Academic literature on the topic 'Nanofils III-N'

Introduction Acetone in exhaled breath is a biomarker of diabetes. However, since it is a very stable substance, its detection by chemical sensors has been a challenging task. Alloy nanoparticles have attracted great attention because of their great catalytic performance, and it has been reported that the response to acetone can be improved by functionalizing oxide semiconductors (In2O3) with PtAu nanoparticles [1]. However, the mechanism of better response to acetone has not been fully understood, which is partly because the effects of alloying and supporting materials cannot be separated in the composite material systems. In this study, we demonstrate that PtAu-alloy nanofilms, where the effect of supporting materials is eliminated, show a greater response to acetone than Pt nanofilms. Furthermore, the impact of alloying on sensing performance was studied by high-throughput atomistic simulation with neural network potentials. Method First, we fabricated Pt and PtAu nanofilm sensors. As the Pt and PtAu nanofilms, Pt and Pt/Au were deposited, respectively, by electron beam evaporation method. The thickness of Pt film is 3 nm, whereas Pt/Au thicknesses are 2.5 nm/0.5 nm. The electrodes consisted of 40-nm Pt and 40-nm Au layers, and they were annealed in N2 ambient for 1 hour at 300 oC. XRD measurements were performed to evaluate the alloy states for three samples: Pt (20nm), Au (20 nm), and PtAu (18 nm). The PtAu film for XRD was fabricated by repeating sequential depositions of 5-nm Pt and 1-nm Au three times. All the films were annealed for 1 hour at 300 oC in N2 ambient. The sensor responses to acetone were evaluated by measuring the resistance of Pt and PtAu at 260 oC under the following sequences. i) Dry air (15 min) ii) 1-ppm acetone in dry air (2 min) iii) Dry air (3 min) We applied DC current of 100 µA and the voltage difference between the terminals were measured. To examine the factors that contribute to the difference in sensing performance of PtAu and Pt nanofilms, we calculated the reaction pathway using the nudged elastic band method. All calculations were carried out with PFP version 2.0.0 on Matlantis [2]. DFT-D3 was used to describe the van der Waals interaction [3]. Results Pt, Au, and PtAu samples showed (111) peaks in the XRD analysis. The position of (111) peak of PtAu located between those of Pt and Au peaks, suggesting that PtAu was successfully alloyed. By applying the Vegard’s law, the composition of PtAu was determined to be 0.823:0.177, which is consistent with the thickness ratio. When acetone was exposed, the resistance of the devices decreased. The response of PtAu to acetone was greater than that of Pt. In addition, the responses of Pt and PtAu devices were proportional to the square root of the concentration of acetone. The limit of detections (LOD) determined by 3σ method were 76 ppb for Pt and 14 ppb for PtAu. Discussion We considered that H atoms introduced by CH dissociation of acetone prevent the adsorption of oxygens from the atmosphere and reduce the surface scattering of electrons, leading to a decrease in the resistance of Pt nanofilms. The Nudged Elastic Band method was used to calculate the activation energy of CH dissociation of acetone on the surface of Pt and PtAu. PtAu slab was prepared by replacing Pt atoms partly with Au atoms. The calculations showed that the activation energy for PtAu was 64-meV lower than that of Pt. In the transition state, the dissociated H atom stayed at the bridge site of Pt. When Pt atoms are substituted with Au atoms, the distance between Pt’s at the bridge site expands due to the large lattice constant of Au. As a result, the transition state became more stable on PtAu surface than on Pt surface. In fact, we confirmed that the activation energy was lowered as the Pt-Pt distance increased. Conclusion We demonstrated, for the first time, that PtAu nanofilm sensors show a greater response to acetone than Pt nanofilm. The atomic simulation demonstrated that the dehydrogenation of methyl group of acetone is the fundamental mechanism of the acetone sensing, and that the lattice expansion induced by replacing Pt with Au contributed to stabilize the transition state and to reduce the activation energy. Further optimization of the alloy composition should be essential to achieve a more highly sensitive acetone sensor. References [1] N. Sui, et al., ACS Sens. 7, 2178-2187 (2022). [2] S. Takamoto, et al., Nat. Commun. 13, 2991 (2022). [3] S. Grimme, et al., J. Chem. Phys. 2010, 132, (2010).

