Ce travail porte sur l'étude d'hétérostructures de semiconducteurs II-VI à alignement de bandes de type II, en particulier sous forme de superréseaux. Il s'agit d'un système prometteur pour une application photovoltaïque, et c'est dans cette optique qu'est orienté ce travail. Une première partie traite ainsi d'une réflexion conceptuelle sur l'apport des interfaces de type II au photovoltaïque. La deuxième partie porte sur l'étude de la croissance de CdSe et ZnTe par épitaxie par jets moléculaires, sur différents substrats. Ces matériaux sont particulièrement intéressants et adaptés pour cette application car ils ont un gap direct, quasiment le même paramètre de maille, un alignement de bandes de type II, et le CdSe une bande interdite compatible avec le spectre solaire. De plus une structure basée sur un superréseau très courte période de ces matériaux permet de créer un absorbeur solaire aux propriétés modulables, qui peut s'approcher de l'absorbeur idéal, avec des contacts intrinsèquement adaptés. En contrepartie il s'agit de semiconducteurs binaires qui n'ont aucun atome en commun, de sorte que la croissance d'échantillons avec des épaisseurs précises à la monocouche près constitue un vrai défi. Pour cette raison nous avons procédé à une étude fine des interfaces grâce à des analyses de diffraction de rayons X et de microscopie en transmission, qui nous permet de conclure sur la nature chimique des atomes à proximité des interfaces. Vient ensuite une étude poussée de spectroscopie sur les effets des interfaces de type II sur les porteurs de charges, à travers leur énergie et cinétique de recombinaison. Nous avons développé un modèle analytique qui permet d'ajuster précisément toutes les caractéristiques observées en relation avec ces interfaces, et qui témoigne d'un mécanisme de séparation des charges très efficace. Nous montrons par la suite que ces effets observés sont des caractéristiques intrinsèques de toutes les interfaces de type II, indépendamment des matériaux et des structures, et que ceux-ci nous permettent d'extraire avec précision les valeurs des décalages de bandes entre différents matériaux à alignement de type II. Le dernier chapitre traite finalement du développement de cellules photovoltaïques basées sur les concepts étudiés dans cette thèse. Il aborde notamment les structures de dispositifs envisagées ainsi que nos premiers résultats de rendements de cellules basées sur des hétérostructures de semiconducteurs avec cet alignement de bandes.

Grâce aux plasmons de surface des nanoparticules métalliques et aux propriétés optiques et électroniques exceptionnelles des quantum dots (QDs), les nanostructures hybrides QD/métal ont suscité beaucoup d'intérêt depuis une dizaine d'années en raison de leurs nombreuses applications potentielles. Cependant, les hybrides QD/or colloïdaux n'ont été que rarement obtenus bien que ces structures soient particulièrement prometteuses du point de vue optique et qu'elles puissent être manipulées très facilement, car dispersées en solution. Dans cette étude, nous avons réussi à mettre au point pour la première fois une méthode de synthèse généralisée permettant d'obtenir des structures hybrides cœur/coque/coque QD/SiO2/Au (autrement appelés QDs dorés). Tout d'abord, les QDs hydrophobes ont été encapsulés individuellement dans des billes de silice par une méthode d'émulsion inverse. Les nanoparticules QDs/SiO2 ainsi obtenues ont ensuite été recouvertes d'une nanocoque continue d'or via un processus de dépôt en solution. Les épaisseurs de la silice et de la couche d'or - deux paramètres importants pour les QDs dorés - peuvent être ajustées indépendamment afin d'obtenir les dimensions souhaitées. Nous avons montré que les QDs dorés individuels à base de QDs CdSe/CdS à coque épaisse possèdent une émission stable et poissonienne à température ambiante et sont très photostables. Cette nouvelle structure de QDs dorés se comporte comme un résonateur plasmonique avec un facteur de Purcell élevé (~6), en très bon accord avec les simulations. Nous présentons également des auto-assemblages de QDs hydrophobes en superparticules (SPs). Un choix judicieux de QDs donne aux SPs des propriétés exceptionnelles telles qu'une émission de fluorescence intense, non-clignotante et multicolore. Des SPs multifonctionnelles peuvent aussi être obtenues en associant des nanocristaux magnétiques et fluorescents. La croissance d'une coque de silice sur les SPs a permis d'augmenter leur stabilité et nous avons démontré que cette couche de silice pouvait elle-même être recouverte d'une nanocoque d'or pour améliorer la photostabilité et la biocompatibilité de ces SPs.

