Ce travail présente une étude spectroscopique par réflectivité, photoluminescence et transmission (de 5 K à 300 K) pour la mise en évidence du couplage fort lumière-matière dans des microcavités nitrurées massives et à puits quantiques élaborées sur substrat de silicium. Les expériences sont interprétées grâce à une modélisation utilisant le formalisme des matrices de transfert et prenant en compte les phénomènes d'élargissement homogène et inhomogène des transitions excitoniques. A travers les résultats obtenus sur de nombreuses cavités, l'influence de la géométrie de la microcavité (épaisseur de la cavité, nombre de paires des miroirs de Bragg, nature des miroirs, ...) sur l'obtention du régime de couplage fort a été étudiée. En s'appuyant sur les résultats expérimentaux obtenus, le modèle des matrices de transfert a été comparé à un modèle quasi-particule. Il a été démontré que ce dernier n'est réaliste que dans le cas où la réflectivité des miroirs est très élevée, le modèle des matrices de transfert restant le plus fidèle aux résultats expérimentaux grâce à la prise en compte de la structure réelle de la microcavité. Ce travail de thèse s'achève par l'étude de microcavités à deux miroirs diélectriques. Deux approches différentes visant à améliorer le facteur de qualité de la cavité ainsi que la finesse du mode excitonique (à travers l'amélioration de la qualité cristalline de la couche de GaN) sont présentées et le couplage fort est observé pour la première fois en transmission.

L'étude des propriétés optiques des matériaux semiconducteurs et, notamment, des composés émettant dans l'ultra-violet (UV) constitue depuis quelques années une thématique de recherche de plus en plus importante du fait des applications potentielles de ces matériaux en optoélectronique. Dans cette perspective, étudier les propriétés optiques du nitrure de bore hexagonal (hBN) et des nanotubes de nitrure de bore (BN) est particulièrement intéressant, étant donné leur caractère semiconducteur à grand gap (autour de 6 eV). <br /> L'objectif de cette étude est d'analyser les propriétés optiques de ces matériaux et, plus particulièrement, leurs effets excitoniques, en développant des méthodes de caractérisation optique adaptées pour observer des émissions UV.<br />Les techniques expérimentales de photoluminescence et de cathodoluminescence développées au cours de cette thèse ont tout d'abord permis de comprendre les propriétés de luminescence du hBN. Ainsi, nous avons pu confirmer la présence d'excitons libres émettant à 5.77 eV. Ensuite, en corrélant ces mesures optiques avec des analyses structurales en microscopie électronique en transmission de cristaux individuels, nous avons mis en évidence l'existence d'excitons liés à des défauts structuraux bien déterminés et émettant autour de 5.5 eV. Une fois les propriétés de luminescence du matériau massif connues, nous avons analysé de la même manière différents types de nanotubes de BN multifeuillets. Ces mesures ont pour la première fois montré que ces nano-objets émettent également dans l'UV. En se basant sur notre étude de la luminescence de hBN, nous proposons une interprétation pour l'origine de leurs émissions lumineuses UV.

Le travail présenté ici concerne l'étude des différentes phases de porteurs de charge générées sous excitation optique à basse température dans les nanostructures de silicium cristallin. Après avoir rappelé et décrit brièvement les mécanismes physiques responsables de l'apparition et de l'équilibre entre le gaz d'excitons, le plasma et le liquide électron-trou dans les semiconducteurs massifs, il est montré, en s'appuyant sur les techniques de photoluminescence résolues en longueur d'onde et en temps, que le seuil de condensation des excitons en liquide électron trou est abaissé dans les puits de silicium sur isolant (SOI) du fait du confinement spatial unidimensionnel. Cet effet permet également de mettre en évidence la nucléation et la coalescence des gouttelettes de liquide. Une augmentation de la température de transition liquide-plasma est observée dans les milieux confinés dans les trois directions de l'espace, obtenus à partir de puits de SOI. L'influence du champ électrique sur le liquide est examinée grâce à la fabrication de jonctions métal-oxyde-semiconducteur pouvant servir à localiser les gouttelettes sous les électrodes. Enfin, l'effet du confinement quantique sur le liquide est observé dans les puits fins de SOI et conduit à la création d'un liquide bidimensionnel. Les données sont analysées en s'aidant d'un modèle prenant en compte l'abaissement de la dimensionalité du silicium ainsi que l'apparition de charges image dans le matériau barrière. Pour les puits les plus fins, l'apparition de raies de luminescence caractéristiques de celles émises par des nanocristaux de silicium atteste de l'observation de la transition puits/boîte.