The present work describes the development of an electrochemical sensor for the simultaneous determination of Pd-Rh and Pt-Rh complexes using a bismuth-silver bimetallic nanofilm modified glassy carbon electrode. The electrochemical sensor was prepared by drop-casting bismuth-silver bimetallic nanoparticles on to glassy carbon electrode surfaces. The HRTEM microscopy and UV-Vis spectroscopy results of the bismuth-silver nanoparticles were compared with other work in literature. The developed nanosensor exhibited a linear working range of 0.4 - 1.4 ng/L for Pd-Rh and 0.8-1.2 ng/L for Pt-Rh DMG complexes, respectively. Very low detection limits (S/N = 3) of 0.19 ng/L for Pd (II), 0.2 ng/L Pt (II) and 0.22 ng/L for Rh (III) were obtained and the sensor was successfully applied to environmental samples.

GaN nanostructures are promising for a broad range of applications due to their 3D structure, thereby exposing non-polar crystal surfaces. The nature of the exposed crystal facets, i.e., whether they are a-, m-plane, or of mixed orientation, impacts the stability and performance of GaN nanostructure-based devices. In this context, it is of great interest to control the formation of well-defined side facets. Here, we show that we can control the crystal facet formation at the nanowire sidewalls by tuning the III–V ratio during selective area growth by molecular beam epitaxy. Especially, the N flux serves as a tool for controlling the growth kinetics. In addition, we demonstrate the growth of GaN nanofins with either a- or m-plane side facets. Based on our observations, we present the underlying nanostructure growth mechanisms. Low temperature photoluminescence measurements show a correlation of the formation of structural defects like stacking faults with the growth kinetics. This article demonstrates the controlled selective epitaxy of GaN nanostructures with defined crystal side facets on large-scale available AlN substrates.

Les nanofils (NW) sont des blocs de construction prometteurs pour les futures architectures optoélectroniques nécessitant une miniaturisation avancée. La relaxation des contraintes, la sensibilité de surface élevée et les propriétés optiques de ces structures apportent des propriétés intéressantes par rapport à des couches bidimensionnelles classiques. Les NW sont également une plateforme potentielle pour étudier les phénomènes quantiques. En pensant aux boîtes quantiques (QD) intégrés dans les NW, il est facile de contrôler leur emplacement, leur taille et leur densité et de synthétiser des QD de haute qualité cristalline en raison de la relaxation de déformation élastique à la surface du NW. Tous les NW étudiés dans ce projet étaient des NW de nitrures d'éléments III crus par épitaxie par jet moléculaire assistée par plasma.Pour étudier les phénomènes quantiques et à l'échelle nanométrique, il est crucial d'analyser le même objet avec une approche multi-technique. Dans le cadre de ce projet, cet objectif est atteint grâce à la fabrication de puces à membrane Si3N4 compatibles avec la microscopie électronique à transmission (TEM). Les NW sont placés et contacté sur ces membranes avant la caractérisation. Les résultats des mesures électriques, de photocourant, de micro-photoluminescence (µPL) et de TEM à balayage sont corrélés et comparés aux calculs théoriques.En vue de l’utilisation des NW comme photodétecteurs, nous avons étudié une conception de NW incorporant un super-réseau axial GaN / AlN. La présence de l'hétérosturucture entraîne une réduction du courant d'obscurité et une augmentation du photocourant sous excitation ultraviolette. Les dimensions et le profil de dopage de l’hétérostructure ont également été conçus de manière à ce que l’application d’une polarisation entraîne une amélioration de la collection de porteurs photogénérés provenant soit du super-réseau GaN / AlN soit de la base de GaN. Ainsi, les dispositifs affichent une réponse améliorée dans les fenêtres spectrales ultraviolettes B (~ 280-330 nm) / A (~ 330-360 nm) sous polarisation positive / négative.D'autre part, la linéarité de la réponse du photodétecteur en fonction de la puissance optique incidente est cruciale pour