This master thesis is focused on characterization of electrical transport properties of one-dimensional nanostructures. First section of this work deals with theoretical description of the experimental approaches to realization of such measurements. This section involves also a detail discussion of preparation of contacts using e-beam lithography. Next, theoretical description of characterization of nanostructures using photoluminescence measurements is given. Second section describes practical application of the aforementioned electrical transport measurements. Presented results include transport and photoluminescence measurements of WS2 nanotubes, InAs and WO2.72 nanowires. The last section of this thesis deals with nanowire quantum well heterostructures. The section provides both a deeper theoretical view of the problem and results of the photoluminescence measurements are shown.

Ce travail de thèse se focalise sur l’étude de piézogénérateur à base de nanofils de GaN.L’objectif principal est de développer des nouveaux dispositifs pour la conversion d’énergie mécanique en énergie électrique pour la récupération d’énergie et la détection de déformations transitoires. Le région active des dispositifs développés consiste en des nanofils ou microfils de GaN encapsulé dans une couche polymère. Les nanofils sont synthétisés par épitaxie par jet moléculaire (EJM) tandis que les microfils sont synthétisés par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (EPVOM).Trois architectures de dispositifs sont explorées: basées sur une matrice rigide, une matrice flexible, et sur un dispositif entièrement flexible. Deux dispositifs d’excitation mécanique,développés et mis en place pour les besoins de la thèse, sont utilisés pour caractériser les dispositifs piézogénérateurs. En particulier, un mode d’excitation cyclique discontinue (tapping) et un mode d’excitation cyclique continue sont utilisés pour explorer les performances électriques des piezogénérateurs dans une large bande de fréquence (de 1 Hz à 3 kHz). Basé sur ces observations expérimentales, une synthèse complète du comportement des transitoires de tension aux bornes des piézogénérateurs lorsqu’ils sont soumis à différentes déformations est faite. Un désign basé sur une diode Schottky aux sommets des nanofils et différents designs capacitifs sont comparés et leurs circuits électriques équivalents sont proposés. Les mécanismes de fonctionnement des piézogénérateurs ont été validés par des observations expérimentales.Enfin, un processus pour fabriquer des piézogénérateurs et des capteurs entièrement flexibles a été développé et ces derniers ont été caractérisés. En particulier, la fabrication d’un dispositif flexiblecomposé d’une matrice de pixel actif a été démontrée.Pour le piézogénérateur rigide à base de nanofils synthétisés par EJM, la plus haute densité de puissance moyenne mesurée atteint 22.1 mW/cm3. Pour les piézogénérateurs flexibles à base de microfils synthétisés par EPVOM, la plus haute densité de puissance moyenne mesurée atteint 16.5μW/cm3. Le dispositif flexible montre une bonne sensibilité aux vibrations de faible amplitude et répond de façon stable à un tapotement avec le doigt. Une énergie moyenne d’environ 100 pJ peut être délivrée par ce dernier lorsqu’il est soumis à une déformation cyclique par le tapotement d’un doigt. / This PhD work focuses on the study of GaN nanowire-based piezogenerating devices.The main objective is to develop novel devices for mechanical-to-electrical energy conversion for energy harvesting and for detection of transient deformations. The active material of the developed devices consists of a polymer-embedded nanowire membranes containing either molecular beam epitaxy (MBE) grown GaN nanowires or metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) grown GaN microwires.Three device architectures are explored, namely a piezogenerator with a rigid matrix, with a flexible matrix and a fully flexible device. Two home-made mechanical excitation set-ups are used to characterize the generators. In particular, tapping mode and continuous compression deformations are applied to explore the devices’ electrical performance in a large frequency range (from 1 Hz to 3 kHz). Based on these extensive experimental investigations, a panoramic summary of the generator transient behavior under various deformation conditions are made. A Schottky diode design and different versions of capacitive design for the piezogeneration are compared, and their equivalent electrical circuits are proposed. The piezogenerators’ working mechanisms are further validated by experimental investigations.Finally, a process to fabricate fully flexible generators and sensors is developed and these flexible devices are extensively characterized. In particular, a flexible device composed of a matrix ofactive pixels is demonstrated.For the MBE nanowire-based piezogenerators on a rigid substrate, the best recorded average power output density reaches 22.1 mW/cm3. For the MOCVD microwire based flexible generators, the best recorded average power output density attains 16.5 μW/cm3. The flexible devices show a good sensitivity to ambient vibrations and respond stably to finger tapping deformations. An average energy of about 100 pJ can be delivered by the flexible device under one finger tapping gesture.

