Les nanoparticules d’oxyde de fer de structure spinelle ouvrent de nombreuses voies dans le domaine biomédical. Parmi les applications possibles, les propriétés superparamagnétiques des cristallites d'une dizaine de nanomètres permettent de les utiliser pour le diagnostic médical, notamment en Imagerie par Résonance Magnétique (IRM).Ce travail a consisté à élaborer des suspensions colloïdales de nanoparticules de magnétite ou de maghémite (nommées USPIO pour Ultrasmall SuperParamagnetic Iron Oxide) compatibles avec les conditions physiologiques (pH = 7,4 et [NaCl] = 0,15 M).Par co-précipitation classique, des USPIO, de taille de cristallites de 8 nm, de surface spécifique de 110 m².g-1 et agrégés en assemblages d’environ 20 nm ont été obtenus. Pour stabiliser ces nano-objets, deux voies ont été explorées. Des agents électrostatiques (acide citrique et DMSA) ont modifié la charge nette de surface des oxydes de fer. La stabilisation stérique a également été explorée par greffage de méthoxy-PEG couplés à des fonctions silanes (mPEG-Si). Par combinaison de mPEG2000-Si et de DMSA, des suspensions stables ont également été obtenues. De plus, les fonctions thiols apportées par le DMSA et présentes à la surface des agrégats se trouvent protégées de leur oxydation naturelle par l'encombrement stérique des chaînes de polymère (la formation de ponts disulfures est évitée). La post-fonctionnalisation de ces nanoparticules via ces fonctions thiols est alors possible plusieurs semaines après leur synthèse. Ce concept a été validé par post-greffage d’un fluorophore (0,48 RITC/nm²) pour la détection in vitro en microscopie à fluorescence.En parallèle de cette étude en « batch », des nanoparticules d’oxyde de fer ont été synthétisées en continu à l’aide d’un procédé hydrothermal pouvant s’étendre au domaine eau supercritique. En voie hydrothermale classique, des USPIO stabilisés par des ions citrates ont été obtenus en continu. Grâce aux propriétés physicochimiques de l’eau supercritique, la co-précipitation de magnétite a été possible sans l’utilisation de base.La cytotoxicité et l’internalisation cellulaire de ces USPIO ont été évaluées sur trois modèles cellulaires (macrophages RAW, hépatocytes HepG2 et cardiomyocytes) et les efficacités comme agents de contraste en IRM de ces nanoparticles ont été mesurées sur gel et sur modèle murin et comparées à un agent de contraste commercial à base d’oxyde de fer. Les nanohybrides étudiés n’ont pas présenté de cytotoxicité et ont développé des pouvoirs contrastants comparables à l’agent commercial. La biodistribution hépatique des nanoparticules couplées au mPEG-Si a été retardée de plus de 3 heures ouvrant la voie à des détections spécifiques. / Spinel structured iron oxide nanoparticles open the way of biomedical applications of nanomaterials.Superparamagnetic properties of ten nanometer size crystallites permit to use them in diagnosis such as Magnetic Resonance Imaging (MRI).The aim of this work was to synthesize colloidal suspension of magnetite or maghemite (called USPIO for Ultrasmall SuperParamagnetic Iron Oxide) stable in physiological conditions (pH = 7.4 and [NaCl] = 0.15M).By classical co-precipitation method, UPSIO were synthesized with a mean crystallite size of 8 nm, with a specific surface area of 110 m².g-1 and an aggregate size of 20 nm. To stabilize these nano-objects, two ways were investigated. Electrostatic agents (like citric acid and DMSA) modified iron oxide surface charge. Steric stabilization was also studied by grafting methoxy-PEG coupled with a silane function (mPEG-Si).and the combination mPEG - DMSA also resulted in stable suspensions. Moreover thiols functions coming from DMSA and present on the surface of the nanoparticles were prevented from oxidation thanks to steric protection of polymer chains. Thanks to this method post-functionalization of USPIO was possible several weeks after synthesis. This concept was validated with the post-grafting of a dye (0.48 RITC per nm²) used for in vitro detection in fluorescent microscopy.Nanoparticles were also synthesized in a continuous way with a hydrothermal process which could work from soft chemistry to supercritical water. In classical hydrothermal conditions, USPIO stabilized with citrates were obtained in a continuous way. Thanks to the physico-chemical properties of supercritical water, co-precipitation of magnetite without base adding was possible.Cytotoxicity and cellular internalization assays were done with our USPIO in three cellular models (macrophages RAW, hepatocytes HePG2 and cardiomyocytes). Moreover the efficiency as MRI contrast agents were measured in gels tubes and on mice models and compared to an iron oxide commercial product. Late hepatic biodistribution (more than three hours) was proven with pegylated nanoparticles, which opens the way of specific detections.