la quantification de la lumière entrante. Cependant, il a été démontré que dans de nombreux systèmes matériels les détecteurs à NW ont une réponse sous-linéaire. Dans ce travail, nous avons montré qu’une dépendance linéaire peut être obtenue dans les NW avec une insertion AlN / GaN / AlN si leur diamètre est inférieur à une valeur critique, ce qui correspond à la déplétion totale du NW en raison de l'ancrage du niveau de Fermi sur les parois latérales. Dans le cas des NW qui ne sont que partiellement déplétés, leur non-linéarité s'explique par une variation non linéaire du diamètre de leur canal conducteur central sous illumination.Enfin, la manipulation du champ électrique dans un QD est importante pour des applications potentielles et pour comprendre en détail leurs propriétés électroniques. Dans ce projet, nous avons étudié l’accordabilité spectrale de l’émission d’un QD AlN / GaN / AlN dans un NW de GaN par application de tensions externes. Les mesures de µPL sur des NW uniques contactés électriquement ont montré une seule ligne d'émission dans la région spectrale allant de 283 nm à 321 nm (en fonction de la taille de la boîte), qui se décale à une vitesse de 1,0 nm / V sous application d’une tension externe. L'émission se décale vers le bleu lorsque le champ électrique externe compense le champ électrique interne généré par la polarisation spontanée et piézoélectrique. Dans les petits QD, nous avons observé une commutation spectrale de l'émission sous tension, qui est attribuée au passage de l'exciton à d'autres états chargés. La corrélation entre TEM, µPL et les calculs théoriques montrent que la base et le sommet des NW sont très conducteurs et que la tension appliquée chute aux bords de l'hétérostructure AlN / GaN / AlN
Nanowires (NWs) are promising building blocks for future optoelectronic architectures requiring advanced miniaturization. The strain relaxation, high surface sensitivity and optical properties of these structures bring additional advantages over traditional two-dimensional designs. NWs are also a potential platform to study quantum phenomena. Considering quantum dots (QDs) embedded in NWs, the QD location, size and density can be easily controlled, and QDs with high crystalline quality can be synthesized due to elastic strain relaxation at the surfaces of the NW. All NWs studied in this project were III-nitride NWs grown by plasma-assisted molecular-beam epitaxy.For the study of quantum and nano-scale phenomena it is crucial to analyze the same object with a multi-technique approach. In this project, this is achieved through the fabrication of Si3N4 membrane chips compatible with transmission electron microscopy (TEM). The NWs are placed and contacted on these membranes prior to characterization. Results of electrical, photocurrent, micro-photoluminescence (µPL) and scanning TEM measurements are correlated and compared with theoretical calculations.In view of the application of NWs as photodetectors, we studied a NW design incorporating an axial GaN/AlN superlattice. The presence of the heterostructure results in reduced dark current and enhancement of the photocurrent under ultraviolet excitation. The heterostructure dimensions and doping profile were likewise designed in such a way that the application of positive or negative bias leads to an enhancement of the collection of photogenerated carriers from the GaN/AlN superlattice or from the GaN base, respectively. Thus, the devices display enhanced response in the ultraviolet B (~ 280-330 nm) / A (~ 330-360 nm) spectral windows under positive/ negative bias.On the other hand, the linearity of the photodetector response as a function of the incident optical power is crucial for the quantification of the incoming light. NWs of many material systems, however, were shown to have a sublinear dependence on impinging light. In this work, we showed that a linear dependence can be achieved in NWs with an AlN/GaN/AlN insertion if they are below a critical diameter, which corresponds to the total depletion of the NW due to the Fermi level pinning at the sidewalls. In the case of NWs that are only partially depleted, their nonlinearity is explained by a