Le marché des capteurs de pression pour le secteur aéronautique est mature mais encore en forte croissance, caractérisé par une forte valeur ajoutée, et générateur d'une forte demande en innovation. Par exemple, le rapprochement des systèmes de mesure vers les zones chaudes de l'avion nécessite de revoir l'architecture du capteur, dont l'élément sensible.Pour répondre à ces besoins, nous avons développé un capteur de pression intégrant une détection du mouvement d'un microrésonateur sur membrane avec des nanofils en silicium piezorésistifs. Une version simplifiée de microrésonateur sans ces nanojauges de déformation a été conçue, modélisée, fabriquée puis caractérisée afin d'en valider le bon fonctionnement. En parallèle, les caractéristiques électro-thermo-mécaniques et de bruit de nanojauges couplées à des résonateurs M&NEMS issus de précédents travaux ont été étudiées. Nous avons ainsi montré qu'un nanofil en compression harmonique longitudinale à basse fréquence se comporte comme un ressort-amorti pouvant dominer la réponse harmonique du résonateur MEMS, malgré ses dimensions minuscules. De plus, nous avons montré pour la première fois que la réponse harmonique d'un résonateur pouvait être ajustée « in-situ » à l'aide du phénomène de rétro-action pieozorésistive en modifiant uniquement la polarisation des nanofils. Enfin, les performances théoriques du capteur de pression ont été estimées à partir de données expérimentales relevées sur différents types de résonateurs M&NEMS. Ces performances théoriques sont satisfaisantes vis-à-vis des spécifications du capteur, mais nécessiteront néanmoins d'être validées expérimentalement. / The market of pressure sensors for aeronautics is mature but still strongly growing, defined by a strong added value and a large innovation need. Bringing pressure sensors closer to hot parts of the plane, requires, for example, to re-consider the sensor architecture, including the sensitive element.In order to comply with these requirements, we have developed a resonant pressure sensor with motion detection by Si piezoresistive nanowires. A simplified version of the resonator without these nanogauges has been modelled, fabricated and characterized to confirm its good operation. In parallel, electro-thermo-mechanical and noise characteristics of nanogauges coupled to M&NEMS resonators arising from previous works have been studied. We have notably demonstrated that the damped-spring behavior of an harmonically longitudinally stressed nanowire at low frequency could govern the MEMS resonator response, despite its tiny dimensions. Moreover, we have shown for the first time that the resonator response could be tuned “in situ” owing to the piezoresistive back action phenomenon only by acting on the nanowire biasing.Eventually, the theoretical performances of the resonant pressure sensor have been estimated from experimental data on different kind of M&NEMS resonator. These theoretical performances satisfy the sensor specifications; nevertheless they need to be confirmed experimentally.

