Les polaritons de cavité sont des quasi-particules, partiellement matière-t partiellement lumière, crées lors du couplage fort d'un exciton et d’un photon de cavité. A une certaine température et densité de particules, les polaritons de cavité peuvent subir une transition de phase de type quasi-Bose-Einstein et condenser dans l'état de plus basse énergie du système; dans ces conditions, la cavité émet de la lumière cohérente et le dispositif associé est appelé laser à polaritons. ZnO est l'un des matériaux les plus adaptés pour la fabrication des lasers à polaritons fonctionnant à température ambiante, en raison de ses excellentes propriétés excitoniques. Cependant, des difficultés techniques ont empêché la réalisation de microcavités à base de ZnO pendant longtemps. Dans cette thèse nous présentons la fabrication de microcavités à base de ZnO par deux approches différentes, ce qui a permis de surmonter les difficultés technologiques existantes et ont permis d'obtenir des figures de mérite avec des valeurs records (pour le facteur de qualité ainsi que pour l’éclatement de de Rabi). Des lasers à polaritons fonctionnant à température ambiante ont été démontré dans les deux cas. Dans la microcavité entièrement hybride, des condensats de polaritons ont été étudiés dans une gamme de désaccord exciton-photon sans précédents, et de basse température à température ambiante; ceci a permis d'obtenir, pour la première fois, un diagramme de phases complet. Cette thèse ouvre la voie à une polaritonique appliquée fonctionnant à température ambiante. / Cavity polaritons are quasi-particles, partially light partially matter, resulting from the strong-coupling of an exciton and a cavity photon. At a certain temperature and particle density, cavity polaritons can go through a quasi-Bose-Einstein phase transition and condense at the lowest energy state of the system; in this situation the cavity emits coherent light and the associated device is termed polariton laser. ZnO is one of the most adapted materials for fabricating room temperature polariton lasers, due to its excellent excitonic properties. However, technical difficulties have been preventing the achievement of ideal ZnO microcavities for a long time. In this thesis we report the fabrication of high quality ZnO microcavities with two different approaches, which overcome the existing technical challenges and allow to achieve a record cavity quality factor and large Rabi splittings. Room temperature polariton lasing has been demonstrated in both cases. In a fully-hybrid ZnO microcavity, polariton condensates were studied within an unprecedented range of exciton-photon detunings, and from low to room temperature. This tunability has enabled to obtain, for the first time, a complete condensation phase diagram for ZnO-based microcavities, wherein the exciton fraction of the polaritons has been tuned between 17% to 96%, corresponding to a modification of the exciton-polariton mass, its lifetime and its interaction constant by 1 order of magnitude. This thesis paves the way for implementing a polariton-based technology operating at room-temperature.

Les polaritons de cavité sont des quasi-particules, partiellement matière-t partiellement lumière, crées lors du couplage fort d'un exciton et d'un photon de cavité. A une certaine température et densité de particules, les polaritons de cavité peuvent subir une transition de phase de type quasi-Bose-Einstein et condenser dans l'état de plus basse énergie du système; dans ces conditions, la cavité émet de la lumière cohérente et le dispositif associé est appelé laser à polaritons. ZnO est l'un des matériaux les plus adaptés pour la fabrication des lasers à polaritons fonctionnant à température ambiante, en raison de ses excellentes propriétés excitoniques. Cependant, des difficultés techniques ont empêché la réalisation de microcavités à base de ZnO pendant longtemps. Dans cette thèse nous présentons la fabrication de microcavités à base de ZnO par deux approches différentes, ce qui a permis de surmonter les difficultés technologiques existantes et ont permis d'obtenir des figures de mérite avec des valeurs records (pour le facteur de qualité ainsi que pour l'éclatement de de Rabi). Des lasers à polaritons fonctionnant à température ambiante ont été démontré dans les deux cas. Dans la microcavité entièrement hybride, des condensats de polaritons ont été étudiés dans une gamme de désaccord exciton-photon sans précédents, et de basse température à température ambiante; ceci a permis d'obtenir, pour la première fois, un diagramme de phases complet. Cette thèse ouvre la voie à une polaritonique appliquée fonctionnant à température ambiante.