Cette thèse a eu pour objectif la synthèse de nanocristaux de semi-conducteur de forme allongée et leur assemblage contrôlé entre des électrodes. L'alignement de ces nanorods à grande échelle permet d'obtenir des matériaux ayant des propriétés optiques et électriques intrinsèquement anisotropes. Nous avons synthétisé des nanorods de CdSe dans une large gamme de rapports de forme (de 1,6 à 10), et des hétérostructures cœur sphérique de CdSe et coquille allongée de CdS. Nous avons utilisé les techniques de spectroscopie UV-vis et PL pour caractériser les propriétés optiques des nanorods ; leur morphologie et leur structure ont été étudiées par MET et diffraction des rayons X. La mise en œuvre d'un dispositif pour réaliser l'assemblage en parallèle de plusieurs électrodes a permis d'implémenter une technique rapide et reproductible. Bien que l'application d'un champ électrique seul permet de guider les nanorods entre les électrodes, le contrôle de l'assemblage et leur alignement est réalisé grâce à l'application simultanée d'un champ électrique et d'une excitation ultraviolette pendant l'évaporation d'une goutte de solution colloïdale. Différents paramètres expérimentaux ont été explorés pour identifier leurs influences sur les assemblages. Ces derniers ont ensuite été caractérisés par des techniques de microscopie (électronique à balayage et optique), révélant un degré d'alignement considérable des nanorods de CdSe selon les lignes de champ électrique quand il y a l'action synergique d'un champ électrique et d'une source UV.

Dans le cadre d'une approche bottom-up, la fabrication de nanofils par une croissance catalysée ouvre la voie à nombres d'applications: nano--transistors verticaux à grille enrobantes, heterostructures cœur--coquilles... Avec ces nouveaux objets, de nouvelles interrogations apparaissent quant à l'influence du catalyseur et de la surface sur les propriétés électroniques des nanofils. Mon travail basé sur une étude spectroscopique via des expériences de photoluminescence a mis en évidence le rôle prépondérant de la surface sur les propriétés électroniques des nanofils. La passivation des états de surface a permis d'observer la recombinaison radiative des porteurs libres d'une phase dense : le liquide électron-trou, dans des nanofils catalysés par de l'or et du cuivre. Cette phase liquide a la particularité d'être stable thermodynamiquement et sa densité est constante. Cette propriété unique dans les semiconducteurs a conduit à l'étude quantitative de l'influence de la surface via la modification du ratio surface/volume. Une méthode originale de mesure de la vitesse de recombinaison de surface (VRS) a ainsi été développée et des VRS relativement faibles ont été mesurées indiquant une excellente passivation des états de surface. Les propriétés de volume de nanofils catalysés 'or' sont très similaires à celles d'un silicium massif utilisé en micro-électronique. Enfin, l'oxydation sacrificielle du silicium a permis d'obtenir des nanofils de diamètre inférieur à 10 nm. L'oxydation progressive des nanofils a permis d'observer un décalage de la raie vers le rouge attribué à la présence de contraintes, puis l'augmentation du gap est corrélée au confinement quantique des porteurs.