Les travaux menés pendant cette thèse se concentrent sur l'étude de technologies avancées de MOSFET, plus précisément de FinFET à triple-grille et de nanofils à grille enrobante. Ils ont été fabriqués pour le nœud technologique 10 nm, suivant le même procédé de fabrication à l'exception de la fabrication d'une quatrième grille pour les nanofils. Ces composants sont étudiés en régime statique afin de déterminer les principaux paramètres de leur modèle électrique. Des études à très faible température (< 10 K) et faible tension de drain (< 1 mV) montrent la présence de transport quantique dû aux niveaux d'énergie discrets dans les bandes de conduction et de valence. L'étude du bruit électrique en 1/f montre une bonne maîtrise du procédé d'oxydation de la grille ainsi que le changement de mécanisme de bruit sous l'effet de transport quantique. Différentes spectroscopies de bruit basse fréquence (i.e. étude du bruit de génération-recombinaison en fonction de la température) ont permis d'identifier les pièges contenus dans le film de silicium, donnant ainsi la possibilité d'incriminer les étapes de fabrications les plus critiques. / The work led within this thesis focuses on the study of advanced MOSFET technologies, more precisely of triple-gate FinFETs and Gate-All-Around nanowire FETs. They were fabricated for the 10-nm technological node, following the same recipe except for the build of a fourth gate in nanowire devices.The devices have been studied in static regime in order to determine the main parameters of their electrical model. Low temperature (<10 K) and low drain voltage (1mV) studies highlighted the existence of quantum transport that is due to discrete energy levels within the conduction and valence bands. The study of the 1/f noise testifies the good control of the gate oxidation process and evidences a change in the noise mecanism under quantum transport.Numerous low frequency noise spectroscopies (i.e. study of the generation-recombination noise as a function of the temperature) let us identify silicon film traps, thus giving indication of the critical process steps that are responsible for the generation-recombination noise.

Plasmonic properties of self-assembled silver nanoparticles/nanowires array on periodically patterned Si (100) substrate are reported with special attention on the mechanism of nanoparticles self-assembly. The advantage of this bottom up approach over other self-assembling and lithographic methods is the flexibility to tune array periodicity down to 20 nm with interparticle gaps as low as 5 nm along the ripple. Ripple pattern have shallow modulation (~2 nm) still particles self-assembly was observed in non-shadow deposition. Therefore adatoms diffusion and kinetics is important on ripple surface for the self-assembly. PVD e-beam evaporation method used for deposition has proven to be superior to sputter deposition due to lower incident flux and lower atom energy. It was found that particles self-assembly largely dependent on angle of incidence, substrate temperature, and deposition direction due to ripple asymmetric tilt. Ostwald ripening observed during annealing on ripples substrate has striking dependency on ripple periodicity and was found to be different compared to Ostwald ripening on flat Si surface. In-situ RBS measurements of deposited silver on flat and rippled substrate confirmed different sticking of atoms on the two surfaces. The difference between maximum and minimum of the calculated local flux show a peak at an incidence angle of 70o with respect to surface normal. This explains the best alignment of particles at this angle of incidence compare to others. Self-assembled nanoparticles are optically anisotropic, i.e. they exhibit a direction dependent shift in LSPR. The reason of the observed anisotropy is a direction dependent plasmonic coupling. Different in plane and out of the plane dielectric coefficients calculated by modelling Jones matrix elements, confirms that nanoparticle/nanowire array are biaxial anisotropic (ex ¹ ey ¹ ez). The nanoparticles are predominantly insulating while nanowires are both metallic and insulating depending on the dimension. Silver nanoparticles/nanowires self-aligned on pre-patterned rippled substrate are presented for the first time as an active SERS substrate. Anisotropic SERS response in such arrays is attributed to different field enhancement along and across the ripples. Strong plasmonic coupling in elongated nanoparticles chain results in significantly higher SERS intensity then spherical nanoparticles/nanowires and non-ordered nanoparticles. Higher SERS intensity across the nanowires array in comparison to along the array (bulk silver) confirms electromagnetic field enhancement (hot-junction) is responsible for SERS phenomenon. Self-assembly of cobalt nanoparticle on ripple pattern substrate is also reported. Due to less adatom mobility and higher sticking cobalt self-assembly is possible only at much higher temperature. A strong uniaxial magnetic anisotropy was observed not observed for non ordered cobalt particles.

