposed based on their beneficial features.In the first chapter, we briefly addressed the short-channel effects and the diverse technologies to improve device performance. The second chapter was dedicated to the detailed characterization and interesting properties of SOI devices. We have demonstrated excellent gate control and high performance in ultra-thin FD SOI MOSFET. The SCEs are efficiently suppressed by decreasing the body thickness below 7 nm. We have investigated the transport and electrostatic properties as well as the coupling mechanisms. The strong impact of body thickness and temperature range has been outlined. A similar approach was used to investigate and compare vertical double-gate and triple-gate FinFETs. DG FinFETs show enhanced coupling to back-gate bias which is applicable and suitable for dynamic threshold voltage tuning. We have proposed original models explaining the 3D coupling effect in FinFETs and the mobility behavior in ZnO TFTs. Our results pointed on the similarities and differences in SOI and ZnO transistors. According to our low-temperature measurements and new promoted extraction methods, the mobility in ZnO and the quality of ZnO/SiO2 interface are respectable, enabling innovating applications in flexible, transparent and power electronics. In the third chapter, we focused on the mobility behavior in planar SOI and FinFET devices by performing low-temperature magnetoresistance measurements. Unusual mobility curve with multi-branch aspect were obtained when two or more channels coexist and interplay. Another original result in the existence of the geometrical magnetoresistance in triple-gate and even double-gate FinFETs.The operation of a flash memory in FinFETs with ONO buried layer was explored in the forth chapter. Two charge injection mechanisms were proposed and systematically investigated. We have discussed the role of device geometry and temperature. Our novel ONO FinFlash concept has several distinct advantages: double-bit operation, separation of storage medium and reading interface, reliability and scalability. In the final chapter, we explored the avenue of unified memory, by combining nonvolatile and 1T-DRAM operations in a single transistor. The key result is that the transient current, relevant for 1T-DRAM operation, depends on the nonvolatile charges stored in the nitride buried layer. On the other hand, the trapped charges are not disturbed by the 1T-DRAM operation. Our experimental data offers the proof-of-concept for such advanced memory. The performance of the unified/multi-bit memory is already decent but will greatly improve in the coming years by processing dedicated devices.

Cette étude a pour but la mise au point d'un procédé de dépôt en vue de réaliser des fibres piézoélectriques. Ces fibres pourront être utilisées soit comme jauge de déformation (extensomètre) soit comme système de récupération d'énergie liée au mouvement d'un utilisateur (tissu) pour alimenter un dispositif d'électronique embarqué. Une fibre piézoélectrique constituée d'un dépôt cylindrique d'oxyde de zinc sur un fil d'acier inoxydable a été réalisée par pulvérisation magnétron à impulsion de haute puissance (HiPIMS) à l'aide d'un prototype de traitement au défilé conçu, réalisé et décrit lors de cette étude. Une caractérisation précise des échantillons réalisés dans différentes conditions expérimentales a permis de décrire et comprendre en partie les mécanismes de croissance des dépôts, ceci de manière, en particulier, à déterminer les conditions de fonctionnement optimum pour l'élaboration de dépôts possédant une orientation cristalline préférentielle hors plan. Pour envisager le traitement de fibres ne supportant pas les hautes températures nous avons montré qu'il était possible de contrôler cette température en ajustant certains paramètres du procédé, tel que la pression et la puissance moyenne. Un mécanisme de germination préférentielle suivi d'une croissance par auto-épitaxie a été proposé afin d'expliquer la très forte orientation préférentielle des films réalisés à faible température. Pour des fortes valeurs de courant crête, le phénomène de germination préférentielle associé à la croissance évolutionnaire pourrait favoriser l'orientation (101)*. Pour les plus fortes valeurs de courant, aucune orientation préférentielle n'est observée et les fortes contraintes mesurées ont été attribuées à l'excès d'oxygène détecté dans les couches / A piezoelectric fiber constituted of ZnO cylindrical coating on a stainless steel wire has been achieved by High Power Impulse Magnetron Sputtering (HiPIMS) by using a prototype designed and assembled during this PhD work. The piezoelectric fiber can be used as a strain probe or as a vibration harvesting generator for embedded