Letteratura scientifica selezionata sul tema "Nitrure de Bore hexagonale"

A mechanism of transverse charge transfer through hexagonal boron nitride (h-BN) in a MIS structure has been studied. Experimental data for charge transfer have been analyzed in terms of different models of charge transfer in insulators. It has been shown that charge transfer in h-BN is described by the model of phonon-assisted tunneling between neutral traps. The thermal and optical energies of phonon-coupled traps in h-BN have been determined. Based on charge transfer measurements, XPS spectra, and the ab initio electronic structure of intrinsic defects in h-BN it has been found that boron–nitrogen divacancies are most probably responsible for charge transfer in h-BN and transfer is provided by electrons.

Calcium phosphates ceramics such as a hydroxyapatite have composition and structure similar to be mineral component of bone. Hydroxyapatite could be production from natural and chemical source with various techniques. In this study, Calcium phosphates was prepared and characterized for future applications on the utilization of bioactivity and resorbability of Hydroxyapatite. Hydroxyapatite was synthesized by precipitation method using cuttlefish bone as the calcium (Ca) source in the form of calcium nitrate and ammonium phosphate as the phosphate (P) source. The property, crystal structure and crystalline size of samples were investigated by X-ray diffraction (XRD) and Fourier transforms infrared spectroscopy (FTIR). The results showed that the raw cuttlefish bone was calcite and aragonite phase and completely transformed to calcium oxide at 1000 °C. Hydroxyapatite from cuttlefish bone was hexagonal phase. The crystalline size of hydroxyapatite increases with increasing temperature from 200-1300 °C. This experiment indicated that the hydroxyapatite could be synthetized from cuttlefish bone.

In this study, biomimetic borate-based bioactive glass scaffolds containing hexagonal boron nitride hBN nanoparticles (0.1, 0.2, 0.5, 1, and 2% by weight) were manufactured with the polymer foam replication technique to be used in hard tissue engineering and drug delivery applications. To create three-dimensional cylindrical-shaped scaffolds, polyurethane foams were used as templates and covered using a suspension of glass and hBN powder mixture. Then, a heat treatment was applied at 570 °C in an air atmosphere to remove the polymer foam from the structure and to sinter the glass structures. The structural, morphological, and mechanical properties of the fabricated composites were examined in detail. The in vitro bioactivity of the prepared composites was tested in simulated body fluid, and the release behavior of gentamicin sulfate and 5-fluorouracil from glass scaffolds were analyzed separately as a function of time. The cytotoxicity was investigated using osteoblastic MC3T3-E1 cells. The findings indicated that the hBN nanoparticles, up to a certain concentration in the glass matrix, improved the mechanical strength of the glass scaffolds, which mimic the cancellous bone. Additionally, the inclusion of hBN nanoparticles enhanced the in vitro hydroxyapatite-forming ability of bioactive glass composites. The presence of hBN nanoparticles accelerated the drug release rates of the system. It was concluded that bioactive glass/hBN composite scaffolds mimicking native bone tissue could be used for bone tissue repair and regeneration applications.

Le nitrure de bore hexagonal (hBN) est un semiconducteur lamellaire possédant une large bande interdite de type indirect (> 6 eV). L’autre structure lamellaire du nitrure de bore est rhomboédrique (rBN), mais beaucoup moins connue et étudiée. L’objectif de cette thèse est l’étude des excitons à l’origine de la luminescence de ces deux phases mais aussi d’hétérostructures 2D, où le hBN est utilisé en combinaison d’autres matériaux 2D dans des empilements verticaux.L’étude des propriétés des excitons dans hBN est réalisée sur un cristal de référence synthétisé par haute pression et haute température au Japon. L’énergie de liaison des excitons ainsi que le rendement quantique interne du hBN sont quantitativement évalués par spectroscopie de cathodoluminescence. L’anomalie observée entre absorption et luminescence est résolue avec l’identification du rôle respectif des excitons directs et indirects. À forte excitation, l’efficacité de luminescence de hBN décroit, limitée par une annihilation entre excitons, particulièrement efficace dans ce matériau.Associées à une caractérisation structurale, les signatures spectroscopiques de luminescence et Raman de la phase rhomboédrique sont identifiées. Elles ont permis d’analyser les propriétés de couches minces synthétisées par voie chimique (CVD).La dernière partie de cette thèse porte sur l’étude d’hétérostructures 2D de type hBN/MoX2/hBN où X = S ou Se. Une caractérisation exhaustive des propriétés de luminescence, vibrationnelles et structurales est menée sur l’ensemble des matériaux constituants. Les analyses sont menées à la fois en vue plane et en section transverse grâce à la découpe de lames minces par faisceau d’ions focalisés. Des résultats préliminaires sur la diffusion des excitons et sur les excitons d’interface y sont présentés
