Dissertationen zum Thema „Semi-Conducteur moléculaire“

Ce travail concerne le développement d'une technique de positionnement sélectif des nanotubes de carbone et son utilisation pour la fabrication de transistors à base de nanotubes (CNTFETs) individuels auto-assemblés. Nous mettons en évidence le rôle crucial des interfaces nanotube/substrat et nanotube/électrodes dans le fonctionnement de ce type de dispositifs et nous proposons une méthode efficace d'optimisation de leurs perfonnances. La méthode de positionnement contrôlée repose sur la fonctionnalisation de surfaces de silice par un aminosilane. Cette technique confère localement une réactivité spécifique au substrat qui permet l'adsorption sélective de nanotubes dispersés en solution. Cette approche apporte une solution pertinente pour connecter aisément les nanotubes adsorbés et fabriquer des CNTFETs de manière systématique. Du point de vue des performances, nous montrons que ces CNTFETs sont comparables à ceux réalisés à partir d'un dépôt aléatoire de nanotubes. Dans les deux cas, les performances sont limitées par la présence d'une barrière Schottky à l'interface métal/nanotube. Nous montrons également que nous pouvons tirer partie de cette méthode d'auto- organisation pour réaliser une optimisation chimique de ces CNTFETs. En effet, la couche de silane apporte une interface supplémentaire qui peut être modifiée pour améliorer soit l'injection des porteurs, soit le niveau de dopage dans le nanotube. Ainsi, la hauteur de la barrière Schottky à l'interface métal/nanotube peut être contrôlée de manière fine et continue jusqu'à l'obtention d'un contact quasi-ohmique par l'utilisation de molécules polaires. La densité de charges dans le nanotube peut, quant à elle, être ajustée par l'utilisation de composés acides ou basiques permettant la protonation ou la déprotonation de la couche de silane. L'évolution significative des propriétés de transport des CNTFETs en présence de très faibles quantités de molécules montre le fort potentiel des CNTFETs dans le domaine des capteurs
In this thesis, we present a method of selective placement of carbon nanotubes and its use for the fabrication of nanotube transistors (CNTFETs) based on self-assembled individual tubes. We demonstrate the key role of the nanotube-substrate and nanotube-electrode interfaces on the device action and we propose an efficient way of optimizing their performances. The positioning technique relies on the functionalization of silica surfaces by an aminosilane. It gives a specific and local reactivity to the substrate which allows for the selective adsorption of nanotubes dispersed in solution. This approach brings a pertinent solution to the problem of systematic connection of adsorbed nanotubes in a transistor: geometry. We show that the performances of these CNTFETs compare favourably with those of nanotube transistors made from random dispersions of tubes. In both cases, performances are limited by the Schottky barrier at the nanotube/metal interface. We also show that we can take advantage of this self-assembly technique to perform a chemical optimization of the CNTFETs. Indeed, the aminosilane monolayer brings a new interface that can be modified either to improve carrier injection into the nanotube or to change the doping level of the tube. The Schottky barrier height at the nanotube/metal interface can be improved in a continuous fashion down to an almost ohmic contact through the use of polar molecules. The density of charges in the nanotube can also be adjusted using either acid or basic compounds which lead to the protonation or deprotonation of the aminosilane layer. The significant modulation of the transport properties of CNTFETs in the presence of very low amounts of molecules shows the high potential of these devices for use as chemical sensors

L’utilisation de semi-conducteurs organiques dans les dispositifs électroniques offre d’intéressantes perspectives. En effet, ils permettent d’alléger le poids de ces dispositifs en plus de diminuer grandement le coût de leur fabrication. Cependant, une des principales problématiques associées à ces semi-conducteurs organiques est leur procédé de fabrication qui requiert des solvants organiques toxiques et de multiples étapes de synthèse. Dans ce travail, un nouveau procédé de synthèse respectueux de l’environnement a été mis au point. Une seule étape était nécessaire à la préparation des semi-conducteurs, en utilisant la réaction de polycondensation entre une diamine et un dialdéhyde. Cette réaction a été réalisée à température ambiante, dans un solvant vert, l’éthanol, et sans utilisation de catalyseurs, minimisant ainsi la consommation énergétique et utilisant un milieu réactionnel de source renouvelable et peu toxique. Après leur dopage, ces polymères ont présentés des propriétés de conduction comparables à celles des principaux semi-conducteurs organiques. La deuxième partie de cette thèse a été consacrée à l’étude de l’utilisation du papier comme support pour les dispositifs d’électronique organique; s’affranchissant ainsi de l’utilisation de substrats généralement non biodégradables et/ou de sources non renouvelables (plastique ou verre). Deux stratégies ont été utilisées à cette fin. La première consistait en un dépôt direct des polymères semi-conducteurs à la surface de filaments de cellulose. La deuxième est basée sur la création d’un lien covalent entre les semi-conducteurs et la pâte Kraft, en utilisant la réaction de cycloaddition 1,3-dipolaire de Huisgen catalysée par le cuivre (CuAAc)
