Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Rayonnement proche infrarouge“

Nous exploitons les fluctuations thermiques pour étudier les résonances de nano-antennes plasmoniques métal-isolant-métal (MIM) individuelles dont les modes électromagnétiques sont excités en chauffant les nanostructures. La spectroscopie infrarouge par modulation spatiale permet de mesurer le spectre du rayonnement thermique de champ lointain d’une antenne unique en s’affranchissant de la contribution dominante du fond environnant. Des mesures de microscopie à effet tunnel à rayonnement thermique fournissent quant à elles une image super-résolue de la structure spatiale du rayonnement thermique de champ proche.

RÉSUMÉ L'analyse géomorphologique à partir de bandes spectrales débordant le rayonnement visible est encore au stade expérimental. La stratigraphie et la structure interne des dépôts meubles ne peuvent être directement détectées, mais la granulométrie et les formes de surface peuvent l'être. Dans le cas des surfaces dénudées, la granulométrie est reliée à la réflectance dans le visible et le proche infrarouge et à la rugosité détectable par le radar. Dans le cas des surfaces recouvertes de végétation, la granulométrie peut être déduite indirectement des conditions d'humidité des sols, qui commandent l'alimentation en eau des plantes, dans le visible, le proche infrarouge, l'infrarouge thermique, le radar (constante diélectrique) et théoriquement les micro-ondes passives. Sans compter la traditionnelle photointerprétation stéréoscopique, les formes de surface peuvent être reconnues soit de façon automatisée, surtout dans le cas des formes linéaires, lorsque l'on possède des documents numérisés, soit de façon visuelle par rehaussement d'image lors de la prise de vue (radar, thermographies). Les formes de surface peuvent aussi être rehaussées au moment du traitement par incorporation d'un modèle numérique de terrain ou avec des images de composantes spectrales. Des expériences ont été conduites en Estrie afin de distinguer les tills des dépôts fluvioglaciaires ou glacio-lacustres. Il en résulte que l'imagerie la plus efficace dans le cas d'une analyse visuelle est l'infrarouge thermique diurne en automne quand les effets de l'insolation sur la topographie sont maximaux et où ceux des écarts d'albédo sont réduits.

Le rayonnement atmosphérique appelé nightglow est un phénomène se produisant à haute altitude (environ 90 km). Il consiste en l’émission d’un rayonnement suite à la désexcitation de certaines molécules et atomes (OH, Na, O2 et O). Il se répartit sur une large gamme spectrale, en particulier dans l’infrarouge et se propage jusqu’au niveau du sol. Le rayonnement nightglow constitue un marqueur important pour la haute atmosphère, permettant de remonter à la température, mais également à de nombreux phénomènes dynamiques comme les marées atmosphériques ou les ondes de gravité. Sa propagation au niveau du sol permet l’éclairage de scène terrestre et ainsi la vision nocturne à l’aide de caméras proche infrarouge. Afin de mieux connaître les fluctuations de ces émissions en fonction du temps à différentes échelles et en différents lieux sur la planète, la thèse s’est axée sur une étude observationnelle et une étude théorique. L’étude observationnelle a produit une climatologie à grande échelle par l’extraction du rayonnement issu des données de l’instrument GOMOS. Les campagnes de mesures réalisées au sol ont quant à elles mis en avant certains aspects dynamiques importants comme les marées et les ondes de gravité. Pour reproduire le rayonnement nightglow, il a été nécessaire de modéliser les réactions chimiques des nombreuses espèces présentes à haute altitude, le chauffage, la photodissociation de certaines molécules par le rayonnement solaire et la propagation du rayonnement vers le sol. Certains processus dynamiques ont été inclus comme la diffusion moléculaire, la diffusion turbulente et une paramétrisation des marées. Enfin, les résultats du modèle sont comparés aux observations satellitaires ainsi qu’au niveau du sol et des tests de sensibilité sont effectués pour estimer la réponse du rayonnement aux différents modules du modèle