Hexagonal boron nitride (hBN) is a lamellar wide indirect bandgap semiconductor (> 6 eV). The other lamellar boron nitride phase is rhombohedral (rBN), but much less known and studied. The goal of this thesis is the study of the excitons source of the luminescence of both phases and of 2D heterostructures, where hBN is used in combination with other 2D materials in vertical stacks.The study of hBN excitons properties is performed on a reference sample synthesized by high pressure and high temperature in Japan. Excitons binding energy as well as hBN internal quantum yield are quantitatively assessed by cathodoluminescence spectroscopy. The observed anomaly between absorption and luminescence is resolved thanks to the identification of the role of direct and indirect excitons respectively. At high excitation, hBN luminescence efficiency decreases limited by exciton-exciton annihilation. This phenomenon is especially efficient in this material.Combined with a structural characterization, the Raman and luminescence spectroscopic signature of the rhombohedral phase are identified. This allowed the analysis of the properties of chemically synthesized thin films (CVD).The last part of this thesis is devoted to the study of a 2D heterostructure hBN/MoX2/hBN where X = S or Se. An exhaustive characterization of the luminescence, vibrational and structural properties is carried out on all the components. Analyses are performed in both flat view and cross-section thanks to the cutting of a thin lamella by focused ion beam. Preliminary results on excitons diffusion and interface excitons are presented

La réaction de condensation en masse d'un précurseur inorganique de nitrure de bore hexagonal, la borazine, a été développée dans le but d'élaborer des dérivés polycycliques de type mésophasique nommés borazines polycondensées (BPC). Les BPC ainsisynthétisées peuvent conduire à un état cristal liquide préfigurant la structure du nitrure de bore hexagonal,état obtenu après mise en solution dans un solvant adéquat. Elles ont été employées comme précurseur d'interphase BN dans des minicomposites Hi-Nicalon/BN/SiC, après dépôt par 'dip-coating' et pyrolyse du précurseur condensé. L'élaboration de monofilaments BN de courte longueur a aussi été examinée.

L'étude des propriétés optiques des matériaux semiconducteurs et, notamment, des composés émettant dans l'ultra-violet (UV) constitue depuis quelques années une thématique de recherche de plus en plus importante du fait des applications potentielles de ces matériaux en optoélectronique. Dans cette perspective, étudier les propriétés optiques du nitrure de bore hexagonal (hBN) et des nanotubes de nitrure de bore (BN) est particulièrement intéressant, étant donné leur caractère semiconducteur à grand gap (autour de 6 eV).
L'objectif de cette étude est d'analyser les propriétés optiques de ces matériaux et, plus particulièrement, leurs effets excitoniques, en développant des méthodes de caractérisation optique adaptées pour observer des émissions UV.
Les techniques expérimentales de photoluminescence et de cathodoluminescence développées au cours de cette thèse ont tout d'abord permis de comprendre les propriétés de luminescence du hBN. Ainsi, nous avons pu confirmer la présence d'excitons libres émettant à 5.77 eV. Ensuite, en corrélant ces mesures optiques avec des analyses structurales en microscopie électronique en transmission de cristaux individuels, nous avons mis en évidence l'existence d'excitons liés à des défauts structuraux bien déterminés et émettant autour de 5.5 eV. Une fois les propriétés de luminescence du matériau massif connues, nous avons analysé de la même manière différents types de nanotubes de BN multifeuillets. Ces mesures ont pour la première fois montré que ces nano-objets émettent également dans l'UV. En se basant sur notre étude de la luminescence de hBN, nous proposons une interprétation pour l'origine de leurs émissions lumineuses UV.