The use of organic semiconductors in electronic devices offers interesting prospects. Indeed, they make it possible to lighten the weight of these devices in addition to greatly reducing the cost of their manufacture. However, one of the main problems associated with these organic semiconductors is their manufacturing process, which requires toxic organic solvents and multiple synthesis steps. In this work, a new environmentally friendly synthesis process has been developed. A single step was necessary for the preparation of the semiconductors, using the polycondensation reaction between a diamine and a dialdehyde.This reaction was carried out at room temperature in ethanol, a green solvent and without the use of catalysts, thus minimizing energy consumption and using a reaction medium from a renewable and low-toxicity source. After their doping, these polymers exhibited conduction properties comparable to those observed for conventional organic semiconductors.The second part of this thesis was devoted to the study of the use of paper as a support for organic electronics devices; hus avoiding the use of generally non-biodegradable and/or non-renewable substrates (plastic or glass). Two strategies have been used to this end. The first consisted of a direct deposit of the semiconducting polymers to the surface of cellulose filaments.The second is based on the creation of a covalent bond between the semiconductors and the Kraft pulp, using the copper-catalyzed Huisgen 1,3-dipolar cycloaddition reaction (CuAAc)

Ce travail porte sur l'étude de l'influence du diélectrique de grille et de la structure moléculaire du semi conducteur sur les performances de transistors organiques (OFET). L'obtention d'OFET stables, fonctionnant à de faibles tensions tout en présentant de bonnes performances constitue un aspect déterminant de ces dispositifs. Dans ce contexte, nous avons réalisé des transistors en pentacène, avec différents diélectriques de grille. Nous proposons un diélectrique bicouche, composé d'un isolant à forte constante et d'un isolant polymère, qui permet, en associant les avantages de ces deux matériaux d'obtenir des tensions de fonctionnement de 15V, tout en améliorant les mobilités des porteurs de charges et en minimisant les instabilités électriques générées par le diélectrique à forte constante. Nous avons ensuite réalisé des transistors, à partir de dérivés d'oligothiophènes et étudié l'impact de la structure moléculaire sur les dispositifs
This work reports on an investigation of the influence of the gate dielectric and the molecular structure of the semiconductor on organic field effect transistors (OFETs) performances. The challenge has been to obtain low voltage, high mobility and stable OFET. Within this context, pentacene based transistors with different gate dielectric materials were realized. We propose a bilayer dielectric, composed by an high-k insulator and a polymeric insulator. This combination give devices working at rather low voltage (15V), while the field effect mobility is improved and the electrical instabilities generated by the high-k dielectric are minimized. In a second part, we have realized transistors, with different oligothiophenes derivatives as active layer and studied the impact of the molecular structure on devices. The addition of hexyls chains and benzothiophene and naphthothiophene groups improves the charge transport. The respective influence of these incorporations are investigated

Ce travail porte sur l'étude du transport de chaleur dans le Silicium cristallin nanostructuré et l’effet de l’amorphisation. La conductivité thermique de diverses nanostructures est calculée à l'aide de deux méthodes numériques : la Dynamique Moléculaire et la résolution de l'équation de transport de Boltzmann par technique Monte Carlo. Les matériaux contenant des nanopores sphériques sont d'abord examinés et l'importance de la densité de surfaces de diffusion est mise en évidence. Puis des nanofilms à pores cylindriques périodiques, souvent appelés cristaux phononiques, sont étudiés. La densité d'états calculée par Dynamique Moléculaire ne montre pas de modifications majeures des propriétés des porteurs de chaleur (phonons). En revanche, les résultats montrent que l'orientation des surfaces, la disposition des pores ou la présence d’une couche de silicium oxydé ou amorphisé peuvent jouer un rôle important pour la dissipation de la chaleur. Ensuite, le transport de chaleur dans les nanofils est étudié, notamment l'évolution radiale de la conductivité thermique. Cette dernière est maximale au centre des nanofils et décroît en s'approchant de la surface du nanofil. Des structures composées de nanofils interconnectés, appelées réseaux de nanofils, sont également étudiées; elles possèdent des conductivités extrêmement basses. Enfin, l'effet de la rugosité et de l'amorphisation des surfaces sur le transport thermique est analysé pour différents types de nanostructures. Ces deux derniers phénomènes contribuent fortement à la réduction de la conductivité thermique, qui peut prendre des valeurs très basses en gardant une fraction cristalline importante. Cela ouvre de nouvelles perspectives pour le contrôle de cette propriété à travers le design des matériaux