Dans cette étude, des revêtements Cr-Si-N sont réalisés à l’aide d’un procédé hybride arc-magnétron. L’étude préliminaire de validation du procédé montre que, malgré une dureté moindre que celle des revêtements type Ti-Si-N, les revêtements type Cr-Si-N présentent une très bonne résistance à l’oxydation à haute température. Les revêtements à base de Cr2N sont moins durs que ceux à base de CrN. Quelle que soit la nature du nitrure synthétisé, l’enrichissement en silicium des couches conduit à une augmentation du paramètre de maille due à la substitution de l’azote par le silicium. L’enrichissement en silicium des couches à base de CrN conduit également à un maximum de dureté de 50-60 GPa pour des teneurs de l’ordre de 6-8 %at. Si. Quant aux revêtements à base de Cr2N, l’ajout de silicium entraîne une légère décroissance, sensiblement linéaire, de la dureté. La présence de silicium au sein des couches conduit à améliorer la stabilité de la dureté ainsi que la résistance à l’oxydation à haute température pour les deux types de revêtements. La croissance des grains, la déstabilisation de CrN en Cr2N et l’interdiffusion du fer et du silicium sont les paramètres principaux associés à la chute de dureté des revêtements à haute température / IIn this study, Cr-Si-N coatings are synthesized by an arc-magnetron hybrid process. In spite of a lower hardness of Cr-Si-N coatings in comparison with Ti-Si-N ones synthesised in a preliminary study performed to validate the deposition device, Cr-Si-N coatings present a higher resistance to high temperature oxidation. The Cr2N-based coatings are softer than those based on CrN. Si addition yields an increase of the lattice constant attributed to the substitution of N by Si. In CrN-based coatings, the maximum hardness of about 50-60 GPa is obtained for 6-8 at. % Si. For Cr2N-based coatings, the hardness decreases linearly with the Si content. Si addition improves both hardness stability and oxidation resistance at high temperature for both coatings. Grains growth, CrN destabilisation into Cr2N and interdiffusion of Fe and Si are the main parameters which govern the loss of hardness after annealing at high temperature of the coatings

Les propriétés structurales et électroniques de films ultra-minces d'alcalins (K,Cs) déposés sur un substrat de Si(111)-v3´v3R30:B ont été étudiés par diffraction d'électrons lents (LEED), spectroscopie Auger, microscopie à effet tunnel (STM) et photoemission (ARPES, XPS). Un état de surface de symétrie s-pz a été mis en évidence par photoémission résolue en angle celui-ci présentant un maximum au taux optimal. Le site d'adsorption H3 a été identifié par IV-LEED en accord avec les prédictions théoriques. Nos mesures ARPES mettent en évidence un repliement de la bande de surface, son caractère fortement isolant ainsi qu'une largeur de bande très étroite. Dans le cas des dépôts de Césium, le gap est cependant réduit et il apparaît du poids spectral au niveau de Fermi. Ces résultats sont a priori en accord avec le caractère corrélé de ces états, ceux-ci ayant été définis initialement comme des isolants de Mott. Cependant, nous mettons en évidence dans ce travail une nouvelle reconstruction 2v3´2v3 caractérisée par un quadruplement de la maille de surface et associée à un gain d'énergie des électrons participant à l'état de surface. De plus, la dépendance en température des spectres de photoémission suggèrent un fort élargissement Franck-Condon associé à un fort couplage électron-phonon. L'étude des raies de cœur par photoémission haute résolution sur la ligne CASSIOPEE (synchrotron SOLEIL) nous a permis de mettre en évidence un ordre de charge à la surface pour les deux types de reconstruction observées en LEED. Tous nos résultats expérimentaux indiquent un fort couplage avec le réseau des électrons de l'état de surface induit par les alcalins ce qui n'a jamais été reporté auparavant ni fait l'objet de prédictions. Un scénario basé sur l'établissement