Un objectif technologique important de l’industrie des semiconducteurs concerne l’intégration sur Si de semiconducteurs III-V à bande interdite directe tels que InAs et GaAs, pour réaliser des émetteurs et détecteurs de lumière aux longueurs d'onde de télécommunication. L'épitaxie de couches minces d'InAs et de GaAs sur Si est cependant difficile en raison de la grande différence de paramètre de maille entre ces matériaux. Ces films minces épitaxiés présentent une interface de mauvaise qualité limitant les performances de futurs dispositifs. Pour surmonter le défi de l’épitaxie de matériaux à fort désaccord de maille, il a été proposé d’utiliser des nanofils en raison de leur dimension latérale réduite et de leur rapport hauteur/largeur élevé. Ainsi, les nanofils relâchent la contrainte par relaxation élastique sur la paroi latérale des nanofils. Dans ce contexte, ma thèse visait à faire croître des hétérostructures axiales de nanofils GaAs/InAs sur des substrats Si pour réaliser des émetteurs à photons uniques. Lors de ce travail expérimental, j'ai fait croître des nanofils par le mécanisme vapeur-solide-liquide assisté par catalyseurs d'or dans un réacteur d'épitaxie par jet moléculaire. Les nanofils ont ensuite été caractérisés en utilisant la spectroscopie à rayons X par dispersion d'énergie et la microscopie électronique à transmission pour évaluer leur composition et leur structure cristalline. La distribution de la contrainte a été étudiée expérimentalement par analyse de phase géométrique, puis comparée à des simulations par éléments finis. Au cours de cette thèse, j'ai abordé différents défis inhérents aux hétérostructures axiales de nanofils, tels que la formation de nanofils tordus, la composition graduelle de l’interface et la croissance radiale parasite. J'ai d'abord optimisé le protocole de croissance pour éviter la formation de nanofils tordus. Les nanofils changent habituellement de direction de croissance lorsque le catalyseur d'or à l'extrémité du nanofil a été déstabilisé. En gardant une forte sursaturation dans la gouttelette d'or pendant toute la procédure de croissance, j’ai obtenu des nanofils droits d’InAs/GaAs avec un rendement de 92%. J’ai alors optimisé les flux de matériaux pour réduire la composition graduelle de l'interface entre les segments d’InAs et de GaAs. Grâce à l'analyse de la composition chimique des nanofils, j'ai observé que le segment nominalement pur d’InAs est en fait un alliage ternaire InxGa1-xAs. J'ai découvert que l'incorporation de Ga dans le segment nominal InAs est due à la diffusion d'adatomes Ga créés thermiquement sur les nanofils GaAs et sur la couche de GaAs bidimensionnelle développée sur le substrat de Si. L'utilisation de diamètres larges de nanofils supprime la diffusion de Ga le long des parois latérales des nanofils, permettant ainsi la croissance d’un segment d’InAs pur au-dessus de celui de GaAs. Enfin, j'ai étudié la distribution de la contrainte de 7% à l’interface InAs/GaAs. Celle-ci est répartie le long du nanofil et dépend du diamètre du nanofil et de la composition de l'interface. J'ai observé que les nanofils de diamètre inférieur à 40 nm sont exempts de dislocations: la contrainte est relaxée élastiquement via la courbure des plans cristallins proches des parois latérales du nanofil. D'autre part, les nanofils avec des diamètres supérieurs à 95 nm relaxent à la fois élastiquement et plastiquement, par une courbure des plans et la formation de dislocations. En conclusion, j'ai fabriqué des hétérostructures de matériaux à fort désaccord de maille. J’ai pu confirmer que les interfaces axiales GaAs/InAs sont pseudomorphiques en dessous d'un certain diamètre critique. Ces résultats constituent une première étape vers la réalisation de boîtes quantiques InAs dans des nanofils de GaAs intégrés sur Si: un système prometteur pour l'émission de photons uniques sur puce. / Combining direct bandgap III-V compound semiconductors, such as InAs and GaAs, with silicon to realize on-chip optical light emitters and detectors at telecommunication wavelengths is an important technological objective. However, traditional thin film epitaxy of InAs and GaAs on silicon is challenging because of the high lattice mismatch between the involved materials. These epitaxial thin films exhibit a poor quality at the interface with silicon, limiting the performance of future devices. Nanowires can overcome the mismatch challenge owing to their small lateral size and high aspect ratio. Thanks to their free, unconstrained surfaces, nanowires release the mismatch strain via elastic lateral relaxation. In this context, my thesis aimed at growing axial GaAs/InAs nanowire heterostructures on silicon substrates to realize on-chip, integrated, single-photon emitters. In this experimental work, I grew nanowires by gold-assisted vapor liquid solid mechanism in a molecular beam epitaxy reactor. The nanowires were then characterized using energy dispersive x-ray spectroscopy and transmission electron microscopy to evaluate their composition and crystalline structure. Strain distribution was studied experimentally using geometrical phase analysis and compared theoretically with finite element simulations, performed with the COMSOL software. During this thesis, I tackled different challenges inherent to axial nanowire heterostructures, such as kinking during material exchange, compositionally graded interfaces, and radial overgrowth. First, I developed an optimized a growth protocol to prevent the formation of kinks. Kinks usually appear when the gold catalyst at the nanowire tip has been destabilized. By keeping a high supersaturation in