electronics. The analyses of deposited layer allow to understand ZnO growth mechanism in order to optimize to deposition process. A special emphasis has been placed on the selection of preferential orientation during the growth. The low volume of steel wire, allow to control his temperature by adjusting some process parameters, like the pressure and the average power. Temperature sensitive wires (e.g. polymer) can be treated in the mildest conditions. Preferential nucleation followed by self-epitaxy have been proposed to explain the very strong preferential orientation identified in coatings deposited at low temperature. At high peak current, preferential nucleation and evolutionary growth can promote the (101)* orientation. At highest peak currents no preferential orientation was identified and the high residual stress has been attributed to the excess of oxygen in the coating

Made available in DSpace on 2015-05-14T13:21:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 parte1.pdf: 2899615 bytes, checksum: 75e6cc1845e4dc8219f3bc05e1249db6 (MD5) Previous issue date: 2009-03-18 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The motivation of this work was to obtain zinc oxide (ZnO), which is a semiconductor of large technological application, by a new chemical method, the Hydrothermal Method coupled to the use of a domestic microwave oven. Such method favors the obtainment of materials at lower temperature and short time period, besides favoring the formation of particles with controlled size and morphology, and also allowing a good control of the particle properties. The ZnO samples were synthesized at low temperature (100 °C) and at a short time period, using different reaction media: water, ethanol and water/ethanol (1:1); and alkalized with NaOH and NH4OH. X-ray diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM), Field Emission Gun (FEG), Infrared Spectroscopy (IR), Raman Spectroscopy, UV-vis Spectroscopy and Photoluminescence techniques were carried out to characterize the material. All the samples obtained crystallized in a hexagonal structure of the wurtzite type whose unit cell volumes do not significantly vary with the time. Moreover, the samples alkalized with NH4OH were more organized, both in the short and in the long ranges, than the samples alkalized with NaOH. This was due to the formation of two different ions with opposite charges, − 24 ) (OH Zn and + 24 3 Zn(NH ) , that are attracted to each other during the process and then lead to the material organization. Several structures, such as spherical nanoparticles, nanoarrays, nanorods and flower-like clusters were obtained according to the reaction medium, alkali and synthesis time. The size of these structures increases with the increase of the synthesis time and varies from 20 to 570 nm, when they are synthesized in a lower time and from 500 nm to 1,5 μm in a higher synthesis time, showing that the particle sizes can be controlled easily. / A motivação deste trabalho foi a obtenção do Óxido de Zinco (ZnO), que é um semicondutor de grande emprego tecnológico, através de um novo método químico, o método hidrotermal acoplado a um forno de microondas doméstico. Tal método possibilita a obtenção de materiais em temperaturas baixas e em baixo tempo, alem de facilitar a formação de partículas com tamanho e morfologia controlados, e favorecer um bom controle de suas propriedades. As amostras de ZnO foram sintetizadas em baixa temperatura (100 °C) e em baixo tempo, utilizando diferentes meios reacionais: água, etanol e água/etanol (1:1); e alcalinizadas com NaOH e NH4OH. Foram realizadas as técnicas de difração de raios X (DRX), microscopia eletrônica de varredura (MEV), Field Emission Gun (FEG), espectroscopia de absorção na região do infravermelho (IV), Raman, UV-vis e Fotoluminescência (FL) para caracterizar o material. Todas as amostras obtidas se cristalizaram numa estrutura hexagonal do tipo Wurtzita cujo volume da célula unitária não varia muito com o tempo. Além disso, as amostras alcalinizadas com NH4OH são mais ordenadas tanto a curto quanto a longo alcance quando comparadas com as amostras alcalinizadas com NaOH, devido a formação de dois íons de cargas opostas, − 24 Zn(OH) e o + 24 3 Zn(NH ) , que se atraem durante o processo e facilitam a organização do material. Estruturas diferenciadas como nanopartículas esféricas, nanoplacas, nanobastões e clusters na forma de flores foram obtidas segundo o meio reacional, base e o tempo de síntese. Os tamanhos destas estruturas aumentam com o aumento do tempo de síntese, elas variam de 20 e 570 nm quando sintetizadas em menor tempo e de 500 nm a 1.5 μm em um tempo de síntese mais elevado, indicando que o tamanho das partículas pode ser facilmente controlado.