The work presented in this thesis has striven toward improving the capability to study proteins using infrared (IR) spectroscopy. This includes development of new and improved experimental and theoretical methods to selectively observe and simulate protein vibrations. A new experimental method of utilising adenylate kinase and apyrase as helper enzymes to alter the nucleotide composition and to perform isotope exchange in IR samples was developed. This method enhances the capability of IR spectroscopy by enabling increased duration of measurement time, making experiments more repeatable and allowing investigation of partial reactions and selected frequencies otherwise difficult to observe. The helper enzyme mediated isotope exchange allowed selective observation of the vibrations of the catalytically important phosphate group in a nucleotide dependent protein such as the sarcoplasmic reticulum Ca2+-ATPase. This important and representative member of P-type ATPases was further investigated in a different study, where a pathway for the protons countertransported in the Ca2+-ATPase reaction cycle was proposed based on theoretical considerations. The transport mechanism was suggested to involve separate pathways for the ions and the protons. Simulation of the IR amide I band of proteins enables and supports structure-spectra correlations. The characteristic stacking of beta-sheets observed in amyloid structures was shown to induce a band shift in IR spectra based on simulations of the amide I band. The challenge of simulating protein spectra in aqueous medium was also addressed in a novel approach where optimisation of simulated spectra of a large set of protein structures to their corresponding experimental spectra was performed. Thereby, parameters describing the most important effects on the amide I band for proteins could be determined. The protein spectra predicted using the optimised parameters were found to be well in agreement with experiment. / <p>At the time of the doctoral defense, the following paper was unpublished and had a status as follows: Paper 5: Manuscript.</p>

The coupling between longitudinal-optical (LO) phonons and neutral excitons in two different kinds of InGaAs pyramidal quantum dots embedded in either AlGaAs or GaAs barriers is experimentally examined. We find a slightly weaker exciton-LO-phonon coupling and increased linewidth of the phonon replicas for the quantum dots with GaAs barriers compared to the ones with AlGaAs barriers. These results, combined with the fact that the LO-phonon energy of the exciton is the same for both kinds of dots, are taken as evidence that the excitons mainly couple to LO-phonons within the QDs. / Original Publication:Daniel Dufåker, L. O. Mereni, Fredrik K. Karlsson, V. Dimastrodonato, G. Juska, Per-Olof Holtz and E. Pelucchi, Exciton-phonon coupling in single quantum dots with different barriers, 2011, Applied Physics Letters, (98), 25, 251911.http://dx.doi.org/10.1063/1.3600781Copyright: American Institute of Physicshttp://www.aip.org/

The first part of my PhD work is about the lattice vibrations in silicon nanowires. First-principles calculations based on the linear response are performed to investigate the quantum confinement effect in lattice vibrations of silicon nanowires (SiNW). The radial breathing modes (RBM) are found in our calculations, which have a different size-dependent frequency shift compared with the optical modes. They are well explained by the elastic model. Finally, the relative activity of the Raman scattering in the smallest SiNW is calculated. The RBM can be clearly identified in the Raman spectrum, which can be used to estimate the size of nanowires in experiment. In the second part of my PhD work, we focus on the electron-hole pair (exciton) in semiconductor nanowires and its influence on the optical absorption spectra. First-principles calculations are performed for a hydrogen-passivated silicon nanowire with a diameter of 1.2 nm. Using plane wave and pseudopotentials, the quasiparticle states are calculated within the so-called GW approximation, and the electron-hole interaction is evaluated with the Bethe-Salpeter Equation (BSE). The enhanced excitonic effect is found in the absorption spectrum. The third part of my work is about the electronic structure in Si/Ge core-shell nanowires. The electronic band structure is studied with first-principles methods. Individual conduction and valence bands are found in the core part and the shell part, respectively. The band offsets are determined, which give rise to the spatial separation of electron and hole charge carriers in different regions of the nanowires. This allows for a novel-doping scheme that supplies the carriers into a separate region in order to avoid the scattering problem. This is the key factor to create high-speed devices. With the confinement effect, our results show important correction in the band offset compared with the bulk heterostructure. Finally, an optimum doping strategy is proposed based on our band-offset data.