L'étude des propriétés optiques des matériaux semiconducteurs et, notamment, des composés émettant dans l'ultraviolet (UV) constitue depuis quelques années une thématique de recherche de plus en plus importante du fait des applications potentielles de ces matériaux en optoélectronique. Dans cette perspective, étudier les propriétés optiques du nitrure de bore hexagonal (hBN) et des nanotubes de nitrure de bore (BN) est particulièrement intéressant, étant donné leur caractère semiconducteur à grand gap (autour de 6 eV). L'objectif de cette étude est d'analyser les propriétés optiques de ces matériaux et, plus particulièrement, leurs effets excitoniques, en développant des méthodes de caractérisation optique adaptées pour observer des émissions UV. Les techniques expérimentales de photoluminescence et de cathodoluminescence développées au cours de cette thèse ont tout d'abord permis de comprendre les propriétés de luminescence du hBN. Ainsi, nous avons pu confirmer la présence d'excitons libres émettant à 5. 77 eV. Ensuite, en corrélant ces mesures optiques avec des analyses structurales en microscopie électronique en transmission de cristaux individuels, nous avons mis en évidence l'existence d'excitons liés à des défauts structuraux bien déterminés et émettant autour de 5. 5 eV. Une fois les propriétés de luminescence du matériau massif connues, nous avons analysé de la même manière différents types de nanotubes de BN multifeuillets. Ces mesures ont pour la première fois montré que ces nano objets émettent également dans l'UV. En se basant sur notre étude de la luminescence de hBN, nous proposons une interprétation pour l'origine de leurs émissions lumineuses UV
Since several years, optical properties of semiconductors, and especially of UV emitting materials, have been extensively studied because of their potential use in optoelectronics. In that purpose, studying optical properties of hexagonal boron nitride (hBN) and boron nitride nanotubes is of particular interest since they are both wide band gap semiconductors (~6 eV). The purpose of this work is to analyze the optical properties of these materials and, more precisely, their excitonic effects by developing optical characterization methods dedicated to observe UV emissions. The experimental techniques we have developed (photoluminescence and cathodoluminescence) have allowed us understanding luminescence properties of hBN. Thus, we have observed free excitonic emissions at 5. 77 eV. Then, a correlation of these optical measurements with structural analyses of individual hBN crystallites in transmission electron microscopy has pointed out the existence of excitons bound to well identified structural defects and emitting around 5. 5 eV. After the analysis of hBN optical properties, we have performed the same type of experiments on multiwall BN nanotubes. For the first time, such measurements have shown that these nano objects also emit in the UV range. Based on our previous study of hBN luminescence properties, we interpretate the origin of the BN nanotubes UV light emissions

Au cours des dernières années, l'importance de nanoélectronique a augmenté avec la demande pour des dispositifs plus petits et plus efficaces. Les technologies traditionnelles basées sur le silicium rencontrent des défis, notamment pour la réduction de la taille des transistors tout en maintenant leur performance. Les longueurs de canal plus courtes améliorent la vitesse et la densité des dispositifs, mais entraînent des problèmes tels que l'électromigration, les fuites et la charge thermique. Le graphène, un matériau bidimensionnel, offre une solution grâce à sa haute mobilité des porteurs, sa conductivité thermique et sa stabilité, ce qui en fait une alternative prometteuse au silicium. L'utilisation des propriétés du graphène pourrait surmonter les limitations du silicium, permettant le développement de nanoélectroniques de prochaine génération avec de meilleures performances et évolutivité. Le graphène monolayer est généralement produit par des méthodes d'exfoliation, mais celles-ci introduisent souvent des défauts et des contaminants, dégradant ses propriétés électriques et limitant la production à grande échelle. La déposition chimique en phase vapeur (CVD) offre une solution plus efficace, mais peut encore introduire des défauts, tandis que la réduction de l'oxyde de graphène entraîne trop d'imperfections pour la nanoélectronique. Le graphène épitaxial (epigraphène) offre des propriétés de transport supérieures pour les dispositifs haute performance, mais, comme tout graphène, il est sensible aux conditions environnementales et nécessite une passivation efficace. Le nitrure de bore hexagonal (h-BN) est un matériau de passivation prometteur en raison de sa compatibilité structurelle avec le graphène. Bien que les méthodes conventionnelles de transfert de h-BN introduisent des défauts, l'épitaxie en phase vapeur métal-organiques (MOVPE) permet une croissance directe sur l'épigraphène, résolvant ces problèmes. Cette thèse examine la croissance de couches minces de h-BN sur divers substrats d'épigraphène (monocouche, multicouche et motifé) en utilisant l'épitaxie de van der Waals, en mettant l'accent sur leurs applications