nonlinear variation of the diameter of their central conducting channel under illumination.Finally, the manipulation of the electric field in a QD is important for potential application and in-depth understanding of their electronic properties. In this project, we studied the spectral tunability of the emission of an AlN/GaN/AlN QD in a GaN NW by application of external bias. Measurements of µPL on contacted single NWs showed a single emission line in the spectral region from 283 nm to 321 nm (depending on the dot size), which shifts with bias at a rate of 1.0 nm/V. It blue shifts when the external electric field compensates the internal electric field generated by the spontaneous and piezoelectric polarization. In small QDs, we observed a spectral switch of the emission with bias, which is attributed to the transition of the exciton to other charged states. Correlation of TEM, µPL and theoretical calculations show that the NW stem and cap are highly conductive, and the applied voltage drops at the edges of the AlN/GaN/AlN heterostructure

La nanopiézotronique est un nouveau domaine de recherche qui contribue au progrès croissant des récupérateurs d’énergie et de l’électronique intelligente. Ces applications bénéficient désormais de sa possibilité de conversion de petits mouvements mécaniques en énergie électrique. Les fondements de la nanopiézotronique reposent sur la coexistence de propriétés piézoélectriques et semi-conductrices de nano-objets ayant une structure cristalline non centrosymétriques tels que les semi-conducteurs III-N ou II-V. Les nanofils III-N avec leur aspect de forme élevé ont en particulier été proposés comme une brique élémentaire prometteuse pour cette recherche émergente.Néanmoins, le mécanisme qui régit la conversion d'énergie mécanique en électricité doit être clarifié dans le cas de la nanopiézotronique. L'origine du signal électrique de nanofils isolés détecté par la microscopie à balayage de force en mode conducteur était encore sujette à débat: s'agissait-il d'un effet piézoélectrique ou plutôt d'artefacts de mesure ? De plus, l’existence de coefficients piézoélectriques pour les nanofils de GaN ayant des valeurs supérieures à celles du massif était à vérifier, cette piezoélectricité géante pouvant résulter d'une mauvaise interprétation de la mesure.Ce travail de thèse est centré sur une compréhension approfondie de l’effet piézoélectrique dans les nanofils III-N.Cette compréhension demeure essentiel pour la nanopiézotronique. Dans ce but, plusieurs modes de la microscopie en champ proche tels que la microscopie à force de Kelvin (KPFM), la microscopie à force piézoélectrique (PFM) et la microscopie à balayage de force en mode conducteur (C-SFM) ont été utilisés pour sonder localement la piézoélectricité directe et inverse, ainsi que d’autres paramètres jouant un rôle important sur le potentiel piézoélectrique dans les nanofils III-N. Différentes configurations de dispositifs et plusieurs types d’électronique ont aussi été appliqués.Nos mesures, associées à des simulations par éléments finis, révèlent que les coefficients piézoélectriques dans les nanofils de III-N sont similaires à ceux des massifs et qu’aucun effet piézoélectrique géant n’a été observé.Les analyses des charges libres et des charges liées suggèrent aussi que l’effet des charges piézo-électriques devrait être indétectable, même avec les électroniques les plus sensibles. Enfin, il s'avère que le signal électrique obtenu par C-SFM sur des nanofils uniques de III-N est plutôt lié au courant traversant le nanofil et celui-ci est souvent généré par une mauvaise référence de masse du dispositif instrumental. Les résultats de ce travail mettent ainsi en évidence les divers paramètres dont il faut tenir compte dans les semi-conducteurs de III-N avant d'attribuer leur réponse mécanique ou électrique à un effet piézoélectrique. Ces signaux peuvent être potentiellement causés par le système de détection, des artefacts de mesure et l’environnement, conduisant facilement à leur mauvaise interprétation