Il est couramment admis que le niveau de pollution dans l'environnement intérieur pouvait dépasser le niveau de pollution extérieur. C’est la raison pour laquelle la qualité de l'air intérieur est devenue une préoccupation sociétale importante en raison de la durée croissante que nous passons dans ces environnements. Les procédés d'oxydation avancée (POA), parmi lesquels l'oxydation photocatalytique, sont des techniques pertinentes pour la purification de l'air. En photocatalyse, les nanotubes de titane montrent un intérêt tout particulier en raison de leurs propriétés intrinsèques spécifiques de par leurstructure tubulaire. Ce matériau unidimensionnel engendre un rapport surface/volume important qui donne accès à une surface spécifique et à des capacités d’adsorption importantes, mais aussi à des propriétés de transport électronique accrues. Deux molécules modèles gazeuses ont été retenues, la méthyléthylcétone (MEC) et le sulfure de dihydrogène (H2S). Ces molécules diffèrent de par leur composition chimique (présence ou non d’hétéroatomes) et leurs propriétés physico-chimiques et reflètent différentes catégories de pollutions chimiques et olfactives. Afin d’améliorer les performances photocatalytiques des nanotubes, de TiO2 synthétisés par méthode hydrothermale, que ce soit sous illumination UV-A ou solaire, des modifications avec un autre semi-conducteur WO3 ou ZnO ont été entreprises. Les mêmes modifications ont également été réalisées sur le photocatalyseur commercial TiO2 P25 (Evonik). Une des finalités de ce travail est la corrélation des conditions de synthèse de ces matériaux avec leurs caractéristiques physico-chimiques et avec leurs propriétés photocatalytiques vis-àvis de l’élimination des deux polluants étudiés. Une approche mécanistique a également été menée. / Indoor air quality has become an important social concern due to the increased amount of time spent in indoor environment. It is now well admitted that the pollution level in indoor environment could exceed the pollution level outdoor. Advanced Oxidation Processes (AOP), such as photocatalytic oxidation, are promising technologies for air purification. The synthesis and applications of high aspect ratio onedimensional titania-based nanostructures have attracted increasing attention. In photocatalysis, titania nanotubes have already shown enhanced photocatalytic efficiency over nanoparticles, enabled by highersurface area, tubular structure with higher charge carriers generation and transfer efficiency. However, together with visible light activation, higher efficiency is a challenging task. The fundamental challenges are to develop controlled and self-assembled 1D-TiO2-based nanostructures for improving the light absorption, generation and transfer of electrons and specific surface area. In this thesis, two model gas molecules were used, methyl ethyl ketone (MEK) and dihydrogen sulfide (H2S). These molecules differ in their chemical composition (presence or absence of heteroatoms) and their physico-chemical properties and reflect different types of chemical and odor pollutions. In order to improve the photocatalyticperformance of TiO2 nanotubes synthesized by the hydrothermal method, either under UV-A or solar illumination, modifications with another semiconductor, WO3 or ZnO, were made. The same modifications were also made on the commercial photocatalyst TiO2 P25 (Evonik). One of the aims of this study is the correlation of synthesis conditions of these materials with their physico-chemical properties and their photocatalytic properties regarding the elimination of the two pollutants studied. A mechanistic approach was also conducted.