potentielles dans les transistors à couche mince (TFT). L'étude se divise en trois domaines clés : d'abord, nous avons exploré la croissance MOVPE de couches de h-BN (jusqu'à 20 nm) sur de l'épigraphène monocouche et multicouche sur carbure de silicium (SiC), en examinant les faces terminées au silicium (face Si) et au carbone (face C). Les deux substrats ont montré des caractéristiques de surface similaires, et le recuit thermique a amélioré la qualité cristalline sans compromettre l'intégrité de l'hétérostructure h-BN/épigraphène jusqu'à 1550 degrés. Deuxièmement, nous avons exploré la croissance sélective de h-BN de haute qualité sur l'épigraphène motifé en gravant pour ne conserver que les motifs de graphène souhaités avant la croissance de h-BN. Cette méthode a contribué à réduire la formation de particules et les dommages comparés aux techniques de motifage post-dépôt conventionnelles. Enfin, des dispositifs TFT ont été fabriqués à partir de ces hétérostructures après avoir étudié diverses méthodes de gravure (CF4, XeF2, SF6) pour éliminer le h-BN et établir des contacts avec l'épigraphène. Les caractérisations électriques préliminaires ont montré des variations de résistance avec les champs magnétiques, bien que la résistance de contact ait été plus élevée que prévu. Cette recherche fournit une technique prometteuse pour produire des couches de h-BN de haute qualité sur des dispositifs à base de graphène, ouvrant la voie à de nouveaux avancements tout en identifiant les domaines à améliorer
In this century, the importance of nanoelectronics has grown with the demand for smaller, more efficient devices. Traditional silicon-based technologies face challenges, particularly in scaling down transistors while maintaining performance. Shorter channel lengths improve speed and device density but lead to issues like electromigration, leakage, and thermal load. Graphene, a two-dimensional material, offers a solution due to its high carrier mobility, thermal conductivity, and stability, making it a promising alternative to silicon. Utilizing graphene's properties could overcome silicon's limitations, enabling next-generation nanoelectronics with better performance and scalability. Monolayer graphene is typically produced via exfoliation methods, but these often introduce defects and contaminants, degrading its electrical properties and limiting large-scale production. Chemical vapor deposition (CVD) offers a more scalable solution but can still introduce defects, while reducing graphene oxide leads to too many imperfections for nanoelectronics. Epitaxial graphene (epigraphene) offers superior transport properties for high-performance devices but, like all graphene, is sensitive to environmental factors and requires effective passivation. Hexagonal boron nitride (h-BN) is a promising passivation material due to its structural compatibility with graphene. While conventional methods of h-BN transfer introduce defects, metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE) allows direct growth on epigraphene, solving these issues. This thesis investigates the growth of thin h-BN layers on various epigraphene substrates (monolayer, multilayer, and patterned) using van der Waals epitaxy, with a focus on their potential applications in thin-film transistors (TFTs). The study is divided into three key areas: First, we explored the MOVPE growth of h-BN layers (up to 20 nm) on monolayer and multilayer epigraphene on silicon carbide (SiC), examining the silicon-terminated (Si-face) and carbon-terminated (C-face) faces. Both substrates exhibited similar surface characteristics, and thermal annealing was found to improve crystal quality without compromising the integrity of the h-BN/epigraphene heterostructure up to 1550 degrees. Second, we explored the selective growth of high quality h-BN over patterned epigraphene by etching to retain only the desired graphene patterns prior to h-BN growth. This method helped in reducing particle formation and damage compared to conventional post-deposition patterning techniques. Finally, TFT devices were fabricated from these heterostructures after investigating various etching methods (CF4, XeF2, SF6) to remove h-BN and establish contact with the underlying epigraphene. Preliminary electrical characterizations showed changes in resistance with magnetic fields, although contact resistance was higher than anticipated. This research provides a promising technique for producing high-quality h-BN layers on graphene-based devices, paving the way for further advancements while identifying areas for improvement