the gold droplet during the entire growth procedure, straight InAs-on-GaAs nanowires were achieved with a yield exceeding 90%. By a careful tuning of the material fluxes supplied during growth, I significantly improved the interface sharpness between the InAs and GaAs nanowire segments: the use of a high In flux during the growth of the InAs segment resulted in a 5 nm composition gradient at the InAs/GaAs interface. Through the careful analysis of the nanowires’ chemical composition, I observed that the nominally pure InAs segments grown on top of GaAs are in fact ternary InxGa1-xAs alloys. I found out that Ga incorporation in the nominal InAs segment is due to the diffusion of Ga adatoms thermally created on the GaAs nanowire sidewalls and on the two-dimensional GaAs layer grown on silicon substrate. I demonstrated that the use of large nanowire diameters prevents Ga diffusion along the nanowire sidewalls, resulting in the growth of pure InAs segments on top of GaAs. Finally, I studied how 7% mismatch strain at the InAs/GaAs interface is distributed along the nanowire, depending on the nanowire diameter and interface sharpness. I observed that nanowires with diameters below 40 nm are free of misfit dislocations regardless of the interface sharpness: strain is fully, elastically released via crystalline planes bending close to the nanowire sidewalls. On the other hand, nanowires with diameters above 95 nm at the interface exhibit strain relaxation, both elastically and plastically, via plane bending and the formation of misfit dislocations, respectively. In conclusion, I have successfully fabricated highly mismatched heterostructures, confirming the prediction that axial GaAs/InAs interfaces are pseudomorphic below a certain critical diameter. These findings establish a first step towards the realization of high quality InAs quantum dots in GaAs nanowires on silicon: a promising system for on-chip single photon emission.

Le développement récent de la théorie quantique de l’information porte la communauté scientifique à s’intéresser de plus en plus aux sources de photons uniques. En effet, ces sources peuvent par exemple être utilisées pour le calcul quantique optique ou la cryptographie quantique pour améliorer les performances de distribution des clés et éviter les écoutes ou tentatives de hacking. Par conséquent, il est nécessaire de disposer de sources fiables et pour des applications réalistes, le défi est d'obtenir des sources de photons uniques qui fonctionnent jusqu'à température ambiante.Notre groupe à récemment démontré qu'en insérant une boîte quantique de CdSe dans un nanofil de ZnSe, l'émission de photons uniques pouvait être obtenue jusqu'à température ambiante. Néanmoins, ces nanofils avaient un rendement quantique faible et n'étaient pas orientés verticalement à la surface des échantillons du fait de leur croissance suivant l'orientation cristallographique (001). Ces nanofils verticaux ont pour intérêt de pouvoir être aisément couplés à des structures photoniques pour augmenter la collection des photons et leur croissance est favorisée avec des substrats orientés suivant l'orientation cristallographique (111).Dans ce contexte, le but de ce travail de doctorat est de développer la croissance de boîtes quantiques de CdSe insérées dans des nanofils de ZnSe verticaux suivant l'orientation cristallographique (111) par épitaxie par jet moléculaire, d'en étudier les propriétés optiques jusqu'à température ambiante pour des applications potentielles en tant que sources de photons uniques, et de coupler ces nano-objets à des structures photoniques pour augmenter la collection de photons. Pour atteindre ces objectifs, nous avons divisé notre étude en trois points.La première étape de ce travail est concentrée sur le développement de la croissance de nanofils de ZnSe verticalement orientés et passivés par une coquille semiconductrice de ZnMgSe. Nous observons que grâce à cette coquille, l’émission lumineuse de nanofils uniques augmente de plus de deux ordres de grandeur. Dans un second temps, nous démontrons la possibilité d’insérer des boîtes de CdSe dans ces nanofils de ZnSe suivant différentes conditions de croissance. L’influence de ces conditions de croissance est mise en évidence par des études structurales et de composition de ces nano-objets. Des études optiques en fonction de la température montrent que ces nanofils émettent jusqu'à température ambiante. De plus, l'étude du temps de déclin de nanofils uniques révèle que ces fils sont robustes et insensibles aux canaux de recombinaison non-radiatifs jusqu'à 200 K. La troisième étape de ce travail concerne l'augmentation de la collection des photons de ces nano-objets. Nous montrons dans un premier temps qu’en changeant l’environnement diélectrique d’une boîte quantique, son taux d’émission spontanée peut être augmenté. Puis nous montrons la possibilité de créer des fils photoniques à partir des boîtes quantiques insérées dans des nanofils, en recouvrant ces fils d'une épaisse coquille diélectrique. A la lumière d'expériences de microphotoluminescence - qui montrent que ces fils photoniques augmentent efficacement la collection de photons - et de simulations, nous discutons l'intérêt de l'orientation du dipôle (parallèle ou perpendiculaire à l'axe de croissance du nanofil) dans ces structures. / The recent development of the quantum information theory focuses the interest of the scientific community on single-photon sources. Indeed, these sources can be used for instance for optical quantum computing or quantum cryptography to improve the quantum key distribution performances and avoid