The nightglow is an atmospheric radiation which occurs at high altitude (around 90 km). It comes from the desexcitation of specific molecules and atoms (OH, Na, O2 and O). It spreads over a wide spectral band, especially in the infrared and propagates to the ground level. The nightglow emission is an important mark for the high atmosphere, as it allows the retrieval of the temperature and many dynamic processes such as atmospheric tides or gravity waves. Its propagation to the ground level allows the illumination of terrestrial scene and therefore the night vision with the use of near infrared cameras. In order to have a better knowledge of the emission fluctuations as a function of time for various scales and at various locations, the work is focused on an observational and theoretical study. The observational study produced large scale climatology with the extraction of nightglow emission from GOMOS data. On the other hand, ground measurements highlighted some dynamical aspects such as tides and gravity waves. To model the nightglow emission, it has been necessary to take into account the chemical reactions of the species available at high altitude, the heating, the photodissociation process and the propagation of the emission to the ground. Selected dynamical processes have been included, such as the molecular and turbulent diffusion, and a tide parameterization. Finally, the results of the model are compared to the satellite and ground observations and sensitivity tests are run to estimate the response of the emission to the various modules of the model

Mon projet porte sur l'élaboration d'un microscope optique en champ proche (SNOM) sans ouverture fonctionnant dans le domaine de l'infrarouge et utilisant le rayonnement synchrotron de l'ESRF comme source de lumière infrarouge. Ce rayonnement a deux particularités bien adaptées aux études spectroscopiques: c'est une source de lumière blanche couvrant la bande du proche infrarouge de 5 a 15 um alors que les sources lasers accordables sont encore en développement. Il est très brillant et stable, a la fois dans le temps et dans j'espace. [DPG005] Une fois élaboré, le microscope sera applique a la spectroscopie infrarouge - essentiellement vibrationnelle - et le diagnostic des matériaux et des nanostructures qui sont d'intérêt actuel pour l'industrie micro et nanoélectronique [RCB +02]. Comme mon projet est très instrumental, le début a été consacré a la conception de tout un système de microscopie, a partir du zéro et avec tout le matériel nécessaire disponible a la fin de la première année. La seconde année a été consacrée a l'intégration et la mise en œuvre du dispositif expérimental, a la compréhension de ses fonctionnalités et a des essais de validation du nouveau outil. Après nous nous sommes pleinement engages dans la recherche et la compréhension de cet outil unique. Nous avons commencé par quelques résultats préliminaires, puis cela a été essentiellement une question de temps expérimental alloué pour obteni~ les résultats que nous avions visés. Notre configuration est unique et donc les travaux que nous avons pour référence sont ceux de groupes utilisant les mêmes techniques d'exploitation dans des conditions très différentes [WFA03; FWA05a; FWLA04; RGEH05; Hil04; GAS +OOb; Suk04; TKH04]. Notre principale difficulté est de détecter un signal faible. Je montrerai plus loin quelques calculs qui nous y ont fait croire. Notre groupe de référence a réussi a le faire dans des conditions plus simples que les nôtres, mais il est utile de rappeler que cela leur a pris 3 ans pour adapter la sensibilité de leur installation, ce qui concerne que ce sont des techniques très dures. Notre idée de départ était d'utiliser le rayonnement synchrotron comme source de lumière dans l'infrarouge en raison de ses caractéristiques. Il s'agit d'une source de lumière blanche, avec toutes les longueurs d'onde présentes en même temps, nous permettant d'effectuer une spectroscopie, ce qui signifie que nous obtiendrons une information chimique sur l'échantillon [Hil04; MGCS04]. Telle est la grande nouveauté en comparaison avec les autres travaux. Il s'est avéré que la lumière est assez faible ce qui rend la recherche du signal