Le graphène (Gr) et le nitrure de bore hexagonal (hBN) ont un paramètre de réseau similaire (décalage de ~1,5 %) et des propriétés différentes : le Gr est un métal connu pour sa conductivité élevée et le hBN est un isolant à grand écart (~6eV) avec une forte émission d'UV. En raison de ces deux remarques, ils sont des candidats parfaits pour être empilés côte à côte dans une hétérostructure latérale au lieu d'être empilés l'un sur l'autre dans une hétérostructure verticale plus courante. Dans cette thèse, je m'intéresserai à la modélisation des propriétés électroniques et optiques des hétérostructures latérales composées de nanorubans successifs de graphène et de nitrure de bore (AGBN). Cependant, lors de la synthèse de ce type d'hétérostructures, des défauts, tels que des rugosités ou des défauts non-hexagonaux, peuvent apparaître à l'interface et affecter les propriétés des AGBN.Dans la première partie de la thèse, je combinerai des techniques ab-initio telles que la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) et un modèle perturbatif de liaison étroite (TB) pour étudier la sensibilité opposée et complémentaire de la largeur de la fente des nanorubans armchair Gr et hBN isolés (AGNR et ABNNR) en fonction de différents stimuli.Dans les parties suivantes, je présenterai la structure électronique de l'AGBN réalisée avec la DFT et le spectre optique calculé par GW et l'équation de Bethe-Salpeter (BSE). Je passerai des caractéristiques générales, comme la structure de bande, à l'explication détaillée du rôle de chaque matériau et du confinement caractéristique de l'exciton dans la partie Gr des hétérostructures.Parallèlement à cette étude, je vais paramétrer un modèle TB semi-empirique et fixer ses limites de validité pour décrire le spectre d'absorption de l'AGBN dans l'approximation des particules indépendantes. Par conséquent, je dois établir une correspondance entre les pics excitoniques sur les spectres d'absorption BSE et les transitions dans les spectres IP, ce qui nous permettra d'estimer les effets excitoniques à partir des spectres TB IP. En particulier, cette approche sera utilisée dans la dernière partie de la thèse pour caractériser l'impact d'une faible rugosité à l'interface ou de défauts non-hexagonaux comme les Stone-Wales ou les divacances
Graphene (Gr) and hexagonal boron nitride (hBN) have a similar lattice parameter (~1.5% mismatch) and different properties , Gr is a metal known by its high conductivity and hBN is a large gap insulator ~6eV) with a strong UV emission. Due to these two remarks, they are perfect candidates to be stacked side-by-side in a lateral heterostructures instead of one of the top of the other in a more common vertical heterostructure. In this thesis I will be interested at modelling the electronic and optical properties of lateral heterostructures composed of successive armchair graphene and boron nitride nanoribbons (AGBN). However, during the synthesis of this kind of heterostructures defects, such as roughness or non-hexagonal defect, may appear at the interface affecting to the properties of AGBN.In the first part of the thesis, will combine ab-initio techniques such a density functional theory (DFT) and a perturbative tight-binding (TB) modem to study the opposite and complementary sensitivity of the gapwidth of isolated Gr and hBN armchair nanoribbons (AGNR and ABNNR) upon different stimuli.In the next parts I will present the electronic structure of AGBN carry out with DFT and optical spec-trum calculated by GW and the Bethe-Salpeter equation (BSE). I will revise from the general features, like the band structure, to explaining in detail the role of each material and the characteristic confining of the exciton in the Gr part of the heterostructures.Parallel to this study, I will parametrise a semi-empirical TB model and set its limits of validity to de-scribe the absorption spectrum of AGBN in the independent-particle approximation. Therefore, I have to set a correspondence between excitonic peaks on the BSE absorption spectra and transitions in IP spec-tra will allow us to estimate excitonic effects from the TB IP spectra. In particular, this approach will be used in the last part of the thesis to finally characterise the impact of weak roughness at the interface or non-hexagonal defects like Stone-Wales or divacancies

L’objectif de cette thèse était d’explorer et de caractériser optiquement les défauts ponctuels dans le nitrure de bore hexagonal. L’étude des défauts dans ce semiconducteur revêt un intérêt fondamental à la fois pour la science des matériaux dans laquelle il joue un rôle clé de part sa nature lamellaire (matériau 2D) et sa stabilité thermique et chimique très élevées, et également dans le domaine des technologies quantiques où son grand gap (~ 6 eV) permet d’exploiter les défauts ponctuels profonds comme «atome artificiel» dans la matrice cristalline. Au cours de cette thèse, des défauts appartenant à deux gammes spectrales ont été étudiés: une première classe émettant dans le visible, et une seconde émettant dans la gamme ultraviolette.Ainsi, dans un premier temps, nous avons exploité un microscope confocal à balayage fonctionnant à l’ambiante et dans les longueurs d’onde visibles. La réalisation de cartes spatiales de photoluminescence a permis de mettre en évidence l’existence de points chauds de photoluminescence localisés, sous la limite de diffraction du microscope, et émettant autour de 600 nm (2 eV). Des mesures de corrélations temporelles de photons montre d’une part qu’il s’agit d’émetteurs quantiques uniques, et permet d’autre part de sonder la photo-dynamique de ces systèmes, en particulier aux très longues échelles de temps. Différents régimes de photo-stabilité sont observés et discutés. Enfin, l’étude en puissance a aussi été effectuée et montre qu’une part des émetteurs (~ 5%) sont