L'oxyde de zinc (ZnO) est un matériau connu et intensivement étudié pour des applications optoélectroniques dans le domaine de l’ultraviolet en raison de son large gap énergétique (3,34 eV). Cependant, les applications UV basées sur des matériaux nanostructurés représentent un véritable défi : la diminution en taille des particules obtenues généralement par des voie de chimie en solution permet d’accroître la surface spécifique mais en stabilisant des défauts à l’origine d’émissions visibles. Au cours des dernières décennies, des progrès concernant la qualité des particules ont été enregistrés au moyen des techniques physiques basées sur les dépôts en phase gazeuse à haute température. Cependant, la taille et le contrôle de la morphologie des particules restent difficiles. En prenant en compte l'état de l'art portant sur les propriétés optiques des particules de ZnO, c’est la voie supercritique qui a été mise en œuvre dans cette étude. Tout d'abord des réacteurs micro/millifluidiques ont été développés de façon à accroître la quantité de matériaux produits (gramme/jour) tout en conservant des propriétés d’émission dans l’ultraviolet. Puis les caractéristiques physico-chimiques des particules ont été étudiées au regard de l'influence de la dimension des réacteurs et de l'hydrodynamique des systèmes. Les propriétés de luminescence sont reportées à température ambiante et basses températures et comparées expérimentalement à la réponse d’un monocristal et des données de la littérature. Les mécanismes de formation (nucléation et croissance) des nanoparticules ont été élucidés et ont permis de comprendre les réponses optiques uniques de ces particules. / Zinc oxide (ZnO) is a well-known and intensively studied material for optoelectronic applications in the ultraviolet (UV) spectrum region due to its wide band gap energy - 3.34 eV. However, the UV applications based on nanostructured ZnO present a big challenge due to the small size of the nanostructures i.e. a large surface-to-volume ratio resulting the appearance of the visible emission originated from the surface defects. In the last decades, the progress concerning the fabrication of UV-emitting ZnO nanostructures was carried out through the high temperature gas phase based approach. However, the size and shape control of ZnO nanostructures obtained with this approach is still difficult. Taking into account the state of the art in the optics based on ZnO nanomaterials, this Ph.D. thesis demonstrates the development of new supercritical fluids based approach for the synthesis of ZnO nanostructures with UV-emitting only PL properties. First of all in this thesis, we have developed continuous supercritical set up from micro- up to millifluidic reactor dimension for the synthesis of a larger quantity of UV-emitting ZnO nanocrystals (a gram scale per day). The influence of reactor dimension associated with hydrodynamics on physico-chemical characteristics was investigated. ZnO nanocrystals formation mechanism was studied as a function of the residence time in our continuous supercritical fluids process for the understanding of the nucleation and growth of the nanocrystals. Moreover, ZnO nanocrystals formation mechanism determines UV-emitting properties of this material. The optical properties at room and low temperature were deeply investigated with comparing to the PL emission of several types of ZnO particles and single crystal for the understanding of the nature of UV emission.

Les matériaux de structure cubique blende de zinc sont piézo-électriques: une déformation de ces cristaux selon un axe polaire induit une polarisation électrique. Les puits quantiques contraints, de semi-conducteurs cubiques II-VI ou III-V, d'orientation [111] ou [211] présentent un champ électrique permanent de l'ordre de 100 kV/cm pour 1% de déformation. Ces structures sont particulièrement intéressantes pour la modulation optique, mais il est nécessaire d'étudier préalablement leurs propriétés spécifiques avant de pouvoir envisager de les utiliser dans des dispositifs optiques. Dans ce but, nous avons étudié par spectroscopie optique des puits contraints CdTe/CdMnTe ou CdTe/CdZnTe, élaborés par épitaxie par jets moléculaires, avec comme axe de croissance [111] ou [211]. Les résultats de spectroscopie ont été confrontés à une modélisation en termes de fonctions enveloppes prenant en compte les effets de contraintes biaxiales pour une direction de croissance [hhk]. De plus, nous avons développé une méthode originale de mesure du champ piézoélectrique dans les puits quantiques grâce à laquelle nous avons mis en évidence un effet piézo-électrique fortement non linéaire dans CdTe. Cet effet n'avait jamais été mentionné par ailleurs. Nous avons également mesuré l'évolution du coefficient piézo-électrique e14 CdTe avec une forte pression hydrostatique, jusqu'à des déformations d'environ 2% et montré qu'une part des non-linéarités provient d'un effet de volume. Enfin, nous avons étudié l'effet du champ piézo-électrique sur l'exciton. L'énergie de liaison de l'exciton est assez peu affectée, par contre, la force d'oscillateur décroît fortement pour la transition fondamentale du puits, avec le recouvrement des fonctions enveloppes d'électron et de trou. Notre modélisation de l'exciton, utilisant deux paramètres variationnels, fournit un calcul précis, sans paramètre ajustable, de l'absorption excitonique à travers un puits piézo-électrique: les calculs sont en très bon accord, sur près de deux ordres de grandeurs, avec les mesures d'absorption que nous avons réalisées sur une série d'échantillons de compositions variées.