Nanopiezotronics is a recent field which has increasingly contributed to a progress of smart electronics and energy harvesters that benefits from a conversion of small mechanical movements into electrical energy. Its foundation relies on the coexisting of piezoelectric and semiconducting properties in nano-objects based on non-centrosymmetric semiconductors such as III-N or II-V. Lately, III-N nanowires with their high aspect ratio have been proposed as a promising building block for this emerging research.Nevertheless, the key mechanism in nanopiezotronics that governs a mechanical-to-electrical energy conversion must be clarified. The origin of the electrical signal from single nanowires detected by conductive scanning force microscopy was still under debate, whether it originates from piezoelectric effect or rather measurement artefacts.In addition, the reports of larger piezo-coefficients than bulk values in GaN nanowires need to be verified as it possibly results from the measurement misinterpretation.This PhD work is focused on in-depth understanding of the piezoelectric effect in III-N nanowires which is a critical issue for nanopiezotronics. For this purpose, several scanning force microscopy modes such as Kelvin probe force microscopy, piezoresponse force microscopy, conducting scanning force microscopy were performedto locally probe direct and reverse piezoelectricity including other parameters that play an important role on the piezo-potential generation. Various device configurations and different electronic setups were applied.The experimental results together with finite element simulations, reveal that the piezo-coefficients of III-N nanowires are similar to those of bulk, and no giant piezoelectric effect was observed. The analyses of free and bound charges suggest that the effect of the piezo-charges should be undetectable even with highest sensitive electronics. Besides, the electrical signal found in single nanowires by conductive-scanning force microscopy is rather related to the current passing through the nanowires which is often generated by an unappropriated grounded setup. The outcome of this work point out various parameters in piezoelectric semiconductor nanowires that must be taken into account before attributing their mechanical or electrical response to the piezoelectric effect. Those signals can be potentially caused by the detection setup itself, the measurement artefacts and the environments, resulting in the misinterpretations of the signal origins

Ce travail de thèse s'intéresse aux propriétés structurales et optiques de semiconducteurs à grand gap de nitrure d'éléments III (AlxGa1-xN et h-BN), émettant dans l'ultraviolet (4-6 eV). Les propriétés des nano-objets étant modifiées par la réduction de dimensionnalité, un point central de ce travail a consisté à étudier des nanostructures de ces matériaux (nanofils d'AlN et d'AlxGa1-xN, nanotubes et nanofeuillets de BN). Un soin particulier a aussi été apporté à la corrélation à l'échelle nanométrique, entre la structure et la luminescence. Dans un premier temps, les nanofils d'AlxGa1-xN ont été synthétisés par épitaxie par jets moléculaires, sur des nanofils de GaN afin de promouvoir la croissance de nanostructures 1D non coalescées. Nous montrons que le gallium s'incorpore difficilement, aboutissant à des nanofils d'un alliage fortement inhomogène à plusieurs échelles (du nanomètre à la centaine de nanomètres). Ces inhomogénéités influencent grandement les propriétés optiques, dominées par des états localisés. L'ensemble des résultats nous a permis de proposer un mécanisme de croissance de ces nanofils. Dans un deuxième temps, les propriétés des nanostructures de BN ont été comparées à celles du matériau massif (le BN hexagonal). Nous montrons que jusqu’à 6 couches les nanofeuillets présentent une luminescence similaire au h-BN. Cela indique une faible influence de la réduction de dimensionnalité dans le h-BN, contrairement aux nanofils des autres nitrures. Enfin, nous montrons que les principaux nanotubes étudiés dans ce travail, multiparois, présentent une structure complexe, microfacettée, et que les défauts sont probablement responsables de la luminescence observée