d'une onde de densité de charge à la surface dans la limite d'un fort couplage électron-phonon est proposé. IL est proposé que la limite de l'isolant bi-polaronique soit atteinte dans le cas des couches ultra-minces d'alcalins/Si(111) offrant ainsi la possibilité d'étudier le comportement des électrons fortement couplés au réseau en présence de corrélations électroniques sur un réseau triangulaire. / Low energy electron diffraction (LEED), Auger spectroscopy, scanning tunneling microscopy (STM) and angle-resolved photoemission (ARPES) have been used to study ultrathin films of alkali atoms deposited on Si(111)-v3´v3R30:B surface. An alkali-induced surface state of s-pz symmetry has been evidenced by photoemission being maximum close to the saturation coverage of 1/3 monolayer. A quantitative IV-LEED study evidences the H3 alkali adsorption site as predicted by ab initio calculations. High resolution ARPES data presented in this work evidence a band-folding, a large alkali-dependent semi-conducting gap and a narrow bandwidth. The Cs- induced surface band is shown to present a smaller gap together with a non-zero spectral weight at the Fermi level. These results are a priori consistent with the correlated nature of these materials, the Harrison criterion U/W>>1 being fulfilled for these half-filled surface bands. Moreover, a novel 2v3´2v3 lattice and charge ordering has been discovered below 300 K characterized by a quadrupling of the unit cell and a net energy gain for the surface band. In addition, the temperature dependence of the ARPES spectra suggests these materials are characterized by a strong electron-phonon coupling. High resolution core-levels photoemission spectroscopy recorded at the CASSIOPEE beamline (synchrotron SOLEIL) evidence a local charge ordering at surface in both phases. The corresponding band mapping agree well with the 2(v3´v3) symmetry also for both phases. All these experimental results sign a strong interplay between the charge and lattice degrees of freedom which have never been predicted for these semiconducting surfaces. Therefore, a scenario assuming a charge density wave at surface in the strong electron-phonon coupling limit is proposed. As a striking point, the bi-polaronic insulating ground state is proposed to be reached making these alkali/Si(111) semi-conducting surfaces model systems to study polaronic signatures on the physical properties of low dimensional strongly correlated materials.

Cette thèse porte sur l’étude de la synthèse et des données thermodynamiques des clathrates intermétalliques du système Na-Si, qui sont des matériaux pertinents pour les applications thermoélectriques et qui sont les précurseurs pour de nouvelles formes de Si prometteuses pour des applications photovoltaïques et photoniques. Dans ce travail la formation de clathrates Na-Si a été étudiée in situ et ex situ sous haute pression et haute température. Un nombre de nouvelles formes de silicium a été observé en chauffant des clathrates sous vide. Sous pression inférieure à 3 GPa les clathrates ne se forment pas par l’interaction des éléments. A la place, le siliciure Na4Si4 se forme et reste stable jusqu’à la fusion. Au-dessus de 3 GPa, Na4Si4 formé au début du chauffage, réagit avec l’excès de Si et donne Na30Si136 (structure II) et ensuite, si Na30Si136 réagit avec l’excès de Si pour former Na8Si46 (structure I) au dessous de 7 GPa et le clathrate NaSi6 au-dessus de 7 GPa. Des expériences ont été réalisées en utilisant des cellules standard Paris-Edimbourg (enclumes opposées) jusqu'à 6 GPa et la presse multi-enclumes pour les pressions au-dessus de 6 GPa. La forte sensibilité des produits de cristallisation à la concentration en sodium a été observée. Un schéma de transformations de clathrate pour les pressions entre 0 à 10 GPa et températures entre 300 et 1500 K a été proposé. Le diagramme de phase (concentration – température sous 4 GPa) qui représente les transformations observées et