difficile. Notre installation doit alors être testée avec un laser, qui est de plusieurs ordres de grandeur plus puissant que le rayonnement synchrotron, et qui pourrait être un bon outil de débogage. Cela semble une bonne alternative pour mieux comprendre les points essentiels qui doivent être améliores dans notre système. Les lasers a utiliser pourraient être visible, infrarouge (C02), ou accordable. Pour la spectroscopie, les lasers accordables sont non seulement moins stables mais ils sont aussi plus limités dans la gamme spectrale sur la partie infrarouge proche du spectre, que le rayonnement synchrotron. Le synchrotron de l'ESRF est mon laboratoire d'accueil, et j'ai travaillé en collaboration avec le CEA-LETI pour le développement de cet outil
My project is concerned with the development of an infrared aperture- less scanning near-field optical microscope (SNOM) that will use the syn- chrotron radiation of the ESRF as source of infrared light. This radiation has two main particularities well-suited to spectroscopic studies: this is a white source of light covering the near infrared band from 5 to 15 J. . Lm where tunable laser sources are still under development and it is very bright and stable, both in time and space [DPG005]. Once developed, the microscope will be applied to the infrared spectroscopy - essentially vibrational - and di- agnosis of materials and of local nanostructures which are of current interest to the micro and nanoelectronic industry [RCB+ 02]. As my project is very instrumenta~ the beginning was dedicated to the conception of a microscope system, starting with nothing and having all the needed materials at the end of the flfst year. The second year was dedicated to the integration and implementation of the experimental setup, to the understanding of its functionalities and to trials for validating the new too\. Afterwards we were fully committed to researching and understanding this unique too\. We have started with sorne preliminary results and then it would essentially be a question of allocated experimental time until obtain- ing the resuhs that we had aimed for. Our setup is unique and therefore the works we have for reference are from groups using the same techniques operating under very different con- ditions [WF A03; FW A05a; FWLA04; RGEH05; Hil04; GAS+ OOb; Suk04; TKH04] Our main difficulty is in detecting a weak signa~ which we had expected to succeed. 1 will show later sorne calculations that made us believe so. One of our reference groups managed to do it in simpler conditions than ours, but it is worth recalling that it took them 3 years to adjust their setup sensitivity, thereby conflfffiing that these are very hard techniques. Our starting idea was of using synchrotron radiation as illuminating source in the infrared range because of its characteristics. This is a white light source, with all the wavelengths present at the same time, allowing us to perform spectroscopy, meaning that we will obtain chemical information of the sample [Hil04; MGCS04]. This is the big novelty comparing with the other works. It turned out that the light is rather weak which makes the search for the signal a difficult task. Our setup should then be tested with a laser, which is several orders of magnitude more powerful than the synchrotron radiation, and what might be a good debugging too\. This seems a good alternative to better understand what are the critical points that must be improved in our system. The lasers to use could be visible, infrared (C02 ), or tunable. For spec- troscopy, the tunable lasers are not only less stable but they are also more restricted in the spectral range to the very near infrared part of the spectrum than the synchrotron radiation. The ESRF synchrotron facility is my home lab, and 1 have worked in collaboration with the CEA-LETI for the development ofthis tool