This work focuses on structural and optical properties of III-nitrides wide-band gap semiconductors (AlxGa1-xN and h-BN), emitting in the ultraviolet range (4-6 eV). Nano-objects properties being modified by dimensional reduction, this work was mostly focused on the study of nanostructures of these materials (AlN and AlxGa1-xN nanowires, BN nanotubes and nanosheets). Careful search for correlation between their structure and luminescence has also been carried out. Concerning AlxGa1-xN materials, nanowires have been grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy. The use of GaN nanowires bases has allowed us to promote the growth of non-coalesced 1D AlxGa1-xN nanostructures. We have shown that the incorporation of gallium is very temperature-dependent, giving rise to nanowires made of a highly inhomogeneous alloy at several scales (from nanometer to a hundred nanometers). These inhomogeneities strongly influence the optical properties, dominated by localized states. Altogether these results allow us to propose a growth mechanism of these nanowires. Concerning BN materials, comparison of the properties of nanostructures with those of the bulk material (hexagonal BN) has been carried out. After that h-BN bulk has been further investigated, we have revealed that nanosheets with more than 6 monolayers present a luminescence similar to h-BN. This indicates a low influence of dimensional reduction in h-BN, contrary to the case of nanowires made of other nitrides. Finally we have shown that the main nanotubes investigated in this work, which are multiwall, have a complex structure that is micro-faceted, and that the defects are likely responsible of the observed luminescence

Étant donné leurs propriétés physiques structurales et optoélectroniques très prometteuses, une attention particulière a été accordée aux semiconducteurs d’éléments III-V. L’utilisation des nitrures de géométrie 1D, les micro et nanofils, permet de répondre aux défis relatifs aux difficultés rencontrés lors de la croissance des couches 2D InGaN engendrées par le désaccord de maille entre substrat et matériau à élaborer, la ségrégation d’indium et le manque de substrat adéquats et à bas coût pour la croissance épitaxiale. Dans ce contexte, ce travail de thèse présente pour la première fois une étude de la croissance de micro et nanofils (In,Ga)N par épitaxie en phase vapeur par la méthode aux hydrures (HVPE). L’objectif de ce travail de thèse est de contrôler la composition, la morphologie et l’homogénéité des micro et nanofils InGaN élaborés par voie sélective SAG (pour selective area growth en anglais). Afin d’atteindre cet objectif, il est important d’étudier la croissance sélective des deux binaires d’InGaN qui sont le GaN et l’InN. Dans un premier temps, nous avons alors effectué une étude de la phase vapeur afin de fixer les conditions optimisées dans le cadre de ma thèse pour la croissance sélective des micro et nanofils GaN et InN. La croissance sélective des nanofils GaN est aussi montré pour la première fois par HVPE. L’effet des paramètres expérimentaux sur la croissance sélective des structures GaN et InN ont été ainsi discutés. La deuxième partie de ce travail de thèse est consacrée à la croissance sélective des micro et nanofils InGaN sur substrat de GaN/saphir par HVPE. Nous avons démontré qu’il est possible de contrôler la compositions en indium dans les nanofils InGaN en modifiant les conditions de croissance expérimentales et spécialement les pressions partielles des gaz utilisés. Des analyses EDS réalisées sur des nanofils élaborés par HVPE sous différentes conditions de phase vapeur ont montré des compositions allant de 0 à 100% en indium. Dans le but d’étudier les propriétés optiques des nanofils InGaN, des mesures en PL ont été effectuées