<p>  </p> <p>A staggering number of problems in materials chemistry relate to controlling the assembly of matter at <10 nm scales, including those with applications in nanoelectronics, energy harvesting, and biomedical device design. It is difficult to achieve precise chemical patterning at the short length scales required for such applications using traditional top-down fabrication methods (<em>e.g., </em>lithographic techniques). On the other hand, biological systems create high-resolution chemical patterns with remarkable efficiency, by assembling simple molecular building blocks with nm-scale features (<em>e.g.,</em> nucleotides, amino acids, lipids) into structurally complex motifs capable of carrying out the diverse functions required for life. </p> <p>Drawing inspiration from the diverse structures and functions of lipids in biological membranes, this work uses lipids to create high-resolution chemical patterns at interfaces, control the growth and self-assembly of nanocrystals, and to facilitate interactions that precisely template nanocrystals at chemically patterned surfaces.</p> <p>Functional alkanes assemble into striped phase monolayers on highly oriented pyrolytic graphite (HOPG), in which the alkyl chains are oriented parallel to the substrate, expressing both the polar and nonpolar regions of the amphiphile at the environmental interface. The same is true for diyne phosphoethanolamine (dPE), a phospholipid with a zwitterionic headgroup. When assembled into striped phases on HOPG, the headgroup zwitterions of dPE are confined in 1-nm-wide rows of functional groups with a pitch of ~7 nm, resulting in ordered arrays of orientable dipoles at the HOPG surface. The chemistry of dimensionally confined functional groups is distinct from bulk solution phase chemistry, and in this case enables powerful directing effects which can be used to template the adsorption of ultranarrow gold nanowires (AuNWs) in precise alignment with the template stripes. </p> <p>Technical grade oleylamine (<em>cis</em>-9-octadecen-1-amine, OLAm, 70% purity) serves as the capping ligand for the AuNWs used in this work, and additionally plays an important role in the assembly of AuNWs at dPE/HOPG surfaces. While technical-grade reagents enable cost-effective and scalable production of materials, variation in the composition of impurities between different batches have significant impacts on nanocrystal morphology and assembly. We show that thermal transitions of alkyl chain impurities (<em>trans</em> and saturated chains) in AuNW ligand shells can be used to regulate AuNW assembly at chemically patterned interfaces. </p> <p>Characterization of OLAm reagents by 1H NMR and mass spectrometry reveals significant and highly variable fractions elaidylamine (ELAm, <em>trans</em>-9-octadecen-1-amine) and octadecylamine (ODAm) between different batches of OLAm. To understand the phase behavior of mixtures of the C18 alkylamines commonly found in technical grade OLAm, we synthesize isomerically pure OLAm and its <em>trans</em> isomer, elaidylamine (ELAm), to generate binary and ternary mixtures with (ODAm), which is commercially available in high purity. Differential scanning calorimetry reveals limited miscibility of the C18 chains, and demonstrates the significant impact of chain composition on the physical properties of mixtures of alkyl chains (<em>e.g.,</em> tech. grade OLAm). Finally, we examine the impacts of <em>trans</em> and saturated alkyl chains on AuNW synthesis. We find that inclusion of ODAm and ELAm in the ligand blend used for AuNW synthesis each result in shorter AuNWs than those synthesized with pure OLAm. We also observe enhanced stability of surface adsorbed AuNWs conferred by <em>trans </em>and saturated chains. </p>

One of the keys to successful commercialization of photonic devices is compatibility with complementary metal-oxide-semiconductor technology (CMOS), the major platform of the microelectronics industry. Silicon photonics, with plasmonic materials are promising candidates for next generation chip-scale technology. The majority of plasmonics research has focused on noble metals, which are not CMOS compatible. Transition metal nitrides are an emerging class of alternative plasmonic materials that are complementary metal-oxide-semiconductor compatible and have shown promising results when compared to devices utilizing noble metals. This dissertation highlights, a CMOS compatible method to produce such alternative plasmonic materials using atomic layer deposition (ALD), specifically ultrathin plasmonic titanium nitride, aluminum metal and zirconium nitride. A post-deposition hydrogen plasma treatment is also introduced to improve the metallic properties of the ultrathin films. Additionally, this dissertation proposes a core-multishell (CMS) nanowire (NW) device structure that utilizes these materials to enable the creation of photonic devices, specifically detailing designs for cloaking and photoelectrochemical (PEC) water splitting applications. It is shown theoretically that zirconium nitride cloaks a silicon nanowire without substantially compromising the absorption of light, resulting in a less-intrusive, better performing silicon nanowire photosensor, and outperforms a gold cloak in the wavelength region of 400-500 nm. It is demonstrated theoretically that emerging plasmonic materials TiN and ZrN are promising candidates to improve the ideal photocurrent density hematite photoanodes in core-multishell nanowire devices, allowing hematite to remain electrically thin enough to effectively transport charge carriers while absorbing light similar to thick hematite features.