les domaines de stabilité a également été proposé et suggère l’existence de trois équilibres eutectiques : entre Si et structure I, entre structures I et II, et entre structure II et Na4Si4. Pour comprendre la thermodynamique et les interactions dans le système Na-Si, on a également effectué la modélisation du diagramme de phase à pression ambiante, ce que nous a permis de trouver les caractéristiques thermodynamiques de fusion et les équations des liquidus observés. Pour prendre en compte l’impact de la pression sur la thermodynamique, les équations d’état p-V-T de Si à structure diamant, structure I et la forme haute pression de structure II ont été utilisés. / The objective of this thesis is to study the synthesis and thermodynamics of intermetallic clathrates of the Na-Si system, which are the important materials for thermoelectric applications and are the promising precursors for new forms of Si for the photovoltaic and photonic applications. In this work the formation of the Na-Si clathrates have been studied in situ and ex situ at high pressure and high temperature. A number of new forms of silicon have been observed while heating the clathrates under vacuum. Under pressures below 3 GPa the clathrates does not form by the interaction of elements. Instead, the silicide Na4Si4 forms and remains stable up to melting. Above 3 GPa, Na4Si4 formed in the beginning of the heating, react with the excess of Si and gives Na30Si136 (structure II) and after that, if Na30Si136 react with the excess of Si, to form Na8Si46 (structure I) below 7 GPa and the clathrate NaSi6 above 7 GPa. The experiments have been performed by using the standard Paris-Edinburg cell (opposite anvils) up to 6 GPa and multianvil press for pressures above 6 GPa. The strong sensibility of the crystallization product to the concentration of sodium has been observed. The diagram of transformations in clathrates for pressures between 0 and 10 GPa and temperatures between 300 and 1500 K has been proposed. The phase diagram (concentration – temparature at 4 GPa) that represents the observed transformations and stability domains has been also proposed and suggests the existence of three eutetic equilibria: between Si and structure I, between structures I and II, and between structure II and Na4Si4. To understand the thermodynamics and interactions in the system Na-Si, the modelisation of phase diagram at ambient pressure has also been performed that allowed us to establish the thermodynamic characteristics of melting and the equations of observed liquidi. To take into account the impact of pressure on the thermodynamics, the p-V-T equations of state of diamond Si, structure I and high-pressure form of structure II have been used.

V této diplomové práci je nejprve ve zkratce uvedena teorie fyziky solárních článků, kde jsou zmíněny klíčové procesy ovlivňující účinnost konverze slunečního záření na elektrickou energii. Dále je předložena rešerše o fotovoltaických nanostrukturách (nanodráty, nanokrystaly), jejichž implementací je možné účinnost solárních článků zvýšit. V přehledu experimentálních technik ke zkoumání fotovoltaických nanostruktur je důraz kladen zejména na korelativní měření pomocí SEM a AFM, vodivostního AFM, měření EBIC a mikroskopické měření elektroluminiscence. V experimentální části jsou předloženy výsledky měření struktur mikrokrystalického křemíku, vzorku hetero-přechodového Si solárního článku s kontakty na zadní straně (IBC-SHJ z projektu NextBase) a V-pitů vzorku InGaN/GaN kvantových jam. Měření elektroluminiscence bylo provedeno na vzorcích III-V polovodičů (InGaP, GaAs). Byly vypočítány jinak těžko dostupné charakteristiky III-V tandemových solárních článků pomocí elektroluminiscence a srovnání vlastností IBC-SHJ zjištěných pomocí mikroskopického měření elektroluminiscence a EBIC. Provedením experimentů bylo zjištěno, jakým způsobem se dělí proud vybuzený svazkem elektronů mezi hrot AFM a vzorek mikrokrystalického křemíku.