Différents nanocristaux de composés semiconducteurs à base d’argent émettant dans le proche-infrarouge ont été synthétisés et caractérisés dans le cadre de ce projet. La synthèse de nanocristaux d’AgInSe2 de phase orthorhombique à partir d’un complexe Ag-In-thiolate sera d’abord présentée. L’évolution des ratios Ag:In:Se déterminés par spectroscopie dispersive en énergie des rayons-X montre que le mécanisme de formation de ce matériau implique l’incorporation progressive d’In3+ via échange cationique partiel sur des nanocristaux d’Ag2Se. Les nanocristaux obtenus ont aussi été étudiés par spectroscopie d’absorption UV-visible, spectrofluorimétrie, diffraction des rayons-X et microscopie électronique à transmission. Selon les conditions réactionnelles, les nanocristaux peuvent être de forme sphérique, pyramidale, ou prismatique et émettent entre 800 nm et 1300 nm avec un rendement quantique allant jusqu’à 21%. Ces nanocristaux ont ensuite été recouverts d’une coquille de ZnS. Deux méthodes ont été utilisées : une à haute température et une à la température de la pièce. En utilisant la méthode à haute température, une coquille équivalente à 2 monocouches de ZnS a pu être ajoutée. Un décalage hypsochrome, une diminution de la largeur à mi-hauteur ainsi qu’une augmentation du rendement quantique de photoluminescence ont été observés. Cela a été associé à la diffusion du zinc à l’intérieur des nanocristaux. Avec la méthode à la température de la pièce, jusqu’à 3 monocouches de ZnS ont été ajoutées. Dans ces conditions, seul un léger décalage bathochrome de la photoluminescence a été observé. L’ajout d’une coquille a pu être confirmé par spectroscopie dispersive en énergie des rayons-X. Les nanocristaux recouverts de ZnS ont ensuite été encapsulés dans un copolymère amphiphile et dispersés en milieu aqueux, tout en conservant une bonne photoluminescence. Afin d’étudier les effets de la composition des nanocristaux, des solutions solides de CuxAg1-xInSe2 ont été obtenues en adaptant le protocole de synthèse des nanocristaux d’AgInSe2. Les nanocristaux obtenus après 60 minutes de réaction à 200°C ont une longueur d’onde d’émission allant progressivement de 1112 nm à 1450 nm pour des compositions entre AgInSe2 et Cu0.6Ag0.4InSe2. Dans le cas des nanocristaux de Cu0.8Ag0.2InSe2 et de CuInSe2, un important déplacement de la photoluminescence aux environs de 700 nm a été observé, probablement en raison de la plus petite taille des nanocristaux obtenus. Selon la composition, leur rendement quantique de photoluminescence varie entre 6% et 20%. En diffraction des rayons-X, on remarque un décalage progressif des pics vers les plus grands angles avec l’augmentation du ratio Cu:Ag ainsi qu’une diminution de l’intensité des pics caractéristiques de la phase orthorhombique, suggérant la miscibilité des solutions solides. Afin de montrer la versatilité de la méthode de synthèse développée, des nanocristaux d’AgInTe2 ont été obtenus en remplaçant le séléniure de tributylphosphine, utilisé dans la synthèse d’AgInSe2, par le tellurure de trioctylphosphine. Des nanocristaux émettant entre 1095 nm et 1160 nm ont ainsi été obtenus. Toutefois, ces cristaux ont une forme sphérique allongée et ont, au mieux, un rendement quantique de photoluminescence de 0,06%. En ajoutant de l’acétate de zinc au début de la synthèse, un décalage de la photoluminescence vers le bleu a été observé et le rendement quantique a pu être augmenté jusqu’à 3,4%. Finalement, les propriétés optiques des nanocristaux d’Ag2Se seront présentées. L’ajout d’une coquille d’Ag2S afin d’en augmenter le rendement quantique de photoluminescence a d’abord été tenté. Une importante diminution ainsi qu’un décalage bathochrome de la photoluminescence ont plutôt été observés. Afin de mieux comprendre ces résultats, l’étude des propriétés des cœurs d’Ag2Se a été nécessaire. Des nanocristaux d’Ag2Se avec un rayon allant de 0,95 nm à 4,7 nm ont donc été synthétisés et analysés par spectroscopie d’absorption UV-visible. L’énergie de la première transition observée tend vers 1,1 eV avec l’augmentation de la taille des nanocristaux, ce qui est significativement plus élevé que la valeur attendue de 0,15 eV. Leur concentration a été déterminée par analyse thermogravimétrique, permettant ainsi de calculer leur coefficient d’extinction molaire à différentes longueurs d’onde. Pour la première transition observée, cette valeur est proportionnelle à r02.7±0.2, alors qu’elle suit éventuellement la loi de puissance cubique classique prédite avec r0 à plus haute énergie.