Les propriétés spécifiques des milieux fluides supercritiques sont exploitées depuis denombreuses années dans les domaines de la séparation, de la chimie et des matériaux.Aujourd’hui, les activités de recherche se focalisent vers une meilleure compréhension et unmeilleur contrôle des processus thermodynamiques, physiques et chimiques mis en jeu, ce quinous a naturellement amené à développer la microfluidique supercritique. C’est dans cecontexte que s’inscrivent ces travaux de thèse ayant pour objet le développement et l’utilisationde l’outil microfluidique pour l’étude de la réactivité chimique et de la germination-croissance enmilieux fluides supercritiques.Notre premier objectif a concerné le développement de l’outil microfluidique supercritique etde microsystèmes résistants aux conditions de température et de pression. Quelquescaractéristiques physiques associées à ces dispositifs sont proposées de manière à observerclairement les avantages attendus du couplage de la microfluidique et des fluides supercritiques.Nous avons ensuite validé l’apport de la microfluidique supercritique sur la réactivité chimiqueet la chimie des matériaux via, d’une part, l’étude de l’oxydation hydrothermale du méthanol et,d’autre part, l’élaboration de nanocristaux de ZnO. Les propriétés de photoluminescence de cesnanocristaux de ZnO ont été caractérisées; nous avons montré que l’outil microfluidiquesupercritique permet de synthétiser des nanocristaux de ZnO avec une luminescenceexcitonique. / The unique properties of supercritical fluids (SCFs) have been widely used since the 1980’sin a wide range of applications including separation, chemistry and materials synthesis.Currently, the research activities are focused toward a better understanding and tailoring ofthermodynamical, physical and chemical phenomena involved in SCFs processes. In thiscontext, this is why we have chosen to develop supercritical microfluidics in the frame of thisPhD work, which aims at developing and using microfluidic tools in order to study the chemicalreactivity and the nucleation-growth in supercritical fluids.First of all, our strategy aimed at fabricating microsystems which could handle to the SCFsoperating conditions (high pressure and high temperature). Then, we have studied somephysical characteristics of these devices and in particular we determined the expectedadvantages associated with the combination of microfluidic tools and supercritical fluids.Afterwards, we have demonstrated the benefits of the supercritical microfluidics to materialssynthesis and chemical reactivity through the hydrothermal oxidation of methanol and thesynthesis of ZnO nanocrystals. This last point was also the subject of a photoluminescencestudy, demonstrating that supercritical microfluidics tools can be used as “precision synthesis”reactors.

Les propriétés spécifiques des milieux fluides supercritiques sont exploitées depuis denombreuses années dans les domaines de la séparation, de la chimie et des matériaux.Aujourd'hui, les activités de recherche se focalisent vers une meilleure compréhension et unmeilleur contrôle des processus thermodynamiques, physiques et chimiques mis en jeu, ce quinous a naturellement amené à développer la microfluidique supercritique. C'est dans cecontexte que s'inscrivent ces travaux de thèse ayant pour objet le développement et l'utilisationde l'outil microfluidique pour l'étude de la réactivité chimique et de la germination-croissance enmilieux fluides supercritiques.Notre premier objectif a concerné le développement de l'outil microfluidique supercritique etde microsystèmes résistants aux conditions de température et de pression. Quelquescaractéristiques physiques associées à ces dispositifs sont proposées de manière à observerclairement les avantages attendus du couplage de la microfluidique et des fluides supercritiques.Nous avons ensuite validé l'apport de la microfluidique supercritique sur la réactivité chimiqueet la chimie des matériaux via, d'une part, l'étude de l'oxydation hydrothermale du méthanol et,d'autre part, l'élaboration de nanocristaux de ZnO. Les propriétés de photoluminescence de cesnanocristaux de ZnO ont été caractérisées; nous avons montré que l'outil microfluidiquesupercritique permet de synthétiser des nanocristaux de ZnO avec une luminescenceexcitonique.

Cette thèse est consacrée à l'étude des absorbants saturables à multipuits quantiques (MPQ) InGaAs/InP dopés fer. Les non-linéarités de l'absorption excitonique sont exploitées pour la régénération tout-optique du signal à 1.55mm. Un modèle théorique permet de calculer les propriétés optiques non-linéaires des puits quantiques. L'efficacité du dopage fer des MPQ à réduire le temps de relaxation de l'absorption est démontrée expérimentalement et expliquée par un modèle dynamique de la capture des porteurs par les atomes de fer. L'insertion des MPQ dopés fer en microcavité, à mode accordé à la résonance excitonique, réduit la puissance de commande optique d'un facteur 50 et permet d'obtenir un contraste de 8dB. Un tel contraste augmente la distance de propagation de plus de 1000km pour un signal numérique à 10 Gb/s. Le temps de réponse peut être réduit à une valeur record de 290fs, tout en gardant un contraste de 5dB.