eavesdropping. Consequently, it is necessary to have reliable single-photon sources and for realistic applications, the challenge is to get a single-photon source operating up to room temperature.Our group recently demonstrated that by inserting a quantum dot of CdSe in a nanowire of ZnSe, single-photon emission could be obtained up to room temperature. Still, these nanowires had a low quantum yield and were not vertically oriented on the as-grown sample since they were grown along the (001) crystallographic orientation. The interest of vertically oriented nanowires is that they can be coupled to photonic structures to increase their photons collection and their growth is favored on (111)-oriented substrates.In this context, the aim of this PhD work is to develop the growth of vertically oriented ZnSe-CdSe nanowire quantum dots along the (111) crystallographic orientation by molecular beam epitaxy, to study their luminescence up to room temperature for single-photon sources applications, and to couple these nano-objects to photonic structures to increase the photons collection. To reach this goal, we divided this project in three steps.The first step focuses on the development of vertically oriented ZnSe nanowires, passivated with a semiconductor shell of ZnMgSe to enhance their luminescence. In a second step, we demonstrate the possibility to insert CdSe quantum dots in these ZnSe nanowires, using different growth conditions for the quantum dot. The influence of these growth conditions is studied with structural and composition analysis of these nano-objects. Optical studies as a function of the temperature show that these nanowires emit up to room temperature. Moreover, decay-time studies on single nanowire quantum dots reveal that these nanowires are robust and insensitive to non-radiative recombination channels up to 200 K. The third step of this work concerns the enhancement of the light collection from these nano-objects. First, we show that by changing the dielectric environment of the quantum dot, its decay-rate can be increased. Then, we show the possibility to create photonic wires by covering these nanowire quantum dots with a thick dielectric shell. In the light of microphotoluminescence experiments – which show that these photonic wires efficiently increase the photons collection – and simulations, we discuss the interest of the dipole orientation (parallel or perpendicular to the nanowire growth axis) in these structures.

Les principaux critères de comparaison des convertisseurs sont le rendement, la masse, le volume, le coût et la fiabilité. Le contexte environnemental et économique et le développement des applications nomades ouvrent à l’électronique de puissance un domaine d’application de plus en plus vaste. Mais pour imposer cette technologie, il faut sans cesse améliorer ces performances et les compromis entre celles qui sont antagonistes (augmentation du rendement et diminution de la masse par exemple…) ce qui amène naturellement à la problématique de conception et d’optimisation. Le cas spécifique de l’aéronautique n’échappe pas à la règle et les contraintes y semblent encore plus fortes. La réduction de la masse, du volume et l’augmentation du rendement et de la fiabilité sont parmi les défis principaux actuels, et la transition de systèmes hydrauliques ou pneumatique vers des systèmes électriques laisse espérer à une amélioration des performances globales de l’avion. Les architectures des convertisseurs sont un moyen efficace d’améliorer les convertisseurs parce qu’ils permettent de réduire les contraintes au sein des convertisseurs tout en améliorant les formes d’onde en entrée et/ou en sortie. Parallèlement, les composants classiques en silicium ont bénéficié de larges avancés au cours de ces dernières décennies et approchent de leurs limites théoriques. Pour espérer une amélioration, des technologies en rupture sont désormais nécessaires. Au cours de ces dernières années, les technologies de semi-conducteurs dit « à grand gap », essentiellement à base de Nitrure de Gallium ou de Carbure de Silicium (resp. GaN et SiC) se sont considérablement amélioré et sont d’ores et déjà plus performant que les composants Si dans de nombreux cas. Les semi-conducteurs étant généralement plus performants lorsqu’ils ont une tenue en tension plus faible, on envisage ici de cumuler plusieurs avantages en envisageant la mise en série de composants GaN basse-tension pour améliorer l’intégration des convertisseurs de puissance. Dans un premier temps, un convertisseur multi-niveaux élémentaire de type Flying Capacitor (FlyCap) est mis en oeuvre. Des condensateurs de puissance intégrés sont utilisés, ce qui pourrait permettre de réduire l’empreinte de ces composants et de proposer une dissipation thermique commune par le dessus des composants. L’utilisation de composant au temps de commutation réduit est critique pour la fiabilité des convertisseurs. Une étude de l’influence des paramètres physique du circuit électrique sur les inductances parasites de la maille de puissance et de commande est menée permettant de mettre en évidence des règles de conception dans le but d’améliorer la fiabilité des convertisseurs. Dans un second temps, l’équilibrage dynamique de la topologie FlyCap qui est critique pour les formes d’onde et la sureté de fonctionnement est étudié. La prise en compte des pertes dans les semi-conducteurs permet d’améliorer l’estimation de la dynamique d’équilibrage. Une base de réflexion sur le dimensionnement d’un équilibreur passif est également proposée pour optimiser sa dynamique et les pertes associées. Un prototype expérimental à 5 cellules de commutation