Different near-infrared emitting silver-based semiconductor nanocrystals were synthesized for this project. First, orthorhombic AgInSe2 nanocrystals synthesized from an Ag-In-thiolate complex will be presented. Evolution of the Ag:In:Se ratio measured by energy-dispersive X-ray spectroscopy shows progressive incorporation of In3+ in Ag2Se seeds via progressive partial cation-exchange reaction. The resulting nanocrystals were studied by UV-visible absorption spectroscopy, photoluminescence spectroscopy, X-ray diffraction and transmission electron microscopy. Depending on the reaction conditions, the nanocrystals can be spherical, pyramidal or prismatic and emit between 800 nm and 1300 nm with a photoluminescence quantum yield up to 21%. The nanocrystals were then covered with a ZnS shell. Two different methods were used: one at high temperature and one at room temperature. Two ZnS monolayers were added with the high temperature method. A hypsochromic shift, a narrowing of the FWHM and an increase in the photoluminescence quantum yield were observed. It was associated with diffusion of Zn inside the nanocrystals. With the room temperature method, up to three ZnS monolayers were added, but only a small bathochromic shift was observed. The presence of a shell was confirmed by energy-dispersive X-ray spectroscopy. The ZnS-covered nanocrystals were then encapsulated in an amphiphilic copolymer and dispersed in water, while maintaining a good photoluminescence. In order to study the effects of the nanocrystals’ composition, CuxAg1-xInSe2 solid solutions were obtained by adapting the synthesis protocol of AgInSe2 nanocrystals. Nanocrystals with a composition between AgInSe2 and Cu0.6Ag0.4InSe2 have shown progressive bathochromic shift of their photoluminescence, from 1112 nm to 1450 nm. An important shift of the photoluminescence around 700 nm was observed for Cu0.8Ag0.2InSe2 and CuInSe2, most likely due to the smaller size of the resulting nanocrystals. Depending on their composition, the photoluminescence quantum yield can be between 6 and 20%. X-ray diffraction patterns have shown a progressive shift towards larger angles with increasing Cu:Ag ratios and decrease in the intensity of the peaks characteristic of the orthorhombic phase. In order to show the versatility of this method, AgInTe2 nanocrystals were also synthesized by replacing tributylphosphine selenide, used for the synthesis of AgInSe2 nanocrystals, with trioctylphosphine telluride. Nanocrystals emitting between 1095 nm and 1160 nm were obtained. However, they had an elongated spherical shape and their best measured photoluminescence quantum yield was only 0.06%. By adding zinc acetate at the beginning of the synthesis, a blueshift of the photoluminescence was observed and the quantum yield was increased up to 3.4%. Finally, the optical properties of Ag2Se nanocrystals will be presented. In order to increase their photoluminescence quantum yield, the synthesis of an Ag2S shell was attempted. However, a decrease in photoluminescence and an important bathochromic shift were observed instead. To understand the results, a study of the Ag2Se cores properties was necessary. Ag2Se nanocrystals with an average radius between 0.95 nm and 4.7 nm were synthesized and analyzed by UV-visible absorption spectroscopy. The energy of the first observed transition tends towards 1.1 eV, which is significantly higher than the expected value of 0.15 eV. Their concentration was determined by thermogravimetric analysis, allowing the determination of their molar extinction coefficient at different wavelengths. At the first transition, this value is proportional to r02.7±0.2 and eventually follows the classically predicted cubic power law with r0 at higher energies.

Deux contraintes fondamentales limitent la précision de l'interférométrie ir des tavelures. La première est liée à la méconnaissance des propriétés statistiques de la turbulence atmosphérique, la deuxième est due à l'insuffisance théorique actuelle en matière de physique de la formation stellaire ou de celle de la formation de poussières dans les enveloppes circumstellaires. Une réponse au premier problème est l'abandon de l'interférométrie dans le plan image au profit du plan pupille. Pour le deuxième on peut avoir recours à des télescopes à pupille diluée. On discute de ces différentes méthodes et du couplage entre hautes résolutions spatiale et spectrale.