photo-stables à haute puissance d’excitation optique et saturent à un taux d’émission de plusieurs millions de coups par seconde: ces défauts ponctuels constituent une source de photons uniques parmi les plus brillantes à température ambiante dans un système à l’état solide.Dans un second temps, nous avons exploré les défauts émettant dans la gamme ultraviolette. Un préalable à la maitrise et l’utilisation des défauts dans les semiconducteurs à des fins technologiques est la connaissance de leur origine chimique. Dans cette optique nous avons tout d’abord étudié les niveaux énergétiques superficiels et profonds d’échantillons de nitrure de bore hexagonal enrichis en carbone en combinant des mesures de macro-photoluminescence et de réflectivité. L’existence de nouvelles transitions optiquement actives est révélée (autour de 300 nm), et l’implication du carbone comme origine de ces transitions est discutée. L’étude approfondie de ces nouvelles émissions a requiert la réalisation d’un microscope confocal à balayage fonctionnant dans l’ultraviolet à 266 nm et à température cryogénique. Le design du microscope est détaillé, les difficultés de sa mise en oeuvre expliquées, et ses performances démontrées. Ce nouvel outil expérimental nous permet d’examiner avec précision les défauts profonds. En particulier, une étude est faite sur la corrélation spatiale de ces nouvelles raies avec celle du défaut ponctuel bien connu à 4.1 eV. Ensuite, nous avons utilisé des nouveaux échantillons dopés en carbone isotopiquement purifié comme stratégie pour déterminer la nature chimique du défaut à 4.1 eV. À travers cette tentative, nous avons mis en lumière l’inhomogénéité spatiale des caractéristiques optiques de cet émetteur. Enfin, dans la dernière partie, on tente d’isoler l’émission provenant d’un défaut unique à 4.1 eV. Pour cela, on utilise des flocons fins pré-caractérisés en microscopie électronique et contenant une faible densité d’émetteurs. Leur photostabilité est étudiée
The purpose of this thesis was to explore and caracterize optically the point defects in hexagonal boron nitride. The study of defects in this semiconductor is of fundamental importance firstly for the material science in which it plays a key role thanks to its lamellar structure (2D material) and its high thermal and chemical stability, and secondly for the quantum nanotechnology domain where its large bandgap (~ 6 eV) allows for exploiting deep levels point imperfections as «artificial atom» in the crystal lattice. During this thesis, defects in two spectral ranges have been studied: a first family emitting in the visible wavelengths, and a second one emitting in the ultraviolet range.Firstly, we made use of a scanning confocal microscope working in ambient conditions and at visible wavelengths. The recording of photoluminescence spatial maps permited to show the existence of localised hot spot of light, under the diffraction limit of the miscroscope, and emitting around 600 nm (2 eV). Time photon-correlation measurements revealed on one hand that we were dealing with single quantum emitters, and on the other hand allowed for probing the photodynamics of those systems, in particular at very long time-scale. Various photostability regimes are observed and discussed. Last but not least, power resolved study was also performed and demonstrated that a number of the emitters (~ 5%) are photo-stable at high excitation power and saturate at few millions counts per second: those point defects are one of the brightest single-photon source at room temperature in solid-state systems.Secondly, we explored the defects in the ultraviolet spectral range. A prerequisite to the engineering of defects in semiconductors for technological applications is the knowledge of their chemical origin. With this in mind, we studied shallow and deep levels in carbon-doped hBN samples by combining macro-photoluminescence and reflectance measurements. We showed the existence of new optically-active transitions (around 300 nm) and discussed the implication of carbon in these levels. The in-depth study of these levels have required the development of a new scanning micro-photoluminescence confocal microscope operating at 266 nm under cryogenic environment. The design and performances of the optical system are described, and the experimental challenges explained in details. Using this new setup, we went further into the examination of the deep levels. In particular, a study was carried out regarding the spatial correlation between these new spectral lines and the well-known point defect at 4.1 eV. Then, we used new crystals with isotopically-purified carbon doping as a strategy to investigate the long-standing question concerning the chemical origin of the 4.1 eV defect. Through this attempt, we brought to light the spatial dependence of the optical features for this specific emitter. Last but not least, we present our work dedicated to isolate the emission of a single 4.1 eV defect. We studied the photoluminescence of thin undoped flakes, pre-characterized with an electron microscope, that contain a low density of emitters, and inspected in particular their photostability in these thin crystals