Lorsqu'un émetteur est placé dans une cavité, il existe deux régimes de couplage lumière-matière : dans le régime dit de couplage faible, la cavité a pour effet de modifier le taux d'émission spontanée de l'émetteur. Cet effet perturbateur de la cavité est connu sous le nom d'effet Purcell. Dans le régime dit de couplage fort, l'interaction dipolaire électrique n'est plus perturbative ; les états-propres du système couplé sont des états mixtes lumière-matière. Dans le domaine temporel, ce couplage se traduit par le fait que l'émission spontanée devient réversible : le photon émis spontanément par l'émetteur dans le mode de cavité peut à nouveau être ré-absorbé par l'émetteur, puis ré-émis,...donnant ainsi lieu à un cycle d'oscillations de Rabi. Dans le domaine spectral, le couplage se manifeste par une levée de dégénerescence (ou doublet de Rabi) lorsqu'émetteur et mode de cavité sont mis en résonance. L'objet de cette thèse est la démonstration expérimentale du couplage fort entre un exciton confiné par une boîte quantique naturelle de GaAs et un mode de galerie d'un microdisque semi-conducteur.<br />Les paramètres-clefs pour atteindre ce régime sont, pour ce qui est de l'émetteur, sa force d'oscillateur ainsi que sa largeur spectrale, gouvernée par l'interaction avec l'environnement. Un chapitre est consacré à chacune de ces 2 notions-clefs. Concernant la cavité, les 2 figures de mérite pertinentes pour le renforcement de l'interaction lumière-matière sont le facteur de qualité et le volume modal. Nous présentons la réalisation technologique et la caractérisation des microdisques de GaAs (sur air et sur AlOx) les plus prometteurs en terme de facteur de qualité et volume modal.<br />Enfin, nous présentons la première démonstration expérimentale du régime de couplage fort pour une boîte quantique naturelle de GaAs en microdisque.

During this work, we have addressed two aspects of the properties of the fluorescent organic nanoparticles made of Adambodipy: their spectroscopy and their production with controlled sizes. We have produced micro-crystals (100x10x1µm3) by precipitation in solutions of low supersaturation. We have measured their spectroscopy under microscope in the range 380nm to 900nm. The microcrystals are birefringent and dichroic. By adding polarizers on a microscope we have measured their refraction index along the two neutral axes according to the method of Swanepoel. We have measured the two absorption spectra along the neutral axis. We have calculated these absorption spectra using the model of the dipolar coupling for Frenkel excitons. The amplitude of this coupling has been estimated according to the classic model. But for two particular pairs of the cell, we have compared this estimation with the value that can be deduced from the quantum calculation of a dimer by TDDFT. The calculated spectra reproduce the dichroism, the spectral broadening of the absorption spectra but not the experimental peak shape probably because our micro-spectrophotometer levels up at high absorbance. The calculated fluorescence spectra predict a polarized transition along the b direction of the cell. The experiment shows two other red shifted bands. The study of their polarization, as well as their fluorescence lifetime allows us to attribute them to defects in the crystal. The spectra of the nanoparticles produced in the second part of this work are not those of crystals. We have been able to reproduce them theoretically by introducing an orientation disorder inside the periodic structure. The 3D hydrodynamic focusing enables us to produce nanoparticles with controlled size without precipitation of Adambodipy on the wall. We have used the PDMS technology and we moved to a glass tube approach, in order to avoid the diffusion of fluorescence into the PDMS. By adjusting the flow ratio between the inner organic solution of the dye and outer aqueous solution, we can control the size of the nanoparticle between 100nm and 300nm. The stability of the colloidal suspension is maintained by the surfactant CTACl below the CMC. Indeed above the CMC, the nanoparticles exist together with dyes dispersed in micelles. We have simulated using COMSOL the precipitation of the nanoparticles. We have introduced in the calculation the hydrodynamic and mutual diffusion of water and ethanol, as well as the diffusion of the Adambodipy. From our studies of the solubility of Adambodipy in water/ethanol mixtures, we have obtained the saturation curve and we have built the supersaturation maps in the micro-device. We have used Fluorescence lifetime imaging microscopy to follow in situ the precipitation process. From the decay collected in different positions can be attributed to the coexistence of three species : the monomers, the nanoparticles and an intermediate species supposed to be the nuclei. The FLIM shows a precipitation in the diffusion area of the two solvents as well as a massive precipitation after a few hundred of millisecond. The FLIM images are very close to the COMSOL predictions.