Les photocatalyseurs tels que l’oxyde de zinc (ZnO) peuvent minéraliser les polluants organiques toxiques et persistants dans les eaux usées. Ils ne sont cependant pas efficients dans les eaux très contaminées, suite à la nécessité d’une activation par une lumière UV qui n’y pénètre que faiblement. Dans ce projet, il est envisagé de surmonter les limites des photocatalyseurs évoqués par le développement de composites UCNP@SiO2@ZnO : avec (i) UCNP un coeur d’upconversion LiYF4:Yb3+,Tm3+ ayant le rôle de produire in situ de l’UV sous une excitation proche IR, (ii) @SiO2 un enrobage de silice ultrafin protégeant l’UCNP du milieu environnant et facilitant le dépôt de (iii) @ZnO, une couche de ZnO dont le rôle est de dégrader les polluants organiques, une fois activée par l’UV localement émis depuis l’UCNP. Après l’obtention des UCNPs par décomposition thermique, diverses méthodes de synthèse ont été employées pour former UCNP@SiO2@ZnO : @SiO2 par microémulsion en phase inverse ou par une méthode de Stöber modifiée, et @ZnO par hétérocoagulation ou par voie hydrothermale assistée par micro-ondes. Les propriétés luminescentes des UCNPs, avant et après enrobage de silice, ont été étudiées. La formation d’une coquille de ZnO a premièrement été réalisée sur des nanoparticules de silice modèles, avant transposition pour la préparation des UCNP@SiO2@ZnO d’intérêt. La morphologie tout comme les propriétés optiques, électroniques et photocatalytiques ont été caractérisées à chaque étape. Une compréhension des relations structure-propriétés dans UCNP@SiO2@ZnO a été conduite afin d’augmenter la synergie entre les trois composantes et d’obtenir des propriétés résultantes optimales
Photocatalysts such as zinc oxide (ZnO) can mineralize toxic and persistent organic pollutants present in wastewaters. Unfortunately, these photocatalysts loose part of their effectiveness because they need to be activated by UV light, which has a limited penetration depth in highly contaminated wastewaters. In this project, we envision to adress the limitations of classical photocatalysts by the development of UCNP@SiO2@ZnO composites that enclose : (i) UCNP: a LiYF4:Yb3+,Tm3+ core that enables the in situ generation of UV light under NIR illumination, (ii) @SiO2, a thin silica coating, whose role is to protect the UCNP core from photocatalytic corrosion and to allow the growing of (iii) @ZnO, a high surface area ZnO shell with tunable morphology, whose role is to decompose the organic pollutant upon activation by the UV-light emitted from the UCNP core. Once the UCNPs are obtained by thermal decomposition, they were encapsulated in a silica shell using reverse microemulsion or a modified Stöber process. The luminescence properties of the UCNPs, before and after silica coating, were investigated. Finally, the ZnO overcoating was formed either by heterocoagulation or by microwave-assisted hydrothermal synthesis. The methods were first optimized on model silica nanoparticles, before transposition to UCNP@SiO2 for the preparation of UCNP@SiO2@ZnO. The morphologies as well as the optical, electronic and photocatalytic properties of the resulting particles were caracterized at each step. An understanding on structure-properties relationship was conducted to improve the synergy between each layer and get optimal photocatalytic properties

Pour les décharges longues dans les tokamaks comme ITER, il est important de surveiller la température de surface des composants face au plasma (CFPs) par l'utilisation de diagnostics de thermographie infrarouge (IR). En thermographie IR, la température de surface des CFPs est basée sur la loi de Planck ou loi du corps noir. Les campagnes de Tore Supra ont montré que la luminance spectrale de ces surfaces, s'écartait de la loi du corps noir. La déformation spectrale de la luminance rend difficile la mesure des températures et compromet l'estimation de la densité de puissance des flux qui est déposée sur les CFPs. L'objectif de ce travail de thèse consistait à reproduire, caractériser et expliquer la déformation spectrale de la luminance. L'hypothèse retenue est un effet d'inhomogénéité surfacique de température. Cette hypothèse implique que la luminance mesurée est la contribution de plusieurs températures.