In this thesis I present a study of nanowires, and, in particular, I apply EBIC microscopy for investigation of their electro-optical properties. First, I describe details of the EBIC analytical technique together with a brief historical overview of the electron microscopy, the physical principles of the EBIC, its space resolution, parameters defining the signal amplitude, and the information we can acquire concerning defects, electric fields, etc. Then I focus on the characterization of LEDs based on GaN nanowires, which were analyzed in a cross-section and in a top view configurations. The EBIC measurements were correlated with micro-electroluminescence mapping. Further, I address the fabrication and measurement of nanowire-based InGaN/GaN LEDs detached from their original substrate. I present the EBIC measurements of individual nanowires either cut from their substrate and contacted in a planar geometry or kept standing on supphire substrate and cleaved to reveal the horizontal cross-section.The next part of this thesis is dedicated to an EBIC study of irregular Si nanowire array-based solar cells, and then of the regular nanowire array devices. The current generation was analyzed on a submicrometer scale. Finally, I discuss the fabrication and EBIC measurements of GaN nanowires grown on Si substrate. In particular, I show that the p-n junction was induced in the Si substrate by Al atom diffusion during the nanowire growth. / Dans cette thèse je me propose d’étudier des nano-fils, et en particulier d’utiliser la technique EBIC pour explorer leurs propriétés électro-optiques. Je décris d’abord les détails de la technique d’analyse EBIC avec un bref retour historique sur la microscopie électronique, le principe physique de l’EBIC, sa résolution spatiale, les paramètres conditionnant l’amplitude du signal, et les informations que l’on peut en tirer sur le matériau en termes de défauts, champ électrique, etc. Je m’intéresse ensuite à la caractérisation de LEDs à nano-fils à base de GaN, qui ont été observés par EBIC, soit en coupe soit en vue plane (depuis le haut des fils). Les mesures EBIC sont comparées à celles de micro-électroluminescence. Plus loin j’adresse la fabrication et la mesure de nano-fils à base de GaN séparés de leur substrat d’origine. Je présente les mesures EBIC de nano-fils uniques entiers, puis de nano-fils en coupe horizontale.La partie suivante de la thèse traite d’étude EBIC des cellules solaires à base de nano-fils Si ayant d’abord une géométrie aléatoire, puis une géométrie régulière. La génération de courant dans ces cellules solaires est analysée à l’échelle submicronique. A la fin du manuscrit je discute la fabrication et les mesures EBIC de fils GaN épitaxiés sur Si. Je montre en particulier qu’une jonction p-n est enduite dans le substrat Si par la diffusion d’Al lors de la croissance de nanofils.

Die Arbeit enthaelt kurze Abrisse zum gegenwertigen Kenntnisstand bezueglich der Struktur und der Eigenschaften von amorphen Siliciumdioxiden sowie zur Erzeugung von Silan- und Phenylgruppen auf Siliciumdioxidoberflaechen. Im Mittelpunkt der Arbeit steht die Oberflaechenfunktionalisierung des Aerosil 300 aus der Gasphase bei hohen Temperaturen. Es wird die Reaktion des Wasserstoffs mit den Silanolgruppen zu Silangruppen und deren Umsetzung mit Benzol untersucht. Die IR-Spektroskopie wird zur Verfolgung des Einflusses der Reaktionsparameter (Temperatur, Zeit und Volumenstroeme der Gase) auf das Ergebnis der Funktionalisierung eingesetzt. Neben der IR-Spektroskopie wird auch die Festkoerper-NMR-Spektroskopie zur Strukturaufklaerung genutzt. Weiterhin werden die erzeugten Oberflaechengruppen quantitativ bestimmt und die molaren dekadischen Extinktionskoeffizienten fuer die Valenzschwingung der Silangruppen bei 2293 cm-1 und der Phenylgruppen bei 3068 cm-1 berechnet. Die Hydrolysebestaendigkeit sowie die thermische Stabilitaet der Oberflaechensilane und -phenyle wird ueberprueft. Außerdem werden Aussagen zu den Eigenschaften der Oberflaechen-Si-H-Bindung getroffen. Dann wird gezeigt, daß auch auf Kieselgeloberflaechen Silan- und Phenylgruppen erzeugt werden koennen.