This study deals with heat transport in crystalline nanostructured silicon and the impact of amorphization. The thermal conductivity of various nanostructures is computed with two numerical methods: Molecular Dynamics and Monte Carlo resolution of the Boltzmann transport equation. First, materials with spherical nanopores are investigated and the importance of the surface density is highlighted. Then, nanofilms with periodic cylindrical pores, often called phononic crystals, are studied. The density of states computed with Molecular Dynamics does not show major modifications of the heat carriers (phonons) properties. However, results show that the surfaces orientation, the pore distribution and the existence of native oxide or amorphous layers may have an important impact on the thermal conductivity. Then, heat transport in nanowires is studied, in particular the radial evolution of the thermal conductivity. The latter one is maximum at the center of the nanowire and decreases when approaching the nanowire surface. Structures made from interconnected nanowires, called nanowire networks, are also studied; they have an extremely low thermal conductivity. Finally, the impact of the roughness and amorphization of the surfaces on thermal transport is analyzed for different types of nanostructures. The two latter phenomena contribute strongly to the reduction of the thermal conductivity, which can reach very low values while keeping an important crystalline fraction.It opens new perspectives for the control of this property with material designing

Ce travail porte sur l'étude du transport de chaleur dans le Silicium cristallin nanostructuré et l’effet de l’amorphisation. La conductivité thermique de diverses nanostructures est calculée à l'aide de deux méthodes numériques : la Dynamique Moléculaire et la résolution de l'équation de transport de Boltzmann par technique Monte Carlo. Les matériaux contenant des nanopores sphériques sont d'abord examinés et l'importance de la densité de surfaces de diffusion est mise en évidence. Puis des nanofilms à pores cylindriques périodiques, souvent appelés cristaux phononiques, sont étudiés. La densité d'états calculée par Dynamique Moléculaire ne montre pas de modifications majeures des propriétés des porteurs de chaleur (phonons). En revanche, les résultats montrent que l'orientation des surfaces, la disposition des pores ou la présence d’une couche de silicium oxydé ou amorphisé peuvent jouer un rôle important pour la dissipation de la chaleur. Ensuite, le transport de chaleur dans les nanofils est étudié, notamment l'évolution radiale de la conductivité thermique. Cette dernière est maximale au centre des nanofils et décroît en s'approchant de la surface du nanofil. Des structures composées de nanofils interconnectés, appelées réseaux de nanofils, sont également étudiées; elles possèdent des conductivités extrêmement basses. Enfin, l'effet de la rugosité et de l'amorphisation des surfaces sur le transport thermique est analysé pour différents types de nanostructures. Ces deux derniers phénomènes contribuent fortement à la réduction de la conductivité thermique, qui peut prendre des valeurs très basses en gardant une fraction cristalline importante. Cela ouvre de nouvelles perspectives pour le contrôle de cette propriété à travers le design des matériaux
This study deals with heat transport in crystalline nanostructured silicon and the impact of amorphization. The thermal conductivity of various nanostructures is computed with two numerical methods: Molecular Dynamics and Monte Carlo resolution of the Boltzmann transport equation. First, materials with spherical nanopores are investigated and the importance of the surface density is highlighted. Then, nanofilms with periodic cylindrical pores, often called phononic crystals, are studied. The density of states computed with Molecular Dynamics does not show major modifications of the heat carriers (phonons) properties. However, results show that the surfaces orientation, the pore distribution and the existence of native oxide or amorphous layers may have an important impact on the thermal conductivity. Then, heat transport in nanowires is studied, in particular the radial evolution of the thermal conductivity. The latter one is maximum at the center of the nanowire and decreases when approaching the nanowire surface. Structures made from interconnected nanowires, called nanowire networks, are also studied; they have an extremely low thermal conductivity. Finally, the impact of the roughness and amorphization of the surfaces on thermal transport is analyzed for different types of nanostructures. The two latter phenomena contribute strongly to the reduction of the thermal conductivity, which can reach very low values while keeping an important crystalline fraction.It opens new perspectives for the control of this property with material designing