Les dispositifs intersousbandes à base de nitrures d’éléments III ont des propriétés très intéressantes pour l’optoélectronique et la photonique dans l’infrarouge. Les hétérostructures formées par l’AlN et le GaN ont une discontinuité de potentiel en bande de conduction de 1.75 eV et permettent donc de couvrir les deux extrémités du spectre électromagnétique infrarouge. Ces matériaux sont en outre caractérisés par des temps de relaxation ISB extrêmement courts et sont par conséquent des candidats potentiels pour le développement de composants optoélectroniques ultrarapides aux longueurs d’onde des télécommunications. D’autre part, grâce à l’énergie du phonon LO élevée dans ces matériaux, ces hétérostructures ouvrent la voie vers la réalisation de lasers à cascade quantique THz fonctionnant à la température ambiante. Dans ce contexte, je présente dans une première partie de ma thèse une étude théorique et expérimentale du transport électronique dans des hétérostructures GaN/Al(Ga)N simples comme les diodes tunnel résonnantes (DTRs) et plus complexes comme les multi-puits quantiques. La modélisation du transport quantique dans les DTRs AlGaN/GaN m’a permis de mettre en évidence la dépendance de résonance quantique du signe de la tension appliquée et de la composition des barrières. Du point de vue expérimental, je montre que le comportement électrique instable dans ces dispositifs est dû aux défauts dans le matériau. Dans les structures à multi-puits, je présente la première évidence expérimentale d’un transport tunnel résonnant reproductible. Dans une deuxième partie, je propose et développe plusieurs principes originaux de détecteurs à cascade quantique (QCD)s GaN/AlGaN entre 1 et 2 μm fonctionnant à la température ambiante. Je montre en utilisant des techniques de mesure de spectroscopie femtoseconde qu’ils sont intrinsèquement ultrarapides (picoseconde). Je développe aussi des micro-QCDs qui présentent une bande passante au-delà des 40 GHz. La conception des QCDs à plus grandes longueurs d’onde est discutée. Dans la dernière partie de ce manuscrit, je présente une étude spectroscopique dans le THz de superréseaux à base de GaN. Je montre que l’utilisation de puits quantiques à marche de potentiel permet d’accorder l’absorption ISB dans le THz. Je présente ensuite la première démonstration de l’électroluminescence intersousbande de 2 à 9 THz
Intersubband devices based on III-nitrides have interesting properties for optoelectronics and photonics applications in the infrared. The heterostructures of these materials have a large conduction band offset of 1.75 eV and therefore allow covering the whole infrared electromagnetic spectral range. Furthermore, these materials are characterized by extremely short ISB relaxation times and are, consequently, potential candidates for the development of ultrafast optoelectronic devices at the fiber optics telecommunication wavelengths for fiber optics or for free space communication. On the other hand, thanks to the large LO phonon energy in these materials, these heterostructures offer the possibility of fabricating compact THz lasers operating at room temperature. In this context, I firstly present in this manuscript a theoretical and an experimental study of the electronic transport in simple AlGaN/GaN heterostructures namely resonant tunneling diodes and more complex structures such as multi-quantum wells based on III-nitrides. The modeling of the transport in RTDs shows the dependency of the current resonances on the sign of the applied voltage as well as the height of the double barrier. I also demonstrate that the experimentally observed electrical instabilities in these devices are due to the defects in the material. In the multiple quantum well structures, I give the first evidence of reproducible resonant tunneling transport. In chapter 3, I propose and develop several principles of quantum cascade detectors in the near infrared between 1 and 2 μm operating at room temperature. I demonstrate, using time-resolved bias-lead monitoring technique, that they are intrinsically very fast (picosecond). I also develop micro - QCD devices that have a -3 dB cut-off frequency beyond 40 GHz. The design of QCDs operating at longer wavelengths is discussed. In the last part of the manuscript, I present a spectroscopic study of GaN superlattices with ISB transitions in the far-infrared. I show that the utilization of step quantum wells allows to tune the ISB absorption frequency to the THz. I finally present the first demonstration of the intersubband electroluminescence from 2 to 9 THz in these structures