Le traitement optique de l'information quantique nécessite des émetteurs de photons uniques indiscernables. Dans ce cadre, des émetteurs quantiques récemment découverts dans les matériaux 2D offrent de nouvelles perspectives en termes de dispositifs photoniques intégrés. Ainsi, dans le nitrure de bore hexagonal (hBN), une nouvelle famille de centres colorés a l'avantage de posséder une faible dispersion en longueur d'onde. Ces centres émettant dans le bleu (λ ≈ 435 nm) peuvent également être positionnés de manière déterministe. Ces deux qualités sont rares parmi les émetteurs quantiques dans l'état solide et s'ajoutent en outre à des propriétés photophysiques avantageuses. Cette famille d'émetteurs constitue l'objet d'étude principal de cette thèse.Dans un premier temps, nous détaillons les principales figures de mérite d'un émetteur de photons uniques : brillance, pureté, cohérence temporelle et indiscernabilité. Nous évoquerons également les principaux systèmes physiques émettant des photons uniques, afin de contextualiser la caractérisation à suivre des centres colorés bleus dans hBN.Nous décrivons, dans une deuxième partie, les méthodes expérimentales génériques employées au cours de la thèse en commençant par l'exfoliation mécanique permettant d'obtenir des cristaux de hBN et l'irradiation électronique pour la création des centres colorés. Ceux-ci sont ensuite caractérisés optiquement à l'échelle individuelle au moyen de techniques combinant microscopie confocale, cryogénie, comptage de photons et spectroscopie. Nous détaillons également le traitement des données utilisé pour calculer la fonction d'autocorrélation d'intensité. Le troisième chapitre est consacré aux mesures de différentes propriétés photophysiques des centres bleus à l'échelle de l'émetteur individuel, telles que le temps de vie, la pureté, la polarisation et la photostabilité. Nous nous intéressons également au processus de création des centres colorés bleus, en effectuant des mesures de cathodoluminescence in situ, complétées par des mesures optiques. La nature microscopique de cette famille de centres colorés est également évoquée.Nous traitons ensuite de l'excitation laser résonante d'un centre bleu. L'étude des corrélations de photons permet d'observer des oscillations de Rabi, et d'en extraire le temps de cohérence de l'émetteur. En outre, ces corrélations donnent accès à la dynamique de la diffusion spectrale prenant place à une échelle de temps de l'ordre de la dizaine de microsecondes. Enfin, nous étudions l'indiscernabilité des photons émis par un centre bleu en mesurant les corrélations de photons dans un interféromètre de Hong, Ou et Mandel. Nous mettons en évidence le phénomène d'interférence à deux photons témoignant de l'indiscernabilité partielle des photons émis par le centre coloré. Ce résultat prometteur pourra être améliorée grâce à l'intégration des émetteurs dans des structures photoniques visant à augmenter la collection et diminuer l'impact du déphasage.Les résultats détaillés dans cette thèse démontrent le potentiel de ces centres colorés bleus dans hBN pour des applications dans le domaine de l'information quantique. De futur développements permettront une meilleure compréhension et un meilleur contrôle de leur dynamique d'émission ainsi que leur intégration dans des dispositifs optoélectroniques. Ces travaux ouvrent de nouvelles perspectives en termes de photonique quantique avec des matériaux 2D
Optical quantum information processing requires single and indistinguishable photon emitters. In this context, recently discovered quantum emitters in 2D materials offer new perspectives in terms of integrated photonic devices. In hexagonal boron nitride (hBN), a new family of color centers has the advantage of a low wavelength dispersion. These blue-emitting color centers (λ ≈ 435 nm) can also be positioned deterministically. These two qualities are rare among solid-state quantum emitters, and add up to advantageous photophysical properties. This family of emitters is the main focus of this thesis.First, we detail the main figures of merit of a single-photon emitter: brightness, purity, temporal coherence and indistinguishability. We also discuss the main physical systems emitting single photons, in order to contextualize the following characterization of blue color centers in hBN.In the second part, we describe the generic experimental methods used during the thesis: mechanical exfoliation to obtain hBN crystals and electron irradiation to create the color centers. The latter are then optically characterized on an individual scale using techniques combining confocal microscopy, cryogenics, photon counting and spectroscopy. Finally, we describe the data processing methods used to calculate the intensity autocorrelation function.The third chapter is devoted to measurements of various photophysical properties of blue centers at the scale of individual emitters, such as lifetime, purity, polarization and photostability. We also focus on the creation process of blue color centers, by carrying out in-situ cathodoluminescence measurements, complemented by optical measurements. The microscopic nature of this family of color centers is also discussed.We then address the resonant laser excitation of