1-D and 2-D organic nanostructures formed by supramolecular self-assembly on HOPG(0001)from molecules containing amide and carboxylic moieties have been investigated with scanning tunneling and force microscopy operated in ambient conditions. A Precise determination of the structure of the monolayer of arachidic acid on graphite was found from moire pattern resulting from tunneling current contributions from both the monolayer and the substrate. Wedge-shaped benzamide amphiphilic molecules deposited on HOPG mainly showed 1-D structures. Systematically varied molecular geometry and head groups reveal the architecture of nanowires which are distinctly different from their columnar mesophase in solution.

Bien que les nanofils III-V soient reconnus comme des candidats prometteurs pour le développement de cellules solaires de nouvelle génération pour leurs propriétés optiques très attractives, l'amélioration des performances attendue par rapport à leurs homologues 2D n'a pas encore été démontrée. L’investigation à l’échelle nanométrique est essentielle pour comprendre l'origine de l'écart existant entre les prédictions théoriques et les démonstrations expérimentales. L’analyse des nanofils uniques devrait permettre d'élucider les facteurs limitants (liés par exemple aux propriétés électriques des jonctions p-n internes, à l'homogénéité fil-à-fil et aux éventuelles défaillances) et de proposer des solutions pour améliorer les performances des dispositifs photovoltaïques à nanofils.Cette thèse explore l’utilisation des techniques de caractérisation par faisceau d’électrons pour extraire les paramètres fondamentaux pour la conversion photovoltaïque afin d’optimiser les propriétés de nanofils III-V crus sur Si.L’étude à l’échelle nanométrique porte tout d’abord sur des nanofils de GaAs et AlGaAs avec une jonction radiale. A la suite de cette étude, la structure interne de nanofils a pu être améliorée. La caractérisation de dispositifs de taille millimétrique confirme l’amélioration des performances à l’échelle macroscopique.Des nanofils InGaP crus par une nouvelle méthode (Template Assisted Selective Epitaxy où TASE) ont aussi été étudiés et le niveau de dopage a été estimé par la microscopie EBIC. De plus, la réponse photovoltaïque de ces structures été observée pour la premier fois. Les propriétés électriques des nanofils GaAs avec une jonction axiale crus par la même technique ont aussi été caractérisées.Enfin, des nanofils avec deux jonctions InP/InGaP sont été étudiés comme première tentative pour fabriquer une cellule solaire tandem entièrement à nanofils. L’activité électrique des deux jonctions été observée et caractérisée. En revanche, le fonctionnement de la structure tandem s’est trouvé limité par la jonction tunnel qui connecte électriquement les deux jonctions. / Although III-V nanowires (NWs) are recognized as promising candidates for the development of new generation solar cells thanks to their very attractive optical properties, the expected performance improvement over their 2D counterparts has not yet been demonstrated. Nanoscale analyses by electron beam-based techniques (EBIC,CL) are expected to elucidate the limiting factors and to propose solutions for enhancing the performance of NW photovoltaic (PV) devices.This PhD thesis applies the electron beam probe techniques to get access to the key parameters governing the PV conversion at a single NW level in order to further optimize the properties of III-V NWs grown on Si.First, GaAs and AlGaAs NWs containing a radial junction are investigated at the nanoscale and their internal structure is optimized. The characterization of mm-sized devices confirms the improvement of the device performance at the macroscopic level.Then InGaP and GaAs NWs grown by a novel Template Assisted Selective Epitaxy (TASE) method containing an axial junction are studied. The doping level in the ternary alloy is estimated by EBIC and the photovoltaic response of these structures is demonstrated for the first time.Finally, InP/InGaP dual junction NWs are characterized. Although both top and bottom junctions are electrically active under excitation, the performance of the tandem structure is limited by the connecting tunnel junction