Pour des intérêts technologiques, la compréhension des mécanismes de déformation des nano-structures est essentielle afin d'éviter que la relaxation des contraintes ne génère des défauts aux conséquences parfois catastrophiques. De plus, dans les nano-objets semi-conducteurs, les expériences montrent une transition fragile-ductile qui dépend de la taille des systèmes : ils sont ductiles pour des dimensions inférieures à quelques centaines de nanomètres, fragiles au-delà. Nous avons abordé ce problème via des calculs de dynamique moléculaire pour simuler des tests de déformation de nano-fils, et nous avons choisi le silicium comme prototype de matériau semi-conducteur. Nous avons dans un premier temps analysé des grandeurs mesurables comme les coefficients d'élasticité et la limite d'élasticité en fonction de différents paramètres, et montré notamment que la limite d'élasticité diminue quand la hauteur du nano-fil augmente. L'analyse à l'échelle atomique des systèmes déformés nous a permis de décomposer le comportement global des nano-fils en mécanismes élémentaires ; nous avons ainsi montré que la nucléation d'une première dislocation est à l'origine de l'ensemble des comportements, ductiles et fragiles. Après cette nucléation initiale, le comportement global du nano-fil est déterminé par la compétition entre la nucléation d'autres dislocations et l'ouverture de cavités. Finalement, nous avons essayé d'estimer quantitativement les degrés de ductilité et de fragilité des nano-fils en analysant l'énergie relaxée pendant le régime plastique par ces deux mécanismes élémentaires, et de rationaliser ainsi le rôle de la taille du système sur la transition fragile-ductile
For technological interest, the understanding of the deformation mechanisms at the nano-scale is essential in order to prevent stress relaxation mechanisms that could lead to defects formation and/or to catastrophic failure. Furthermore, recent experimental findings showed in semiconductor nano-objects, a size dependent brittle to ductile transition: they are ductile below a few hundreds of nanometers, brittle above that scale. To investigate this behavior, we have used molecular dynamics as a tool to simulate deformation tests of nanowires and we have used silicon as a prototypical semiconductor material. First we analyzed a number of measurable quantities such as the elasticity coefficients and the elasticity limit with respect to various parameters and we found that the elasticity limit decreases when the length of the nanowire increases. An analysis of the atomic structure of the deformed systems allowed us to decompose the overall mechanical behavior of the nanowires into elementary mechanisms; we thus showed that the nucleation of a first dislocation was systematically at the origin of ductility and brittleness. After the initial dislocation nucleation, the competition between further dislocation nucleation events and cavities opening, determine the overall mechanical behavior of the nanowire. Finally, we tried to estimate quantitatively the degree of ductility and brittleness of the nanowires by analyzing the amount of energy released by those two elementary mechanisms during the plastic regime and we rationalized the role of the size of the deformed systems on the brittle to ductile transition

Les dispositifs à base de semi-conducteurs organiques font l’objet de nombreuses recherches en raison de leurs propriétés électriques uniques. Il existe une forte demande pour des appareils miniatures, en particulier ceux remplissant des fonctions multiples. Ce besoin a attiré une attention particulière sur les dispositifs ambipolaires. Dans cette thèse, nous visons à utiliser des matériaux possédant des densités de porteurs de charge mobiles positives et négatives presque égales pour créer des dispositifs bipolaires (de type p et n) appelés dispositifs ambipolaires. Ce type de dispositif présentant un comportement ambipolaire a le potentiel de remplacer deux dispositifs différents (types p et n) par un seul dispositif ambipolaire, réduisant ainsi la taille du système électrique. De tels dispositifs ambipolaires sont prometteurs pour diverses applications en nanotechnologie, notamment leur déploiement dans des engins spatiaux, des satellites et des appareils électriques quotidiens où la minimisation du poids et de la taille est cruciale.L'étude de dispositifs organiques à hétérojonction sous différents gaz oxydants (NO2 