Given their very promising structural and optoelectronic physical properties, special attention has been given to III-V element semiconductors. The use of nitrides with 1D geometry, micro and nanowires, allows to address the challenges related to the difficulties encountered during the growth of 2D InGaN layers caused by the lattice mismatch between substrate and material to be grown, indium segregation and the lack of suitable and low cost substrates for epitaxial growth. In this context, this thesis presents for the first time a study of the growth of (In,Ga)N micro and nanowires by the hydride vapor phase epitaxy (HVPE) method. The objective of this thesis is to control the composition, morphology and homogeneity of InGaN micro and nanowires grown by selective area growth (SAG). In order to achieve this objective, it is important to study the selective growth of the two InGaN binaries which are GaN and InN. As a first step, we then performed a vapor phase study in order to set the conditions optimized in my thesis for the selective growth of GaN and InN micro and nanowires. The selective growth of GaN nanowires is also shown for the first time by HVPE. The effect of experimental parameters on the selective growth of GaN and InN structures have been discussed. The second part of this thesis is devoted to the selective growth of InGaN micro and nanowires on GaN/sapphire substrate by HVPE. We have demonstrated that it is possible to control the indium composition in InGaN nanowires by modifying the experimental growth conditions and especially the partial pressures of the gases used. EDS analyses performed on HVPE grown nanowires under different vapor phase conditions showed compositions ranging from 0 to 100% indium. In order to study the optical properties of InGaN nanowires, PL measurements were performed

Ce travail de thèse s'intéresse aux propriétés structurales et optiques de semiconducteurs à grand gap de nitrure d'éléments III (AlxGa1-xN et h-BN), émettant dans l'ultraviolet (4-6 eV). Les propriétés des nano-objets étant modifiées par la réduction de dimensionnalité, un point central de ce travail a consisté à étudier des nanostructures de ces matériaux (nanofils d'AlN et d'AlxGa1-xN, nanotubes et nanofeuillets de BN). Un soin particulier a aussi été apporté à la corrélation à l'échelle nanométrique, entre la structure et la luminescence. Dans un premier temps, les nanofils d'AlxGa1-xN ont été synthétisés par épitaxie par jets moléculaires, sur des nanofils de GaN afin de promouvoir la croissance de nanostructures 1D non coalescées. Nous montrons que le gallium s'incorpore difficilement, aboutissant à des nanofils d'un alliage fortement inhomogène à plusieurs échelles (de l'unité à la centaine de nanomètre). Ces inhomogénéités influencent grandement les propriétés optiques, dominées par des états localisés. L'ensemble des résultats nous a permis de proposer un mécanisme de croissance de ces nanofils. Dans un deuxième temps, les propriétés des nanostructures de BN ont été comparées à celles du matériau massif (le BN hexagonal). Nous montrons que jusqu'à 6 couches les nanofeuillets présentent une luminescence similaire au h-BN. Cela indique une faible influence de la réduction de dimensionnalité dans le h-BN, contrairement aux nanostructures de GaN ou d'AlN. Enfin, nous montrons que les principaux nanotubes étudiés dans ce travail, multiparois, présentent une structure complexe, micro-facettée, et que les défauts sont probablement responsables de la luminescence observée.

Le travail illustré par ce manuscrit de thèse présente l'étude structurale d'hétéro-structures semi-conductrices à base de nitrures d'éléments III avec l'un des outils les plus puissants de la recherche scientifique: le rayonnement synchrotron. La cartographie haute résolution de l'espace réciproque, la diffraction anomale multi-longueur d'onde, la spectroscopie d'absorption X et la spectroscopie en condition de diffraction nous ont permis de caractériser la structure à l'échelle atomique de différentes régions d'un même système. Dans un premier temps, nous montrons que les nanofils GaN sur Si(111) ont une polarité N et proposons un mécanisme de nucléation. Dans un second temps, nous mettons en évidence un phénomène d'inter-diffusion stimulée par la contrainte dans les boîtes quantiques GaN / AlN recuites à haute température. Enfin, nous observons la présence d'un ordre local à courte distance dans les nanofils coeur-coquille InGaN / GaN. Cette organisation atomique pourrait être induite par la présence de contrainte, nous avons initié une étude de l'anisotropie de l'ordre à courte distance pour explorer cette hypothèse.