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de dispositivos semicondutores utilizando óxidos de zinco e estanho. O primeiro dispositivo semicondutor estudado está relacionado ao desenvolvimento de sensores de pH a partir do efeito de campo, enquanto que o segundo consiste na utilização de ondas acústicas de superfície para o transporte de portadores voltados para o desenvolvimento de detectores de um único fóton. Primeiramente, esses materiais foram utilizados como membranas sensíveis a íons de hidrogênio. Para isso foram fabricados os dispositivos denominados EGFETs cujo princípio de funcionamento é semelhante ao ISFET. Foram desenvolvidos filmes de SnO2 obtidos a partir da rota Pechini e pela técncia Sol-gel com o objetivo de investigar a resposta elétrica do EGFET em função da concentração de íons de H+ . Os sensores fabricados pela técnica sol-gel não apresentaram respostas satisfatórias devido à presença de poros. Por outro lado, obtivemos uma sensibilidade de 33mV/pH para o EGFET desenvolvido a partir da rota Pechini com uma membrana calcinada à 400o C. Propusemos também a utilização do ZnO como um possível candidato a sensor de pH a partir do EGFET. A melhor resposta do EGFET (uma sensibilidade de 38mV/pH) foi alcançada com a utilização de filmes de ZnO aquecidos à temperatura de 150o C. Além dos dispositivos para a detecção de íons de H+ apresentamos uma nova abordagem para a detecção de um único fóton a partir da combinação de dispositivos utilizando ondas acústicas de superfície e os transistores de um único elétron. Basicamente os protótipos consistem em uma estrutura de várias camadas otimizadas para uma eficiente absorção de fótons, uma junção p-i-n utilizada para coleta de portadores, IDT para geração da SAW e guias metálicos para controle de portadores durante o transporte acústico. Os portadores são eficientemente transportados por uma distância de 100 mm com uma perda de 12 % para a melhor configuração. Nessas condições, a eficiência do dispositivo é de 75%. / This work presents the study and development of semiconductor devices base on tin and zinc oxides. The first device is related to the development of pH sensors based on field effect, while the second device uses surface acoustic waves for the transport of carriers related to a single photon detector device. Initially, the semiconductors were used as hydrogen ions sensing membranes. For that aim extended gate field effect transistors (EGFET) were developed. Their working principle is similar to the ion sensitive field effect transistor (ISFET). Through Pechini and sol-gel SnO2 thin films were obtained. The EGFET response to H+ ions was not optimal due to the presence of pores. Using Pechini, a response of 33mV/pH was obtained for the EGFET membrane calcinated at 400o C. The use of ZnO as sensing membrane was also investigated, and the best response was a sensibility of 38mV/pH) for a film heated up to 150o C. In addition to the EGFET structure, a new approach to a single photon detection is presented. This uses the combination of surface acoustic waves with a single electron transistor. Two prototypes were developed using a multi-layered structure optimized for photon absorption. Carriers are collected using a p-i-n structure. Inter-digital-transducers are used for surface acoustinc wave generation. Metallic guides are used to control the carriers during acoustic tranport. Carriers were efficiently transported over a length of 100 mm with a loss of 12 % for the best configuration. Under this optimized conditions, the efficiency of the device is 75%.