La polyvalence de la technique de track-etching a permis d’étudier plus avant l’effet piezoélectrique direct et indirect d’un film polarisé en poly(fluorure de vinylidène) PVDF en créant des membranes nanostructurées hybrides de nanofils de nickel (Ni NWs)/PVDF. Les propriétés magnétiques du nanofil de nickel, telle que la magnétorésistance anisotrope (AMR), ont été exploitées afin d’étudier la réponse de l’aimantation à la déformation mécanique de la matrice PVDF. En particulier, les déformations ont été induites soit par contrainte thermo-mécanique, soit par contrainte électromécanique (effet piezoélectrique indirect). La sensibilité d’un nanofil unique a permis de déterminer l’amplitude et la direction de la contrainte mécanique exercée à l’échelle nanométrique par la matrice PVDF. La résistance exceptionnelle de la réponse piezoélectrique directe du film PVDF polarisé à l’irradiation, telle que l’irradiation aux ions-lourds accélérés et aux électrons (domaine de doses < 100kGy) a été observée. Mis à part la conservation de la réponse piezoélectrique, les défauts engendrés par l’irradiation dans ce domaine de dose (scissions de chaines, augmentation de phase crystalline, réticulations) ont eu un impact significatif sur la structure du matériau polymère. L’ensemble de ces défauts, les uns prépondérants en-dessous de la dose-gel ( 10kGy), les autres au-dessus, forme une compensation d’effets antagonistes qui mènent à une réponse piezoélectrique globalement inchangée. Stimulé par la grande résistance du PVDF à l’irradiation en termes de réponse piezoélectrique, l’idée a été d’exploiter, en vue d’une application dans la récupération d’énergie, le réseau de nanofils de nickel inclus dans la membrane en PVDF polarisé pour étudier l’influence des nanofils de nickel sur la l’efficacité piezoélectrique. La présence du réseau de nanofils de nickel mène à un accroissement non négligeable de l’efficacité piezoélectrique. Reliée à la présence des nanofils, une augmentation de la permittivité diélectrique dans le PVDF nanostructuré a également été enregistrée. Une polarisation interfaciale entre les nanofils de nickel et la matrice PVDF pourrait expliquer cette valeur accrue par rapport au PVDF nanoporeux sans nanofils. / The versatility of the track-etching technique has allowed to investigate deeper the direct and inverse piezoelectric effect of a polarized Poly(vinylidene fluoride) (PVDF) film in building nanostructured hybrid Nickel nanowires (Ni NWs)/PVDF membrane. The magnetic properties of the Ni NW, such as anisotropic magneto resistance (AMR), are exploited to investigate the response of the magnetization to a mechanical deformation of the PVDF matrix. In particular, the deformations were induced either by thermo-mechanical or an electro-mechanical (inverse piezoelectric effect) stress. The sensitivity of the single NW has allowed to determine the amplitude and direction of a mechanical stress exerted at the nano-scale by the PVDF matrix. The outstanding resistance of the direct piezoelectric response of polarized PVDF film to radiation, such as SHI and e-beam, (doses range < 100kGy) was reported. Beyond the conservation of the piezoelectric response, in this dose range, irradiation defects (chain scissions, increase of the crystalline -phase, crosslinking) had a significative impact on the polymer material. All these defects, ones predominant above the gel dose (herein 10 kGy), and the other ones below, compensate their antagonistic effects towards the globally unchanged piezoelectric responses. Motivated by the high radiation resistance of the PVDF in terms of piezoelectric response, the idea was to exploit Ni NWs array embedded in the polarized PVDF membrane to study the influence of the Ni NWs on the piezoelectric response in view of harvesting energy application. The presence of the Ni NWs array leads a non-negligible increase of the piezoelectric efficiency. Related to the presence of the NWs, an increase of the dielectric permittivity in the nanostructured PVDF was also reported. An interfacial polarization between the Ni NWs and the PVDF matrix could explain the higher efficiency value respect to nanoporous PVDF, without NWs.