Une sonde électrostatique de Langmuir cylindrique a été utilisée pour caractériser une post-décharge d’un plasma d’ondes de surface de N2-O2 par la mesure de la densité des ions et électrons ainsi que la température des électrons dérivée de la fonction de distribution en énergie des électrons (EEDF). Une densité maximale des électrons au centre de la early afterglow de l’ordre de 1013 m-3 a été déterminée, alors que celle-ci a chuté à 1011 m-3 au début de la late afterglow. Tout au long du profil de la post-décharge, une densité des ions supérieure à celle des électrons indique la présence d’un milieu non macroscopiquement neutre. La post-décharge est caractérisée par une EEDF quasi maxwellienne avec une température des électrons de 0.5±0.1 eV, alors qu’elle grimpe à 1.1 ±0.2 eV dans la early afterglow due à la contribution des collisions vibrationnelles-électroniques (V-E) particulièrement importantes. L’ajout d’O2 dans la décharge principale entraîne un rehaussement des espèces chargées et de la température des électrons suivi d’une chute avec l’augmentation de la concentration d’O2. Le changement de la composition électrique de la post-décharge par la création de NO+ au détriment des ions N2+ est à l’origine du phénomène. Le recours à cette post-décharge de N2 pour la modification des propriétés d’émission optique de nanofils purs de GaN et avec des inclusions d’InGaN a été étudié par photoluminescence (PL). Bien que l’émission provenant des nanofils de GaN et de la matrice de GaN recouvrant les inclusions diminue suite à la création de sites de recombinaison non radiatifs, celle provenant des inclusions d’InGaN augmente fortement. Des mesures de PL par excitation indiquent que cet effet n’est pas attribuable à un changement de l’absorption de la surface de GaN. Ceci suggère un recuit dynamique induit par la désexcitation des métastables de N2 suite à leur collision à la surface des nanofils et la possibilité de passiver les défauts de surface tels que des lacunes d’azote par l’action d’atomes de N2 réactifs provenant de la post-décharge. L’incorporation d’O2 induit les mêmes effets en plus d’un décalage vers le rouge de la bande d’émission des inclusions, suggérant l’action des espèces d’O2 au sein même des nanostructures.
A cylindrical electrostatic Langmuir probe was used to characterize the flowing afterglow of a N2-O2 surface wave plasma. The spatial distribution of the number density of positive and electrons as well as the EEDF were measured. A maximum of the number density of electrons in the mid 1013 m-3 was obtained in the center of the early afterglow, while it decreased at 1011 m-3 early in the late afterglow, thus indicating non-macroscopically neutral media all along the flowing afterglow. It is characterized by an EEDF close to a Maxwellian with an electron temperature of 0.5±0.1 eV, while it increased at 1.1±0.2 eV in the early afterglow due to the contribution of important vibration-electron collisions. After addition of small amounts of O2 in the main N2 microwave discharge, the charged particles densities and electron temperature first strongly increased then decreased with increasing O2 concentration. A change in the charged population in the afterglow by the creation of NO+ to the detriment of the N2+ ions is responsible of this phenomenon. This N2 flowing afterglow was later used for plasma-induced modification of pure GaN nanowires and InGaN/GaN dot-in-a-wire heterostructures and characterized by PL. While the band edge emission from GaN nanowires and the GaN matrix of the InGaN/GaN nanowires strongly decreased due to the creation of non-radiative recombination centers in the near-surface region, the emission from the InGaN inclusions strongly increased. PL excitation measurements show that this increase cannot be explained by a plasma-induced shift of the GaN absorption edge. Instead a dynamical annealing process induced by the desexcitation of N2 metastables following their collision with the nanowire surface and the passivation of surface defects such as nitrogen vacancies by the highly reactive nitrogen atoms in the afterglow are responsible of the increase of the PL intensity. The addition of O2 gives the same results as the pure N2 treatment, but a redshift of the emission band related to the InGaN inclusions is also observed, suggesting an important contribution of the oxygen species.