est présenté permettant d’atteindre une tension d’entrée de 270 V avec des composants 100V. / Performance, weight, volume, cost and reliability are key criteria to compare converters. Environment and economical context and the development of mobile applications lead electronics to have a wider field of application. Improving performances and tradeoff between conflicting characteristics (high efficiency and reduced weight for example) is thus constantly needed to impose this technology, which calls for design and optimization methods and tools. The specific case of aeronautics is no exception and there is in this field a high demand. Mass and volume reduction, efficiency and reliability improvement is one of the most important challenges, and the change from hydraulic and pneumatic systems to electric systems is expected to allow a global improvement of aircraft performances. Converter’s topology is a good candidate to improve and reduce the size of converters because it can reduce stress while improving the input and/or output waveforms. Meanwhile, conventional silicon components have taken advantage of wide advances in recent decades and are now close to their theoretical limits. To hope for a significant improvement, breaking technologies are now needed. In recent years, GaN and SiC Wide Band Gap semiconductors have seen significant development and are already often better than Si power devices. Lowvoltage semiconductors are generally better than higher voltage ones. Thus, we consider here cumulating advantages with a serial arrangement of low voltage GaN semi-conductors to improve power converter’s integration. First, a basic multilevel Flying Capacitor GaN-based converter is implemented. The integration of power capacitors is proposed to evaluate this technology, which could reduce the footprint of these components and could allow a common heatsink dissipation through the top of the components. Very fast turn-on and turn-off of GaN devices is critical for safe operation due to parasitic inductances. A study of physical parameters of the electrical circuit on parasitic inductances of power and control loop is conducted to lay down design rules in order to improve the reliability of converters. Secondly, dynamic balancing of Flying Capacitor which is critical for the waveforms and reliability is studied. Semi-conductor’s losses are considered to improve the estimation of dynamic balancing. A method for the design of a passive balancer is also proposed to optimize the balancing and associated losses. An experimental prototype with 5 switching cells is presented to achieve an input voltage of 270 V with 100 V rated voltage devices.

Cette thèse est principalement consacrée à l'étude des inhomogénéités de taille nanométrique dans les systèmes magnétiques désordonnés ou dilués. La présence d'inhomogénéités, souvent mise en évidence dans de nombreux matériaux, donne lieu à des propriétés physiques intéressantes et inattendues. La possibilité de ferromagnétisme à l'ambiante dans certains matéraux a généré un grand enthousiasme en vue d'application dans la spintronique. Cependant, d'un point de vue fondamental la physique de ces systèmes reste peu explorée et mal comprise. Dans ce manuscrit, on se propose de fournir une étude théorique complète et détaillée des effets des inhomogenéités de tailles nanométriques sur les propriétés magnétiques dans les systèmes dilués. Tout d'abord, on montre que l'approche RPA locale autocohérente est l'outil le plus adapté et fiable pour un traitement approprié du désordre et de la percolation. Nous avons implémenté cet outil et étudié dans un premier temps, les propriétés magnétiques dynamiques d'un modèle Heisenberg dilué (couplages premiers voisins) sur un reseau cubique simple. Nous avons reproduit précisémment la disparition de l'ordre à longue portée au seuil de percolation et comparé ce travail à des études précédentes. Dans le cadre d'un Hamiltonien minimal (modèle $V$-$J$) nous avons ensuite étudié en détails les propriétés magnétiques de (Ga,Mn)As (température critique, excitations magnétiques, stiffness,..). Nous avons obtenu de très bon accords avec les calculs textit{ab initio} et les résulats expérimentaux. Finalement, nous avons étudié les effets des inhomogénéités dans les sytèmes dilués. Nous avons montré, qu'inclure des inhomogenéités pourrait s'averer être une voie très efficace et prometteuse pour dépasser l'ambiante dans de nombreux matériaux. Nous avons pu obtenir une augmentation colossale de la température critique dans certains cas comparée à celle des systèmes dilués homogènes. Nous avons atteint une augmentation de 1600% dans certains cas. Nous avons également analysé les effets des inhomogénéités sur les courbes d'aimantations, elles sont inhabituelles et peu conventionelles dans ces systèmes. Les spectres d'excitations magnétiques sont très complexes, avec des structures très riches, et présentent de nombreux modes discrets à haute energie. De plus, nos calculs ont montré que la ``spin-stiffness" est fortement supprimé par l'introduction d'inhomogénéités. Il reste encore de nombreuses voies à explorer, ce travail devrait servir de base à de futures études théoriques et expérimentales des systèmes inhomogènes. / This thesis is mainly devoted to the study of nanoscale inhomogeneities in diluted and disordered magnetic systems. The presence of inhomogeneities was detected experimentally in several disordered systems which in turn gave rise to various interesting and unexpected properties. In particular, the possibility of room-temperature ferromagnetism generated a huge thrust in these inhomogeneous materials