Submitted by Biblioteca do Instituto de Física (bif@ndc.uff.br) on 2017-03-27T19:05:26Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese _ficha cartalografica.pdf: 12047542 bytes, checksum: 15c5c46a6007c1cf0e93d34e697f4e96 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-03-27T19:05:26Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese _ficha cartalografica.pdf: 12047542 bytes, checksum: 15c5c46a6007c1cf0e93d34e697f4e96 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Neste trabalho estudamos o comportamento ferromagnético de uma série de multicamadas de ZnO/MT com MT = Fe, CoFe, NiFe. Este tipo de sistemas é importante por suas aplicações na spintrônica; cálculos teóricos em multicamadas de ZnO/Co fixando a espessura da camada do ZnO em 5 nm, mostram que estas estruturas podem ter até 100% de polarização de spin. As multicamadas com estrutura [ZnO(5nm)/MT(t)]x6 foram crescidas por magnetron sputtering variando a espessura do MT numa série de valores t = 0,3; 0,4; 0,6; 0,8 e 1,0 nm. A estrutura cristalográfica foi analisada com um difratômetro de raios-X (DRX), revelando um crescimento preferencial no plano (002) do ZnO e mostrando um alargamento de linha e picos satélites. A topografia foi analisada com um microscópio de força atômica (AFM), e revela uma relação entre a espessura do MT com as imperfeições da superfície. A resposta magnética estática foi analisada com um magnetômetro de amostra vibrante (VSM) obtendo curvas de magnetização em função do campo (M vs. H) e curvas de magnetização em função da temperatura (M vs. T) pelo método de medidas de zero field cooling (ZFC) e field cooling (FC). As formas das curvas de histerese revelam a mudança da serie, de um filme com interação dipolar forte a um sistema de nanopartículas não interagentes dependendo da “concentração” do MT na multicamada; as medidas de ZFC/FC confirmam que a ordem ferromagnética é favorecida quanto maior é a espessura depositada do MT. A resposta magnética dinâmica foi analisada por espectroscopia de ressonância ferromagnética (FMR), e revela o decrescimento do campo de ressonância na serie, devido á anisotropia de forma, mostrando uma mudança do eixo fácil da magnetização do plano para a perpendicular. Análise química foi feita por espectroscopia de fotoemisão de raios-X, e revela a formação de fases mistas (íons) coexistindo com o MT; e por último medidas de transmitância revelam a existência de um pico plasmon na faixa de 250 – 340 nm. Estes picos de plasmon são característicos de sistemas dielétricos com nanopartículas. O tratamento térmico de 6000C por 2 horas em vácuo da multicamada [ZnO(5nm)/Fe(t)]x6 teve a finalidade de incrementar a espessura do semicondutor magnético diluído (SMDs) na multicamada, mediante a difusão do MT na rede do ZnO; estes sistemas revelam uma mudança nas suas propriedades estruturais e magnéticas e possivelmente o aparecimento do SMDs, devido a que seu comportamento magnético não corresponde a de um filme nem a de um sistema granular. / In this work we study the ferromagnetic behavior of a series of multilayer ZnO / MT with MT = Fe, CoFe, NiFe. Such systems are important for applications in spintronics: theoretical calculations in multilayer of ZnO/Co with fixed ZnO thickness of 5 nm show that these structures can have up to 100% spin polarization. The multilayers with structure of [ZnO (5nm) / MT (t)] x6 were grown by means of magnetron sputtering varying the thickness of the MT with the values of t = 0,3; 0,4; 0,6; 0,8 and 1, 0 nm. The crystallographic structure is analyzed by X-ray diffractometer (XRD) and the results revealed a preferential growth of ZnO along (002) plane, enlargement of the width of the peaks and existence of satellite peaks. The topography is analyzed with the atomic force microscope (AFM) and it reveals a relationship between the thicknesses of the MT layers and the surface imperfections. The static magnetic response was analyzed with a vibrating sample magnetometer (VSM) and magnetization curves as a function of field (M vs. H) and as a function of temperature (Mvs. T) using the zero field cooling measurements (ZFC) and field cooling (FC) were obtained. The shapes of hysteresis curves show the changes of a film with strong dipolar interactions to a system of non-interacting nanoparticles according to the "concentration" of MT in the multilayer. Measurements of ZFC / FC M-T curves confirm that the ferromagnetic order is favored in the samples with thicker deposited MT layers. The dynamic magnetic response was analyzed by ferromagnetic resonance spectroscopy (FMR) and it shows the decrease of the resonance field in the series, which is due to the shape anisotropy, showing a change of the easy axis of magnetization from in plane to the perpendicular of the plane. The chemical analysis is done by X-ray photoemission spectroscopy (XPS) and the result shows the formation of mixed phases (ions) of the MT. Transmittance measurements reveal the existence of a peak of plasmon in the range of 250 to 340 nm. These peaks of plasmon are characteristic dielectric systems with nanoparticles. Heat treatment for the sample of [ZnO (5nm) / Fe (t)] x6 has been done at 600oC for 2 hours in vacuum in order to increase the thickness of diluted magnetic semiconductor (SMDs) layers in the multilayer system due to the diffusion process of MT atoms. These systems show changes in their structural and magnetic properties, which can be due to the appearance of SMDs since the magnetic behavior does not match to a film or to a granular system.