Lithium-Ionen-Batterien besitzen ein ausgezeichnetes Potential für die Energiespeicherung. Das derzeit dominierende Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien mit einer Energiespeicherkapazität von 339 mAh/g ist Graphit. Als Alternative hierfür bieten sich Lithiumsilicide und Lithiumstannide an. Diese Materialien zeichnen sich durch eine viel größere Speicherkapazität und geringere Selbstentladungspotentiale aus. Für die kommerzielle Anwendung dieser beiden Systeme in Lithium-Ionen-Batterien werden grundlegende und verlässliche thermodynamische Daten benötigt. Derzeit ist die Existenz von sieben Lithiumsiliciden sicher nachgewiesen. Dazu zählen die sechs stabilen Phasen Li17Si4, Li16.42Si4, Li13Si4, Li7Si3, Li12Si7, die Hochdruckphase LiSi und die metastabile Phase Li15Si4. Für die ersten fünf genannten Phasen wurden in der ersten Förderperiode des Schwerpunktprogrammes 1473 Wärmekapazitäten und Standardentropien bestimmt. Bei den Lithiumstanniden sind derzeit sieben Phasen gesichert belegt. Allerdings existiert für keine Phase der Lithiumstannide ein verlässlicher thermodynamischer Basisdatensatz. Aus diesem Grund wurden für die beiden zuletzt genannten Lithiumsilicide (Li15Si4 und LiSi), sowie für die Lithiumstannide Li17Sn4, Li7Sn2, Li13Sn5 und Li7Sn3 die fehlenden thermodynamischen Daten experimentell bestimmt. Die hergestellten Phasen wurden zunächst mittels Röntgenbeugung, thermischer und chemischer Analyse charakterisiert. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit lag auf der experimentellen Bestimmung der Wärmekapazitäten in einem Temperaturbereich von 2 K bis zur jeweiligen Zersetzungstemperatur der untersuchten Verbindungen. Hierfür wurden zwei unterschiedliche Kalorimeter verwendet: ein Physical Property Measurement System (Quantum Design) von 2 K bis 300 K und eine DSC 111 (Setaram), beginnend ab 300 K. Die experimentellen Daten konnten mit Messunsicherheiten von 1 % bis 2 % über 20 K und bis zu 20 % unterhalb von 20 K angegeben werden. Die Messungen bei niedrigen Temperaturen erlauben zudem die Berechnung der Standardentropien, sowie die Bestimmung von elektronischen Beiträgen und Gitterschwingungsbeiträgen zur Wärmekapazität. Weiterhin ist Fokus dieser Arbeit die Bestimmung der Standardbildungsenthalpien der Lithiumsilicide und Lithiumstannide auf Basis von Wasserstoffsorptionsmessungen mittels einer Sieverts-Apparatur. Hierfür wurden erstmals Messungen an den Lithiumsiliciden ausgehend von Li17Si4, LiH:Si (Li:Si = 17:4), Li16.42Si4 und LiSi durchgeführt. Für die Lithiumstannide dienten als Ausgangsmaterial Li17Sn4, LiH:Sn (Li:Sn =17:4), sowie Li7Sn2 und LiH:Sn (Li:Sn = 7:2). Die Anwendung des van´t-Hoff-Plots resultierte in Messunsicherheiten von mindestens 10 %. Aus diesem Grund wurde eine alternative Auswertemethode gewählt, bei der die ermittelten Wärmekapazitäten und Standardentropien mit den Gleichgewichtsdrücken aus den Wasserstoffsorptionsmessungen miteinander verknüpft werden. Auf diese Weise konnten Standardbildungsenthalpien für die untersuchten Phasen mit Fehlern kleiner 1 % ermittelt werden. Aus den Ergebnissen dieser Arbeit resultierte ein vollständiger, gesicherter thermodynamischer Datensatz für das System Li-Si. Das berechnete Li-Si-Phasendiagramm ist im sehr guten Einklang mit experimentellen literaturbekannten Daten. Für die Lithiumstannide erfolgte eine Validierung der ermittelten thermodynamischen Werte. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse liefern einen wesentlichen Beitrag zur Verbesserung der Datenbasis für thermodynamische Berechnungen und für das Verständnis von Phasensequenzen und Gleichgewichten beim Einsatz von Lithiumsiliciden bzw. Lithiumstanniden als Anodenmaterialien in Lithium-Ionen-Batterien.