et O3) et réducteurs (NH3) donne un aperçu des propriétés de transport de charge dans ces dispositifs. Initialement, nous avons exploré le potentiel des phtalocyanines de silicium (Cl2-SiPc et (345F)2-SiPc) dans un dispositif à hétérojonction organique bicouche en les combinant avec un matériau moléculaire très conducteur (LuPc2) et étudié leurs propriétés de détection de NH3 pour comprendre l'interaction entre les molécules de gaz et la couche sensible. Grâce à ces connaissances de base, nous avons exploré plus en détail deux complexes originaux de porphyrines à nuages π étendus dans des dispositifs à hétérojonction bicouche et leur réponse à l'ammoniac dans l’obscurité et sous lumière UV. Pour la première fois, nous avons démontré une amplification des propriétés de détection d'un dispositif organique à hétérojonction sous illumination UV.En modifiant le centre métallique des complexes octafluoro-métallophtalocyanines, nous avons observé des comportements ambipolaires dans des dispositifs organiques à hétérojonction. L'inversion de la nature des porteurs de charge majoritaires au sein du dispositif a été réalisée en utilisant des stimuli externes tels que l'humidité et la température, ainsi que la nature des espèces gazeuses. Le dispositif basé sur CoF8Pc change de polarité en fonction de la nature du gaz, tandis que l'inversion de la nature des porteurs de charge majoritaires dans le dispositif basé sur VOF8Pc est obtenue en faisant varier les niveaux d'humidité et la température. Ces dispositifs présentent une bistabilité dans différentes conditions expérimentales. Cependant, obtenir un contrôle précis de l'inversion des porteurs de charge majoritaires, qui détermine la polarité du dispositif, nécessite un stimulus externe approprié et contrôlable, et cela peut dépendre de la composition moléculaire et de l'architecture du dispositif. Il est crucial de mener des études approfondies sur les effets environnementaux tels que les variations d’humidité et de température lorsque l’on travaille avec ce type de dispositifs ambipolaires.Enfin, nous avons également étudié l'influence de la couche supérieure sur la polarité des dispositifs à hétérojonction bicouche. Pour la première fois, nous rapportons la démonstration pionnière de l'inversion de polarité au sein d'un dispositif à hétérojonction, en changeant stratégiquement le substituant en position méso de la porphyrine 5,15-diaryl Ni (II), dont les polymères conjugués sont utilisés comme couches supérieures dans des dispositifs utilisant CuF8Pc comme sous-couche. Dans ce projet, nous nous sommes concentrés sur la compréhension et le développement de dispositifs à hétérojonction organiques unipolaires et ambipolaires basés sur des matériaux moléculaires tels que les phtalocyanines et les porphyrines via des stimuli externes et la détection de gaz
Organic semiconductor-based devices are attracting a wide range of researchers due to their unique electrical properties. In today’s advanced world, there is a high demand for miniature devices, particularly those performing multiple functions. This need has brought special attention to ambipolar devices. In this thesis, we aim to utilize materials possessing nearly equal densities of mobile charge carriers in molecular materials to create bipolar (both p- and n-type) devices known as ambipolar devices. This type of device that exhibits ambipolar behaviour has the potential to replace two different types of devices (p- and n-type) with a single ambipolar device, eventually reducing the size of the electrical system. Such ambipolar devices hold promise for various applications in nanotechnology, including deployment in spacecraft, satellites, and everyday electrical appliances where minimizing weight and size is crucial.The study of organic heterojunction devices under different oxidizing (NO2 and O3) and reducing (NH3) gases provides insight into the charge transport properties in these devices. Initially, we explored the potential of silicon phthalocyanines (Cl2-SiPc and (345F)2-SiPc) in a bilayer organic heterojunction device by combining them with a highly conducting molecular material (LuPc2) and investigated their NH3 sensing properties to understand the interaction between gas molecules and the sensing layer. With this basic knowledge, we further explored two original π-extended conjugated porphyrin complexes in bilayer heterojunction devices and their response to ammonia under both dark and UV light conditions. For the first time, we demonstrated an amplification in the sensing properties of an organic heterojunction device under UV light illumination.By changing the metal centre in octafluoro-metallophthalocyanine complexes, we achieved ambipolar charge transport regimes in organic heterojunction devices. Inversion in the nature of the majority charge carriers within the device was achieved by utilizing external triggers like humidity and temperature, as well as the nature of gas species. The CoF8Pc-based device changed its polarity depending on the nature of the