Nous avons utilisé une nouvelle méthode de photochimie laser pour la fabrication de microstructure 3D à base de nanofils métalliques. Les nanofils sont obtenus par photoréduction laser de sels métalliques dissous dans une matrice polymère. La réaction chimique est initiée par absorption à deux photons de photoréducteurs uniquement au point focal du laser. La géométrie des microstructures est obtenue en déplaçant le point focal du laser selon des trajectoires adaptées. Dans cette thèse nous avons étudié les propriétés optiques de structures à base de nanofils d'argent. Un nanofil qui occulte une onde plane crée un champ diffracté qui présente des trajectoires paraboliques de maximas et minimas d'intensité. Les calculs de Rayleigh-Sommerfeld montre que cette figure de diffraction typique correspond à l'inférence entre l'onde plane incidente et les ondes sphériques qui sont générées par diffraction sur les deux bords du nanofil. Lorsque les nanofils sont organisés en ensemble de nanofils parallèles distants de quelques microns, les champs diffractés donne des distributions d'intensité qui sont similaires à celles de microlentilles cylindriques. Dans ce cas l'interférence entre l'onde incidente et les ondes sphériques diffractées par les nanofils créée une distribution de phase quadratique qui est à l'origine de la focalisation. La fabrication de réseaux 2D de nanofils permet d'obtenir des réseaux de microlentilles très denses (10000x10000 DPI, dots per inch) qui ne sont pas réalisable avec des microlentilles réfractives. La possibilité de fabriquer des géométries 3D permet de manipuler les trajectoires des maxima et minima d'intensité pour obtenir de nouvelles fonctions diffractives à l'échelle microscopique. Par exemple, la fabrication de nanofils décalés dans l'espace nous a permis de développer un nouveau type de microdisposif optique qui permet la séparation spatiale des couleurs rouge, vert et bleu à l'échelle microscopique. / We used a novel method of laser photochemistry to fabricate 3D microstructures based on metallic nanowires. Nanowires are obtained by laser photoreduction of metallic salt dissolved in a polymer matrix. The chemical reaction is initiated by the two-photon absorption of a photoreductor only at laser focal point. The geometry of microstructures is obtained by moving laser focal point according to suitable trajectories. In this thesis, we have studied the optical properties of of structures based on silver nanowires. A nanowire that stops a plane wave creates a diffracted field which shows parabolic trajectories of maxima and minima intensities. Calculations based on Rayleigh-Sommerfeld diffraction show that this typical figure corresponds to interferences between the incident plane wave and spherical waves generated at the two nanowire edges. When nanowires are arranged into set of parallel nanowires, spaced by a few microns, their diffracted fields generate intensity distributions similar to those of cylindrical refractive microlenses. In that case interference between the incident wave and the diffracted wave leads to a quadrative phase which is the at origin of focalisation. Manufacturing 2D arrays of nanowires allow to achieve very dense arrays of microlenses (10000x10000 DPI, dots per inch), which are impossible to make with refractive microlenses. The possibility to make 3D geometry permit to manipulate maxima and minima intensity trajectories for new diffractive functions at the microscopic scale. For instance manufacturing nanowires shifted in space leads to a new type of optical microdevice that allows the spatial separation of colors red, green and blue at microscopic scale.

<p>Transition metal dichalcogenides (TMDs) have attracted significant attention in recent years with their immense potential to revolutionize optoelectronics and electrochemical energy applications. However, several challenges have prevented their practical use, including fabrication difficulties, incompatibility with conventional doping techniques, and unwanted environmental effects. This thesis aims to address the issues by introducing novel strategies for transforming TMDs into organic-integrated hybrid structures. Furthermore, this study focuses on gaining a fundamental understanding and a tunability of the unique physical properties of TMDs. Finally, to unlock their full potential, this thesis explores synergetic effects among the hybrid components for the development of advanced optoelectronics and energy devices. </p> <p><br></p> <p>By combining atomically thin TMDs with uniform organic layers, we have developed various two-dimensional (2D) hybrid junctions, including TMD/organic, TMD/TMD/organic, and TMD/organic/TMD. The TMD/organic hybrids are designed for type-II energy band alignments at the heterointerface and exhibit significantly improved (photo)conductivity and uniform photoresponse compared to pristine TMDs. The optoelectronic characteristics vary as a function of the layer number of TMDs, one of the unique features of ultrathin materials. We also find that integrating organic layers can tailor the charge density and polarity of TMD flakes, thus enabling controllable doping without damaging the crystallinity. </p> <p><br></p> <p>The hybrid approach not only modulates the properties of individual TMD layers but also offers an opportunity to study unique phenomena of 2D heterostructures such as interlayer excitons (XIs). XIs are spatially separated bound states of an electron and a hole in TMD/TMD heterolayers. We prepared various TMD/TMD/organic hybrid heterostructures with distinct energy band alignments and demonstrated a selective modulation of XI emission. The photoluminescence from the radiative recombination of XIs can be preserved, quenched, or modulated based on the band alignments. Furthermore, we fabricated organic-layer-inserted heterolayers (TMD/organic/TMD) and investigated the environmental effects on XIs. The organic layers tailor the dielectric screening within XIs and the dipolar interaction among XIs, thus regulating the energy states of XIs.