Les nitrures d’éléments III (III-N) sont des matériaux prometteurs pour la réalisation de dispositifs intersousbandes (ISB) : leur discontinuité de potentiel élevée en bande de conduction (1.75 eV) leur permet de couvrir une grande gamme de longueur d’onde du proche infrarouge jusqu’au Térahertz (THz), et enfin l’énergie élevée de phonon optique (90meV) laisse entrevoir la possibilité de réaliser des sources émettant dans le THz tout en fonctionnant à température ambiante. Mes travaux portent sur les détecteurs à cascade quantique (QCD) et sur les lasers à cascade quantique (QCL) à base de III-N fonctionnant dans le THz.Dans un premier temps, j’expose les concepts, la réalisation et la caractérisation de plusieurs détecteurs à cascade quantique (QCDs) à base de nitrures (AlGaN/GaN) fonctionnant dans le proche IR entre 1 et 2 µm.. Ensuite, je propose la conception de dispositifs devant fonctionner dans le THz. Je commence par décrire les difficultés inhérentes à l’obtention de transitions ISB dans la gamme THz dans les puits de nitrures polaires et je propose une approche pour les contourner. Je détaille après la conception de QCDs devant fonctionner à 5 et 6 THz. Puis, je propose une structure de QCL devant émettre à 2.5 THz.En parallèle, j’ai aussi travaillé sur les oxydes d’éléments VI (II-VI). Ces matériaux possèdent les mêmes avantages que les nitrures d’éléments III. J’ai caractérisé une série d’échantillons épitaxiés contenant des puits de ZnO/ZnMgO. Les mesures attestent de la présence d’une transition ISB et m’ont permis de donner une estimation de la discontinuité en bande de conduction, valeur jusque-là très mal connue
Nitrides are promising materials for producing intersubband devices (ISB): their high potential discontinuity in conduction band (1.75 eV) allows them to cover a wide wavelength range from near infrared to terahertz (THz), and finally the high energy optical phonon (90 meV) suggests the possibility of producing sources emitting THz while operating at room temperature. My research focuses on quantum cascade detector (QCD) and quantum cascade lasers (QCL) based on III-N operating in the THz.First, I outline the concepts, realization and characterization of several quantum cascade detectors (QCDs) based on nitrides (AlGaN / GaN) operating in near infrared between 1 and 2 microns. Then, I propose design of devices working in the THz range: I describe difficulties inherent in getting ISB transitions in THz fields in polar nitride quantum well. I detail the design of QCDs operating at 5 and 6 THz. Then I worked on QCL operating at 2.5 THz.In parallel, I also worked on VI elements oxides (II-VI). These materials have the same benefits as III nitrides. I characterized a series of samples containing quantum wells ZnO / ZnMgO. Measurements show the presence of ISB transitions and allow me to provide an estimation of the conduction band offset, which value was not well known prior to this work

La spectroscopie proche infrarouge fait partie des spectroscopies vibrationnelles au même titre que l’infrarouge moyen (MIR) et le Raman. C’est une méthode physicochimique d’analyse basée sur l’interaction entre un rayonnement lumineux dans le domaine proche infrarouge et les molécules de l’échantillon. Cependant, contrairement au MIR et au Raman qui s’intéressent aux vibrations fondamentales de la molécule, le PIR va sonder les harmoniques et les combinaisons de ces modes de vibration. Les spectres sont peu intenses et généralement mal résolus mais peuvent être obtenus très facilement sur des échantillons non préparés. Il en ressort une certaine complexité qui peut expliquer que cette technique soit peu enseignée dans le domaine académique alors qu’elle présente une grande attractivité dans le domaine industriel.