gas species, while the inversion in the nature of majority charge carriers in the VOF8Pc-based device was achieved by varying humidity levels and temperature. These devices exhibit bistability under different experimental conditions. However, achieving precise control over the inversion of majority charge carriers, which determines the device's polarity, requires a suitable and controllable external trigger, and it may depend on the molecular composition and the architecture of the device. It is crucial to conduct comprehensive investigations into environmental effects such as humidity and temperature variations when working with ambipolar devices.Finally, we also studied the influence of the top layer on the polarity of bilayer heterojunction devices. For the first time, we report the pioneering demonstration of polarity inversion within a heterojunction device, by strategically manipulating the meso-substituent of the 5,15-diaryl Ni(II) porphyrin conjugated polymer in the top layer of the devices that contain an ambipolar molecule (CuF8Pc) as sublayer. Globally, in this project, we focused on understanding and developing unipolar and ambipolar organic heterojunction devices based on molecular materials like phthalocyanines and porphyrins through external triggers and gas sensing

Les nanofils (NFs) semiconducteurs suscitent un intérêt croissant depuis ces dix dernières années, aussi bien pour leurs propriétés fondamentales que pour leurs applications potentielles dans de nombreux domaines (électronique, optoélectronique, photonique, photovoltaïque, ...). Par exemple, grâce à leur aptitude à relaxer des contraintes, ils présentent une nouvelle voie pour l'intégration monolithique des matériaux semiconducteurs III-V sur le substrat de Silicium. C'est dans ce contexte que s'est déroulée cette thèse axée sur la croissance de NFs d'InP sur Silicium par la technique d'épitaxie EJM en mode VLS (pour Vapeur-Liquide-Solide). Nous avons étudié les mécanismes de croissance VLS de ces NFs et comparé nos résultats expérimentaux à des modèles théoriques. Nous avons plus particulièrement décrit la forme, la direction de croissance, la nature des facettes et les propriétés structurales des NFs d'InP, en fonction des conditions de croissance, en particulier du rapport V/III. Nous avons aussi étudié la croissance de NFs d'InP sur une surface de SrTiO3 qui vise à l'obtention de NFs verticaux sur Si(001). Nous avons enfin abordé d'autres aspects nécessaires pour l'intégration de tels NFs dans des composants actifs, comme la croissance d'héterostructures axiale, le dopage ou encore la localisation spatiale de ces NFs.

Pour la fabrication des transistors hyperfréquences de puissance à base de nitrures, l’alliage InAlN est considéré comme une meilleure barrière qu’AlGaN grâce à l’accord de maille pour une composition en indium voisine de 18 %. Ainsi le gaz d'électrons à deux dimensions (2DEG) est-il généré seulement par la polarisation spontanée dans une hétérointerface InAlN/GaN sans contrainte résiduelle pour une fabrication de transistors aux performances optimales. Cependant, durant sa croissance sur GaN, sa qualité cristalline se dégrade avec l’épaisseur et il se forme des défauts V au niveau de l’interface. Afin de déterminer les sources de ce comportement, nous avons mené une étude théorique par dynamique moléculaire et techniques ab initio pour analyser la stabilité et les propriétés des alliages des composés nitrures en nous focalisant particulièrement sur InAlN. L’analyse des diagrammes de phase a permis de montrer que cet alliage présente une large gamme d’instabilité en composition d’indium et un comportement différent d’InGaN sous compression avec une instabilité amplifiée sous forte pression. En déterminant la stabilité énergétique de la lacune d’azote en interaction avec l’indium, nous avons montré que ce défaut ponctuel autour duquel des atomes d’indium tendent à retrouver une longueur de liaison voisine de celle dans InN pouvait être un catalyseur pour la formation de clusters dans cet alliage. Ces clusters d’InN introduisent des niveaux donneurs profonds dans la bande interdite. En ce qui concerne les dislocations traversantes, nos résultats montrent qu’elles auront aussi tendance à capturer des atomes d’indium dans leur cœur pour minimiser leur énergie. Ainsi nous avons pu apporter les bases théoriques qui montrent que la lacune d’azote participe à la dégradation spontanée des couches d’InAlN et que les dislocations traversantes sont amenées à y participer en attirant les atomes d’indium et donc en renforçant la séparation de phase en leur voisinage