for potential spintronics applications. However, a proper theoretical understanding of the underlying physics was a longstanding debate. In this manuscript we provide a detailed theoretical account of the effects of these nanoscale inhomogeneities on the magnetic properties of diluted systems. First we show the importance of disorder effects in these systems, and the need to treat them in an appropriate manner. The self-consistent local RPA (SC-LRPA) theory, based on finite temperature Green's function, is found to be the most reliable and accurate tool for this. We have successfully implemented the SC-LRPA to study the dynamical magnetic properties of the 3D nearest-neighbor diluted Heisenberg model. The percolation threshold is found to be reproduced exactly in comparison with previous existing studies. Following this, we discuss the essential role of a minimal model approach to study diluted magnetic systems. The one-band $V$-$J$ model, has been used to calculate the Curie temperature and the spin excitation spectrum in (Ga,Mn)As. An excellent agreement is obtained with first principles based calculations as well as experiments. Finally we propose an innovative path to room-temperature ferromagnetism in these materials, by nanoscale cluster inclusion. We find a colossal increase in $T_C$ of up to 1600% compared to the homogeneous case in certain cases. Also the spontaneous magnetization is found to exhibit anomalous non-mean-field like behavior in the presence of inhomogeneities. In addition we observe a complex nature of the magnon excitation spectrum with prominent features appearing at high energies, which is drastically different from the homogeneous case. Our study interestingly reveals a strong suppression of the spin-stiffness in these inhomogeneous systems. The results indicate toward the strong complexities associated with the interplay/competition between several typical length scales. We believe this work would strongly motivate detailed experimental as well as theoretical studies in this direction in the near future.

Les nanocristaux de CdSe font l'objet d'applications émergentes dans les domaines de la nano-électronique, des technologies laser ou du marquage fluorescent de biomolécules. Pour ces applications, la détermination de la structure fine de l'exciton de bord de bande et des mécanismes de relaxation entre sous-niveaux est d'un intérêt majeur. Cette thèse a été consacrée à l'étude spectroscopique à basse température et sous champ magnétique de nanocristaux individuels de CdSe/ZnS. La remarquable photostabilité des nanocristaux étudiés a permis de caractériser les propriétés optiques des deux états excitoniques de plus basse énergie: l'état excitonique fondamental "noir", et l'état excitonique "brillant" situé quelques meV plus haut en énergie. Ces études ont aussi permis d'identifier un état excitonique chargé (trion) et de caractériser ses propriétés photophysiques. La possibilité de générer une cascade radiative biexciton-exciton a également été démontrée dans ces systèmes. / CdSe nanocrystals are attractive for many applications such as nanoscale electronics, laser technology, and biological fluorescent labelling. A detailed understanding of the band-edge exciton fine structure and the relaxations pathways between sub-levels are crucial for these applications. During this project we have studied the optical properties of single CdSe/ZnS nanocrystals at cryogenical temperature and under magnetic field. The dramatic photostability of the nanocrystals' emission has allowed the optical study of the two lowest exciton states: the "dark" excitonic state and the "bright" excitonic state, lying few meV above. These studies have also enabled us to identify a charged excitonic state (negative trion) and to characterize its photophysical properties. Besides we have demonstrated that in these nanocrystals, radiative cascade biexciton-exciton might be generated.

Le travail de thèse est consacré à la synthèse, l’élaboration et à l’étude des propriétés physiques d’une famille d’oxydes semi-conducteurs BiVO4 sous formes de nanostructures et de films minces incluant un dopage métallique (Metal = Cu, Mo et Ag) dans le but de réaliser des photocatalyseurs efficaces sous irradiation en lumière visible. La synthèse de nanopoudres dopées a ainsi été effectuée par la technique de broyage planétaire à haute énergie ainsi que par la méthode sol-gel. Les matériaux obtenus et les effets de dopage ont été étudiés sur les caractéristiques structurales, électroniques et optiques. En conjuguant des études par XPS, Raman et RPE, nous avons montré que le dopage substitutionnel est effectivement réalisé pour les ions (Cu, Mo) localisés dans les sites cristallins des ions vanadium alors que le dopage par l’élément Ag contribue à former des clusters métalliques localisés à la surface de nanoparticules de BiVO4 formant ainsi des nanocomposites. Les réactions photocatalytiques ont été étudiées par la dégradation de colorants organiques (Acide bleu 113, méthyle orange (MO)) dans des solutions faiblement concentrées. Parmi les ions dopants substitués dans les matrices hôtes, le dopage au cuivre (Cu2+) a montré de meilleures performances en raison d'une augmentation de la densité de charges photo-générées et de la conductivité électrique par rapport au cas du dopage au molybdène. Pour le dopage à l’argent, la formation de clusters métalliques donnent lieu à des effets de résonances plasmoniques qui améliorent l'efficacité photocatlytique à un niveau équivalent à celui du dopage substitutionnel au cuivre. La deuxième contribution de ce travail a porté sur la réalisation par