Metal-Oxide-Silicon Field-Effect-Transistors with a layer of electrically isolated Si nanocrystals (NCs) embedded in the gate oxide are known to improve conventional floating gate flash memories. Data retention, program and erase speeds as well as the memory operation voltages can be substantially improved due to the discrete charge storage in the isolated Si NCs. Using ion beam synthesis, Si NCs can be fabricated along with standard CMOS processing. The optimization of the location and size of ion beam synthesized Si NCs requires a deeper understanding of the mechanisms involved, which determine (i) the built-up of Si supersaturation by high-fluence ion implantation and (ii) NC formation by phase separation. For that aim, process simulations have been conducted that address both aspects on a fundamental level and, on the other hand, are able to avoid tedious experiments. The built-up of a Si supersaturation by high-fluence ion implantation were studied using dynamic binary collision calculations with TRIDYN and have lead to a prediction of Si excess depth profiles in thin gate oxides of a remarkable quality. These simulations include in a natural manner high fluence implantation effects as target erosion by sputtering, target swelling and ion beam mixing. The second stage of ion beam synthesis is modeled with the help of a tailored kinetic Monte Carlo code that combines a detailed kinetic description of phase separation on atomic level with the required degree of abstraction that is necessary to span the timescales involved. Large ensembles of Si NCs were simulated reaching the late stages of NC formation and dissolution at simulation sizes that allowed a direct comparison with experimental studies, e.g. with electron energy loss resolved TEM investigations. These comparisons reveal a nice degree of agreement, e.g. in terms of predicted and observed precipitate morphologies for different ion fluences. However, they also point clearly onto impact of additional external influences as, e.g., the oxidation of implanted Si by absorbed humidity, which was identified with the help of these process simulations. Moreover, these simulations are utilized as a general tool to identify optimum processing regimes for a tailored Si NC formation for NC memories. It is shown that key properties for NC memories as the tunneling distance from the transistor channel to the Si NCs, the NC morphology, size and density can be adjusted accurately despite of the involved degree of self-organization. Furthermore, possible lateral electron tunneling between neighboring Si NCs is evaluated on the basis of the performed kinetic Monte Carlo simulations.

Die Bedeutung von Leistungshalbleitern mit großem Bandabstand (Wide Band Gap, WBG) nahm in den letzten drei Jahrzehnten kontinuierlich zu. Diese Bauelemente haben das Potenzial, Silizium (Si) - Bauelemente in bestimmten Anwendungen sowie Leistungs- und Frequenzbereichen zu ersetzen. Siliziumkarbid (SiC)-Leistungshalbleiter sind die gegenwärtig am Weitesten entwickelten WBG-Leistungshalbleiter. Dank besonderer Materialeigenschaften zeichnen sich SiC-Leistungshalbleiter im Vergleich zu Si-Bauelementen durch einen geringeren spezifischen Widerstand, eine höhere Schaltgeschwindigkeit, geringere schaltverluste sowie eine höhere maximale Sperrschichttemperatur aus. Die deutlich erhöhten Herstellungskosten limitieren den Einsatz von SiC-Leistungshalbleitern auf Anwendungen, in denen die Vorteile dieser Bauelemente die höheren Kosten überkompensieren und Systemvorteile ermöglichen. Heute werden SiC-Leistungshalbleiter z.B. in Solarwechselrichtern oder in Elektrofahrzeugen verwendet. Für Stromrichter industrieller elektrischer Antriebe ist die Kosten-Nutzen-Bilanz des Einsatzes von SiC-Leistungshalbleitern gegenwärtig nicht bekannt. Diese Fragestellung motiviert diese Arbeit. Die Auslegung sowie die daraus resultierenden Vor- und Nachteile eines Stromrichters mit SiC-Leistungshalbleitern für elektrische Industrieantriebe ist der Untersuchungsgegenstand dieser Arbeit. Zu diesem Zweck wurde unter Einhaltung industrieller Auslegungskriterien ein 240 kVA SiC-basierter Stromrichterdemonstrator als aktiver Gleichrichter am dreiphasigen 690 V Niederspannungsnetz untersucht. Auf der Basis einer Stromrichterauslegung für SiC- und Si-Leistungshalbleiter wurde ein theoretischer Vergleich