For the fabrication of nitride-based power microwave transistors, the InAlN alloy is considered to be a better barrier than AlGaN thanks to the lattice match with GaN for an indium composition around 18%. Thus the two-dimensional electron gas (2DEG) is generated only by the spontaneous polarization at the AlInN/GaN heterointerface for a production of highest performance transistors. However, during its growth on GaN, its crystalline quality deteriorates with the thickness and V-defects are formed at the layer surface. To determine the sources of this behavior, we carried out a theoretical study by molecular dynamics and ab initio techniques to analyze the stability and the properties of alloys of nitride compounds, focusing particularly on InAlN. The analysis of the phase diagrams showed that this alloy has a wide zone of instability versus the indium composition and a different behavior with InGaN with amplified instability under high compressive strain. By determining the energetic stability of the nitrogen vacancy could be catalyst for forming clusters in this alloy. These InN clusters introduce deep donor levels inside the band gap. With regard to treading dislocations, our results show that they will also tend to capture indium atoms in their cores in order to minimize their energy. Thus, we have been able to provide a theoretical basis that show that the nitrogen vacancy participates in the spontaneous degradation of the AlInN layers and that the threading dislocations participate by attracting the indium atoms and thus reinforcing the separation of phase in their vicinity

L’objectif de cette thèse a consisté à développer des systèmes moléculaires capables de convertir l’énergie solaire en des formes directement utilisables par l’Homme : l’énergie chimique et l’énergie électrique. Les deux premiers chapitres décrivent la conception et la synthèse de systèmes moléculaires artificiels en vue de reproduire la fonction de photoaccumulation de charges de l’appareil photosynthétique naturel. Pour accomplir cela, notre stratégie, inspirée de celle de la Nature, a consisté en la synthèse d’un édifice moléculaire de structure étoilée, composé de plusieurs antennes moléculaires (photosensibilisateurs) liés de façon covalente à un accepteur d’électrons organique capable d’accueillir deux charges négatives sous illumination. A cet accepteur a ensuite été substitué un catalyseur de réduction des protons en hydrogène, dans le but de générer une production d’hydrogène sous un flux lumineux, à l’instar du complexe d’oxydation de l’eau de l’appareil photosynthétique naturel. Les deux derniers chapitres présentent le développement d’une méthode de stabilisation des systèmes moléculaires à la surface des semi-conducteurs, dans la cadre de la conception de cellules photovoltaïques hybrides à colorant. En vue d’améliorer les performances de celles-ci, ces travaux ont consisté en la synthèse de colorants fonctionnalisés faisant l’objet d’un procédé de réticulation après chimisorption sur un semi-conducteur, offrant ainsi de nouvelles perspectives en termes de stabilité et de durée de vie des cellules
The aim of this thesis concerns the development of new photomolecular systems to convert solar energy into chemical and electrical energy. The first two chapters involve the synthesis of new molecular materials to mimic the charge photoaccumulation function of oxygenic photosynthesis. Our strategy consists in the synthesis of a star-shaped molecular architecture, composed of several molecular antenna (photosensitizers) covalently bound to an organic electron acceptor, which is able to host two negative charges upon illumination. To this acceptor has been substituted a proton reduction catalyst in order to generate a hydrogen production under a light irradiation, as the oxygen-evolving complex in the natural photosynthetic. The last two chapters describe the development of a stabilization approach of molecular systems at a semiconductor surface, in the context of the conception of dye-sensitized solar cells. In order to improve their performances, this work has consisted in the synthesis of functionalized dyes which were subjected to a reticulation process after chemisorption onto a semiconductor, providing new perspectives in terms of interface stability and solar cells lifetime

Le travail présenté dans ce manuscrit porte d'une part sur la synthèse, la caractérisation et l'incorporation dans des prototypes de cellules solaires de systèmes conjugués organiques et d'autres part sur l'obtention d'analogues thiophéniques du Spirobi(fluorène). En premier lieu, deux séries de composés donneur-accepteur-donneur (D-A-D) et donneur-accepteur (D-A) à base de triarylamine ont été synthétisés, caractérisés et incorporés en tant que matériaux donneurs dans des dispositifs photovoltaïques. Afin de moduler les propriétés électroniques et optiques des composés, des modifications de la nature du donneur, de l'accepteur ainsi que du chemin de conjugaison ont été effectuées. La seconde partie du travail, plus exploratoire, est axée sur la synthèse d'analogues du Spirobi(fluorène) dans lesquels deux phényles sont remplacés par des thiophènes. Après expérimentation, trois méthodologies semblent permettre l'obtention de synthons intéressants avec des rendements suffisants pour une future exploitation. Ces systèmes pourraient en particulier faciliter la fonctionnalisation dissymétrique des cycles (hétéro)aromatiques.