La technique originale de spectroscopie par saturation d'absorption, dite holeburning spectral, est mise en oeuvre pour étudier l'élargissement homogène de transitions optiques à 1,55 μm dans deux types de nanostructures. Pour les boîtes quantiques GaN/AlN, notre expérience constitue la première mesure directe de la largeur homogène de la transition intrabande s − pz. Des études en puissance démontrent le rôle prédominant des processus Auger dans la relaxation de population des niveaux. Le profil spectral d'absorption homogène s'avère gaussien. La forte augmentation de la largeur homogène entre 5K et 30K suggère des mécanismes de décohérence autres que le couplage aux phonons acoustiques, comme la diffusion spectrale. Dans le cas des nanotubes de carbone, notre dispositif expérimental permet d'étudier finement l'évolution du spectre d'absorption homogène de la transition électronique fondamentale sur une large gamme de puissance et pour des températures allant de 5K à 300 K. Les études en puissance mettent en évidence quantitativement la contribution prédominante de l'élargissement collisionnel et la contribution marginale de la réduction de force d'oscillateur au signal nonlinéaire. Deux processus d'interaction à deux excitons sont analysés : l'annihilation exciton-exciton (EEA) et la diffusion exciton-exciton (EES), et nous révélons la nature hybride Wannier-Frenkel particulière des excitons dans les nanotubes de carbone. Finalement, nous étudions le déphasage assisté par phonons et nous mettons en évidence les caractéristiques du couplage exciton-phonon, liées au caractère unidimensionnel.

Cette thèse est consacrée à l’étude expérimentale des propriétés magnéto-optiques intrinsèques des nanotubes de carbone mono-paroi par spectroscopie de photoluminescence résolue en temps.Un dispositif de microscopie optique confocale de grande ouverture numérique (NA = 0.95),incluant un cryostat magnétique, permet l’étude de nanotubes suspendus à l’échelle individuelle,à température cryogénique (jusqu’à 2 Kelvin) et sous champ magnétique (jusqu’à 7 Tesla). L’évolution des spectres et des déclins de photoluminescence avec le champ magnétique montre l’influence de l’effet Aharonov-Bohm sur les deux excitons singulets de plus basse énergie, c’est à-dire l’exciton fondamental qui est optiquement inactif (exciton noir) et un exciton d’énergie supérieure séparé de quelques milliélectronvolts qui est optiquement actif (exciton brillant). L’interprétation de ces résultats à partir d’un modèle d’équations de taux qui intègre le couplage Aharonov-Bohm entre ces deux excitons permet de déterminer séparément les durées de vie excitoniques et de fournir des informations quantitatives sur la relaxation de l’énergie depuis les niveaux supérieurs photo-excités. La relaxation de l’énergie suite à la photo-excitation de la transition S22 conduit à une efficacité de peuplement de l’état brillant quatre fois plus faible que celle de l’état noir, mais qui augmente significativement lorsque la relaxation se produit depuis les niveaux excitoniques KK’. D’autre part, le bon rapport signal à bruit obtenu dans les spectres de photoluminescence permet de révéler l’existence d’un couplage intrinsèque en champ nul entre l’exciton noir et l’exciton brillant ainsi que le maintien de la mobilité excitonique dans les nanotubes suspendus à la température de l’hélium liquide. / This thesis is dedicated to the experimental study of the intrinsic magneto-optical properties of single-walled carbon nanotubes through time-resolved photoluminescence spectroscopy. Measurements are performed on suspended nanotubes samples at the single-object level using a home-built confocal optical microscope with a large numerical aperture (NA = 0.95) operating at cryogenic temperature (down to 2K) and high magnetic field (up to 7T). The evolution of the photoluminescence spectra and decay signals with increasing magnetic fields shows the influence of the Aharonov-Bohm effect on the two lowest-energy singlet excitons, namely the ground exciton which is optically inactive (dark exciton) and an exciton lying a few millielectron volts higher in energy which is optically active (bright exciton). A model of these results based on rate equations and including the Aharonov-Bohm coupling between these two excitons enables to determine separately the excitons lifetimes and to derive quantitative information on the energy relaxation from the photo-excited higher levels. The energy relaxation following the photo-excitation of the S22 transition leads to a bright state population efficiency four times lower than that of the dark state, but it significantly increases when energy relaxation occurs from the KK’ excitonic levels. Thanks to a good signal to noise ratio, the photoluminescence spectra also reveal the presence of an intrinsic zero-field coupling between the dark and the brightexcitons, as well as an excitonic mobility preserved at liquid helium temperature in suspended nanotubes.