von Kosten, Effizienz, Größe und Gewicht durchgeführt. Die Arbeit stellt zunächst den Stand der Technik für SiC-Leistungshalbleiter dar. Anschließend wird ein geeignetes SiC-MOSFET Module für den industriellen Stromrichter ausgewählt und bezüglich des Schaltverhaltens sowie der Parallelschaltung charakterisiert. Der Auslegung des Stromrichterleistungsteils liegen industrielle Anforderungen zu Grunde. Ein realisierter Demonstrator für einen netzseitigen Stromrichter (Active Front End) ist durch eine symmetrische Parallelschaltung von zwei SiC-Modulen, geeignete Ansteuerschaltungen (Gate Drive Units), eine niedrige Streuinduktivität im Kommutierungskreis sowie ein LCL-Filter mit Standard-Kernmaterialien gekennzeichnet. Der Stromrichtervergleich zeigt, dass der betrachtete Stromrichter mit SiC-Leistungshalbleitern im gesamten Betriebsbereich geringere Verluste verursacht als ein vergleichbarer Stromrichter mit Si-Leistungshalbleitern. Der SiC - basierte Stromichter ermöglicht auch eine deutliche Gewichtsreduktion bei ca. 89% der Systemkosten. Somit stellen SiC-Leistungshalbleiter eine attraktive technische Lösung für die untersuchte Anwendung eines aktiven Gleichrichters für industrielle elektrische Antriebe dar. / Wide bandgap (WBG) power semiconductors have drawn steadily increasing interest in power electronics in the last three decades. These devices have shown the potential of replacing silicon as the default semiconductor solution for several applications in determined power and frequency ranges. Among them the most mature WBG semiconductor material is silicon carbide (SiC), which presents several characteristics at the crystal level that translate in the potential of presenting lower resistivity, be able to switch faster with lower switching loss, and present both higher characteristics to tolerate and dissipate heat when com pared with silicon. However, the same characteristics that make it great also present a different set of drawbacks to be considered, which aligned with its increased cost make it challenging to assess if its advantages are justified for a particular application. Applications that highly value efficiency and/or power density are the most benefited, and converter solutions featuring the technology have already breached into these application markets. However in other applica tions, the line from which silicon carbide starts making sense in the cost/benefits/drawbacks balance is not clear. This is typically the case of industrial applications, which were the main focus and motivation of this work. Hence, in this work the main goal has been to determine the basic characteristics, advantages and limitations that SiC technology designs for industrial low voltage high power grid connected converters present. To that end, a 690 V, 240 kVA SiC-based grid-tied converter demonstrator following industrial design criteria has been developed. Then, based on this design procedure a theoretical comparison between a 690 V, 190 kVA SiC-based converter against a silicon-based converter designed for the same power output has been performed to compare them regarding cost, efficiency, size and weight. This work also comprises a thorough revision of the state of art of SiC devices, which led to the selection of the switching device. Additionally, a characterization of both single and parallel-connected operation of the semiconductor modules was performed, to determine the module characteristics and its suitability to build the SiC converter demonstrator. Results show that the converter demonstrator operates as designed, proving that is possible with the corresponding precautions to achieve: a low inductive power loop, balanced parallel connection of SiC modules, adequate driving circuits for the parallel-connected modules and an adequate filtering solution in compliance with grid-codes based on standard core materials for the selected switching frequency. Finally, the theoretical comparison between the two designed power converters shows that, attained to the conditions of the comparison, the SiC converter solution presents efficiency gains over the whole operating range, while presenting substantial weight savings at 89% of the costs of the Si-IGBT design, presenting itself as the cost-effective solution for the presented application requirements under the given design constraints.