pulvérisation cathodique rf-magnétron de films minces BiVO4 dopés par des éléments Mo et Cu dans des conditions définies par l'atmosphère de dépôt à base de pressions partielles d’un gaz Ar ou d’un mélange Ar / O2 et des températures de substrats variables jusqu'à 450 ° C. Les paramètres optimaux de dépôt ont été identifiés pour réaliser des films cristallins à faible rugosité de surfaces ou à morphologies en nano-îlots. Des études photocatalytiques utilisant des films minces dopés ont été effectuées par la dégradation des colorants organiques (MO) sous rayonnement visible. Ces études montrent que la morphologie des films avec des surfaces spécifiques importante est aussi un facteur d’amplification des performances photocatalytiques des films minces dopés Me-BiVO4. / The thesis work is devoted to the synthesis and investigations of the physical properties of a family of semiconducting oxides based on BiVO4 as nanostructures or thin films including a metal doping (Metal = Cu, Mo and Ag) in order to achieve effective photocatalysts under visible light irradiation. The synthesis of doped nanopowders was carried out by the techniques of high-energy ball milling and sol-gel. The resulting materials and doping effects were characterized on the structural, electronic and optical properties. By combining XPS, Raman and EPR studies, it was shown that the substitutional doping is achieved for the doping ions (Cu, Mo) being located in the lattice sites of the vanadium ions. Oppositely, Ag doping contributes to form Ag metal clusters located on the surface of nanoparticles of BiVO4 thereby forming nanocomposites. Photocatalytic reactions were studied by the degradation of organic dyes (Acid Blue 113, methyl orange (MO)) in low concentrated solutions. Among the doping ions substituted in the host matrices, Cu2+ showed better photocatalytic performances because of an increase in the density of photo-generated charges and similar effect on the electrical conductivity compared to the case of Mo doping. In the Ag based nanocomposites, the formation of metal clusters seems to induce surface resonance plasmonic effects that improve the efficiency of photocatalytic reactions with respect to the activity demonstrated for substitutional doping. The second contribution of the thesis work was devoted to BiVO4 thin films deposition by rf sputtering process with Mo and Cu doping under defined synthesis conditions such as the partial pressures of Ar gas or an Ar / O2 mixture and varying the substrate temperatures up to 450 ° C. The optimal deposition parameters have been identified to achieve crystalline films with low roughness surface or alternatively with nano-islands morphologies. Photocatalytic studies using doped thin films were carried out through the degradation of organic dyes (MO) under visible light irradiation. The performed measurements show that the film morphology with high specific surface is also a key factor in the amplification of photocatalytic reactions in metal doped thin films.

Cette thèse de doctorat propose d'explorer un nouveau paradigme de propagation de l'information de spin sur de très longues distances après encodage sur la polarisation de lumière cohérente. L'objectif principal de ce manuscrit est de fournir une étude détaillée de l'injection de spin dans des composants optoélectroniques III-V à géométrie verticale. Pour atteindre cet objectif, nous nous concentrons sur l'étude de l'injection optique et électrique de spin dans des structures « Light Emitting Diodes » (LEDs) et des structures « Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers » (VECSELs) à base de semiconducteurs III-V. Nos investigations et résultats sont présentés suivant trois axes majeurs.La première partie regroupe un état de l'art sur l'injection de spin dans les composants optoélectroniques III-V et se concentre sur les phénomènes physiques engagés dans la conversion d'une accumulation de spin en information de polarisation lumineuse. Une discussion sur l'injection et le transport de spin dans des structures semi-conductrices est suivie par une analyse orientée-composant sur l'injection de spin dans les LEDs et les VCSELs.La deuxième axe s'articule autour de notre travail expérimental sur le développement et l'optimisation sur LEDs III-V d'un injecteur de spin MgO/CoFeB/Ta ultra-fin présentant une aimantation perpendiculaire à la rémanence magnétique. Nous nous focalisons en premier lieu sur l'optimisation de la barrière tunnel MgO pour maximiser l'injection de porteurs polarisés en spin et détaillons par la suite le développement et la caractérisation d’un injecteur de spin possédant une aimantation perpendiculaire à la rémanence magnétique.La troisième partie contient le travail principal de cette thèse de doctorat. Elle est entièrement consacrée à notre recherche expérimentale sur l'injection de spin dans les structures « Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers ». Nous commençons par introduire un model vectoriel permettant la compréhension théorique de la sélection de polarisation dans les structures VECSELs injectées en spin. Nous rapportons ensuite la mesure de biréfringence d'une structure VECSEL designée pour le pompage optique en utilisant une technique expérimentale originale basée sur la mesure du décalage en fréquence entre les deux modes de polarisation orthogonaux TE et TM. Ultérieurement, nos observations et résultats sur l'injection optique de spin dans les VECSELs sont détaillés, analysés et commentés. L'étude est étendue à l'estimation des temps de vie caractéristiques du système par mesures de Photoluminescence résolues en temps afin d'évaluer