</p> <p> </p> <p>In addition to the rich potential in optoelectronics, the hybrid strategies are advantageous to improve electrochemical energy storage. We constructed hybrid composites from core carbon nanotubes, intermediate metal-organic frameworks (MOFs), and outer TMD layers for supercapacitor electrodes. The 3D hierarchical composites aim to achieve synergetic effects from the components and offer high energy density while maintaining excellent power density and durability. Percolated nanotube networks are highly conductive, MOFs ensure a fast ion diffusivity, and TMD offers a large ion capacity. We engineered the TMD morphologies via topochemical synthesis and determined the optimal structure maximizing faradaic-reactive surface areas for improved ion accumulation and redox energy storage. We found that the hybrid composite of a flower-like TMD structure interwoven with carbon networks exhibits an unprecedentedly high energy density of over 80 Wh/kg, superior to conventional supercapacitors. </p> <p><br></p> <p>In summary, this thesis presents powerful strategies for engineering atomically thin TMDs and critical insights on relevant physics which may not be accessible otherwise. Given the extensive library of organic molecules, the hybrid approach may provide a versatile platform to study 2D materials and open new opportunities. The findings could serve as the foundation for the development of novel optoelectronic and energy storage applications.</p>

La fabrication des dispositifs en microélectronique implique aujourd’hui une architecture tridimensionnelle : « l’intégration 3D ». La mise en œuvre de cette technologie peut être limitée par des questions d’intégrité mécanique des dispositifs durant les processus de fabrication. En effet, déposer plusieurs couches aux propriétés thermomécaniques distinctes et à différentes températures ou amincir le substrat de silicium pour réaliser des interconnexions sont autant d’étapes à contrôler pour prévenir des décohésions le long d’interfaces, des distorsions des wafers ou encore des contraintes induites trop grandes et garantir la fiabilité des composants.Dans ce travail nous avons abordé ces questions en considérant des dépôts de nature diverse (métallique, oxyde ou polymère) pour lesquels une réponse thermoélastique est considérée, dépendant de la température le cas échéant. Un modèle semi-analytique « Sigmapps », exploitable en salle blanche, a été développé pour prédire la déformée induite au cours des procédés de dépôt et prédire les contraintes induites dans chaque couche, permettant également d’identifier les propriétés thermoélastique d’une couche dans le cadre d’une « approche inverse ». Dans ce cas, des mesures expérimentales sont nécessaires et ont été menées au LETI. Dans une deuxième partie, nous avons étudié le phénomène d’instabilité d’une structure multicouche, comportant des contraintes internes. Ici, le chargement thermique d’un bicouche a été considéré comme « cas d’étude » et nous nous sommes attachés à prédire la température pour laquelle une instabilité apparaissait jusqu’à la prédiction de l’état « post-critique ». Là aussi, l’approche est semi-analytique pour garantir son utilisation, simple, en environnement de salle blanche. Le problème de la criticité d’un dépôt sur la stabilité d’un wafer peut également être abordé. Il est ainsi possible d’orienter le choix des matériaux à intégrer et leurs épaisseurs pour garantir l’intégrité des dispositifs et optimiser les séquences de fabrication. / The fabrication of devices in microelectronics today involves a three-dimensional architecture: "3D integration". The implementation of this technology may be limited by issues of mechanical integrity of the devices during manufacturing processes. Indeed, the deposit of several layers with distinct thermomechanical properties and at different temperatures or thinning the silicon substrate to achieve interconnections are all steps to control in order to prevent decohesions along interfaces, distortions of wafers or too high induced stresses and to guarantee the reliability of the components.In this work we have approached these questions by considering deposits of various nature (metal, oxide or polymer) for which a thermoelastic response is considered, depending on the temperature if necessary. A semi-analytical model "Sigmapps", exploitable in a clean room, was developed to predict the deformation induced during the deposition processes and to predict the stresses induced in each layer, also enabling the identification of thermoelastic properties of a layer by "reverse approach". In this case, experimental measurements are necessary and were conducted at LETI. In a second part, we studied the phenomenon of instability of a multilayer structure, including internal stresses. Here, the thermal loading of a bilayer has been considered as a "case study" and we have predicted the temperature at which instability appeared until the prediction of the "post-critical" state. Here too, the approach is semi-analytical to ensure its simple use in a clean room environment. The problem of the criticality of a deposit on the stability of a wafer can also be addressed. It is thus possible to orient the choice of materials to be integrated and their thicknesses to guarantee the integrity of the devices and to optimize the production sequences.