L’oxyde de zinc (ZnO) est un semi-conducteur II-VI remarquable et très prometteur dans le développement des nouveaux matériaux pour l’énergie renouvelable et pour l’environnement. ZnO est l’un des rares matériaux multifonctionnels. Grâce à ses nombreuses propriétés physiques, chimiques et optoélectroniques très intéressantes, lui confèrent d’être un matériau utilisé dans différents domaines d’applications telles que les cellules solaires, les diodes électroluminescentes, les capteurs de gaz, la dépollution de l’eau et de l’air par effet photocatalytique, etc.Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés tout d’abords à optimiser l’élaboration de nanofils de ZnO (ZnO NWs) par méthode hydrothermale. Un procédé à deux étapes a été optimisé qui nous a permis d’obtenir des nanofils de ZnO ayant des excellentes propriétés morphologiques et structurales, avec une très bonne reproductibilité. Une nouvelle méthode d’élaboration, dite Electrospinning, a été mise au point. Ce procédé nous permet d’obtenir des micro- et nanofibres contenant des nanocristallites de ZnO. La combinaison des deux méthodes de synthèse nous a permis d’obtenir des nanostructures hiérarchiques de ZnO (NWs/NFs) possédant une surface effective beaucoup plus importante que la nanostructure classique (ZnO NWs).Deux applications ont été développées dans cette thèse. Dans un premier temps, des tests de détection de trois gaz réducteurs ont été réalisés sur les deux types de nanostructures de ZnO. Par la suite, une étude de purification de l’eau par effet photocatalytique a été réalisée sur un réseau de nanofils de ZnO sous irradiation UV pour les trois colorants (MB, MO et AR14). Afin d'améliorer la performance de la photocatalyse, deux nouvelles méthodes ont été développées. La première consiste à mettre en place un système microfluidique en utilisant des microréacteurs contenant des nanofils de ZnO comme photocatalyseur permettant ainsi à raccourcir considérablement le temps de dépollution. La seconde méthode est basée sur un procédé de dopage de ZnO permettant ainsi d’améliorer l'efficacité de la photocatalyse / Zinc oxide (ZnO) is a remarkable and very promising wide-gap II-VI semiconductor in the development of new materials for renewable energy and for the environment. Thanks to its many interesting physical, chemical and optoelectronic properties, this multifunctional material is used in many application fields such as solar cells, light emitting diodes, gas sensors, and water & air purification by photocatalytic effect, etc.In this thesis, we were interested in optimizing the synthesis of ZnO nanowires (ZnO NWs) by hydrothermal method. A two-step process has been optimized allowing us to obtain ZnO NWs having excellent morphological and structural properties, with very good reproducibility. A new synthesis method “Electrospinning” has been developed and the micro- & nanofibers containing ZnO nanocristallites can be obtained by this process. The combination of the two synthesis methods results a hierarchical nanostructure of ZnO (NWs/NFs) with an effective surface much larger than the classical one (ZnO NWs).Two applications have been developed in this thesis. Firstly, three reducing gases sensing tests have been carried out on the two types of ZnO nanostructures. Then, a photocatalytic water purification study has been carried out on a ZnO nanowire array under UV irradiation for the three dyes (MB, MO and AR14). In order to improve the photocatalysis performance, two new methods have been developed. The first is to set up a microfluidic system using microreactors containing ZnO NWs as a photocatalyst, thus the depollution time has been considerably shortened. The second method is based on the ZnO doping in order to improve the photocatalysis efficiency