l'efficacité de conversion de l'information de spin. Pour finir, les résultats préliminaires sur l'injection électrique de spin dans les VECSELs sont présentés. / This Ph.D Thesis proposes to explore a new paradigm of spin-information propagation over very long distances after encoding on coherent light polarization. The main objective of this manuscript is to provide a detailed study of spin-injection into III-V semiconductor based opto-electronic devices with vertical geometries. To achieve this goal, we focus on the study of optical and electrical spin-injection in III-V semiconductor based Light Emitting Diodes (LEDs) and Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers (VECSELs). Our investigations and results are presented on three axes.The first part regroups a state-of-the-art of spin-injection into semiconductors optoelectronic devices and focuses on the physical phenomena engaged in the conversion of a spin accumulation into light polarization information. A discussion on spin-injection and spin-transport into III-V semiconductor structures is followed by a more device-oriented review on spin-injection in LEDs and VCSELs.The second axis is articulated around our experimental work on the development and the optimization on III-V semiconductors LEDs of an ultra-thin MgO/CoFeB/Ta spin-injector with perpendicular magnetization at magnetic remanence. We focus on the MgO tunnel barrier optimization for maximizing the spin-injection efficiency and further detailed the development and the characterization of the spin-injector with perpendicular magnetization at remanence.Finally, the third part contains the main work of this Ph.D thesis. It is fully dedicated to our experimental research on spin-injection in Vertical External Cavity Surface Emitting Laser structures. A vectorial model allowing the theoretical understanding of polarization selection in spin-injected VECSELs is first introduced. Next, we report the birefringence measurement of a VECSEL designed for optical pumping using an original frequency detuning measurement between the two orthogonal TE- and TM-modes. Afterward, our observations and results on optical spin-injection in VECSELs are displayed, analyzed and commented. The study is farther extended to the measurement of the system's characteristic lifetimes using Time Resolved Photo-Luminescence in order to evaluate the spin-information conversion efficiency. Finally the preliminary results on electrical spin-injection experiment are presented.

Le présent travail de thèse a été effectué dans le cadre du projet CPER-FEDER MATISSE, projet coordonné par l’UTT regroupant deux autres partenaires : Nanovation et l’URCA. Le projet avait pour ambition la croissance des couches minces de ZnO de haute qualité et leur valorisation.Le ZnO cristallin est un semiconducteur à grand gap avec d’excellentes propriétés optiques. Son énergie de liaison excitonique de 60meV est l’une des caractéristiques qui lui valent tant d’attention malgré sa difficile gravure physique qui hypothèque la réalisation de composants photoniques compacts. En effet, la longueur d’onde d’émission du ZnO est de l’ordre de 375nm, impliquant l’utilisation de structures de petite taille dont la réalisation relève des nanotechnologies.Trois objectifs scientifiques ont été poursuivis : l’amélioration de l’extraction de l’émission excitonique dans les couches minces de ZnO par ingénierie de gap en utilisant les cristaux photoniques, l’émission laser et son contrôle et enfin, le transfert d’énergie du ZnO vers les QDots comme couche de phosphores pour la conversion de l’émission UV en lumière blanche. Pour y parvenir, deux technologies ont été utilisées : la croissance PLD (Nanovation) et la structuration par approche top-down délaissée par la communauté scientifique.La thèse traite de la structuration par lithographie électronique combinée à la gravure RIE-ICP et les études scientifiques associées. Les résultats obtenus sont concluants avec parfois des records comme pour le gain (>1000cm-1) et les pertes optiques (<10cm-1). Nous avons également procédé à la réalisation des premiers composants optoélectroniques : laser MIS et photodétecteur MSM / This work was conducted in the framework of the MATISSE project supported by the CPER-FEDER. Coordinated by UTT and including two other partners: Nanovation and URCA, the main project objective was the growth of high quality ZnO thin films and their valorization.ZnO is a wide band gap semiconductor with excellent optical properties. Its exciton binding energy (60meV) is one of the most important characteristics that earned to ZnO more attention despite its physical etching which is difficult to perform. Indeed, the excitonic emission of ZnO occurs approximately at 375nm, which involves the use of small structures whose achievement leads to the use of nanotechnology.Three scientific objectives were pursued: improving the extraction of the excitonic emission in ZnO thin films by engineering the photonic band gap by using photonic crystals, laser emission and control and finally, energy transfer from ZnO to QDots used as phosphors for down conversion of the UV emission to white emission. To achieve this, two technologies were used: PLD growth (Nanovation) and top-down structuring approach neglected by the scientific community.The thesis mainly deals with the structuring by electron beam lithography combined with ICP - RIE and related scientific studies. Conclusive results have been obtained such as high optical gain (>1000 cm-1) and low optical losses (<10 cm-1). We also carried out first optoelectronic components: MIS laser and MSM photodetector