Les premières phases de la croissance à température ambiante (TA) et 400°C des deux hétérostructures Si/Ge(001) et Ge/Si(001) ont été étudiées par des techniques de surface comme la spectroscopie de photoélectrons X(XPS) et UV(UPS) et la diffraction d'électrons lents (LEED). Un effort particulier a été fait pour développer la dernière née des méthodes d'investigations structurales dérivée de l'XPS à savoir la diffraction de photoélectrons X(XPD). L'analyse fine de l'émergence des signatures XFD et la mesure des contrastes sur les pics de diffusion vers l'avant en fonction du recouvrement, apportent des renseignements précis concernant l'empilement des atomes dans les couches et donc les modes de croissance initiaux. En second lieu, nous avons élaboré par voie MBE des hétérostructures d'alliages Si1-xGex sur Si(001) pour x faible et Si1-xGex sur Ge(001) pour x fort. Ces couches ont été fabriquées à 400°C par co-évaporation et analysées in situ par XPS, UPS, LEED et par XPD, avant d'être analysées ex situ par XRD, RBS, Raman dans le cadre de différentes collaborations. La conjonction de ces caractérisations ex situ avec nos études de surface in situ, nous a permis de déterminer la qualité cristallographique, la composition en Ge et l'état de contrainte de ces alliages Si1-xGex. La terminaison de surface de ces alliages Si1-xGex a été sondée in situ par des expériences de nitruration initiale qui ont revélé une forte ségrégation du Ge à la surface de ceux-ci. En troisième lieu, des résultats exploratoires sont présentés sur la nitruration thermique des alliages Si1-xGex soulignant la sélectivité de nitruration thermique entre Si et Ge. Contrairement au processus thermique, la nitruration assistée par plasma permet d'obtenir une nitruration simultanée des deux éléments de l'alliage

Cette thèse rapporte le développement d’un nouveau montage expérimental pour la spectroscopie Térahertz basé sur une source de rayonnement réalisant la différence de fréquences, sur un substrat AsGa, de deux lasers émettant vers 820 nm pour générer du rayonnement infrarouge lointain. Ce montage s’inscrit dans le courant d’intérêt récent pour les possibilités du rayonnement Térahertz vues dans un premier chapitre. Le second chapitre s’intéresse à la génération de rayonnement par différence de fréquences sur un élément semi-conducteur et à son utilisation pour la spectroscopie. L’obtention d’une large accordabilité du rayonnement généré de cette manière s’appuie sur un système de modulateurs acoustooptiques en double passage. Le troisième chapitre s’attache à la stabilisation des sources infrarouges par une méthode Pound-Drever-Hall utilisant une cavité de haute finesse pour obtenir un rayonnement Térahertz généré de grande pureté spectrale. Enfin, le spectromètre mis en place a été caractérisé par des mesures du spectre du chlorure de méthyle et utilisé dans une étude exploratoire du paramètre d’élargissement collisionnel de raies de l’eau par N2, O2 et l’air
This thesis reports on the construction of a new experimental set up for Terahertz spectroscopy based on the generation of the frequency difference of two near infrared laser diodes at 820nm on a GaAs substrate device. The first chapter describes the renewal of the interest for T-rays. The second chapter treats the FIR generation by frequency difference on the GaAs semiconductor device and its uses for spectroscopy. The broad tunability of this Far Infrared radiation obtained by double-pass acousto-optic modulators setup is also seen. The third chapter discusses about stabilisation of infrared sources by the Pound-Drever-Hall method using a high finesse cavity to generate a high spectral purity of the FIR emission. Finally, the spectrometer is characterised by measurements of the rotationnal spectrum of methyl-chloride and used in a primary study of the broadening parameter of water lines by N2, O2 and air