a blue center. The study of photon correlations allows us to observe Rabi oscillations, and to extract the coherence time of the emitter. In addition, these correlations give access to the dynamics of the spectral diffusion taking place on a time scale of a few tenths of microseconds. Finally, we study the indistinguishability of photons emitted by a blue center by measuring photon correlations in a Hong-Ou-Mandel interferometer. We demonstrate two-photon interference, indicating partial indistinguishability of photons emitted by the color center. This promising result could be improved by integrating the emitters into photonic structures designed to increase collection and reduce the impact of dephasing.The results detailed in this thesis show the potential of this family of blue color centers in hBN as quantum emitters for quantum information applications. With future developments aiming to understand and control their dynamics, as well as to integrate them into optoelectronic devices, our work opens new perspectives for optical quantum information with 2D materials

Les interfaces heterogenes sont relativement mal connues, hormis pour quelques couples metal-oxyde que la coherence cristalline permet de decrire simplement. Dans le cas general, la structure de l'interface ne resulte pas du raccordement exact de deux reseaux et il est necessaire d'introduire des dislocations interfaciales (ou/et d'autres defauts) pour decrire cette interface dont de nombreuses proprietes sont tributaires. Nous avons etudie les interfaces du couple nitrure de bore hexagonal-acier inoxydable austenitique, au plan structural et chimique par les techniques de la spectrometrie auger et de la microscopie electronique. Pour preparer ces interfaces dans de bonnes conditions nous avions imagine de les obtenir par precipitation de nitrure de bore sur la surface de l'acier. Pour cela un taux minimum de bore dans l'acier (0. 01%m) est necessaire et la premiere etape a consiste a doper en bore des aciers inoxydables contenant de l'azote. Dans ce but, nous avons developpe des methodes pour obtenir un apport connu de bore : depot cvd, fusion superficielle laser, mecanosynthese. . . Nous avons ensuite construit les interfaces metal-ceramique en faisant precipiter le nitrure de bore a la surface de l'acier inoxydable, lors de recuits isothermes sous atmosphere neutre. On observe la precipitation du nitrure de bore hexagonal sur la surface pour des temperatures comprises entre 700 et 800c. On montre que la precipitation est sous la dependance de la segregation du soufre en surface ; en effet suivant le traitement thermique, le soufre segrege a l'interface ceramique-metal ou bien il segrege sur la surface libre de l'acier empechant un recouvrement uniforme par le nitrure de bore. L'etude cristallographique montre que la couche de nitrure de bore est orientee 001 quelle que soit l'orientation des grains de l'acier. Toutefois les grains d'orientation cristallographique 111 favorisent la formation de la couche.

Comme le quatrième élément le plus abondant dans l’univers, le carbone joue un rôle important dans l’émergence de la vie sur la terre comme nous la connaissons aujourd’hui. L’ère industrielle a vu cet élément au cœur des applications technologiques en raison des différentes façons dont les atomes forment les liaisons chimiques, ce qui donne lieu à une série d’allotropies chacun ayant des propriétés physiques extraordinaires. Par exemple, l’allotrope le plus thermodynamiquement stable du carbone, le cristal de graphite, est connu pour être un très bon conducteur électrique, tandis que le diamant, très apprécié pour sa dureté et sa conductivité thermique, est néanmoins considéré comme un isolant électrique en raison de sa structure cristallographique différente par rapport au graphite. Les progrès de la recherche scientifique ont montré que les considérations cristallographiques ne sont pas le seul facteur déterminant pour une telle variété dans les propriétés physiques des structures à base de carbone. Ces dernières années ont vu l’émergence de nouvelles formes allotropiques de structures de carbone qui sont stables dans les conditions ambiantes, mais avec dimensionnalité réduite, ce qui entraîne des propriétés largement différentes par rapport aux structures en trois dimensions. Parmi ces nouvelles classes d’allotropes il y a le graphene, qui est le premier matériau à deux dimensions. L’isolation réussi de monocouches de graphène a contesté une croyance établie depuis longtemps en physique : le fait que les matériaux purement 2D ne peuvent pas exister dans les conditions ambiantes parce qu'ils sont instables en raison de l’augmentation des fluctuations thermiques lorsqu’ils se prolongent dans les 2D. Afin de minimiser son énergie, un matériau se brisera en îlots coagulées. Le graphène arrive cependant à surmonter cette barrière en formant des ondulations continues sur la surface du substrat et est stable même à température ambiante et pression atmosphérique. Une grande intention dans la communauté scientifique a été donnée au graphène, après les premiers résultats publiés sur les propriétés électroniques de ce matériau. Les propriétés fondamentales et mécaniques du graphène sont fascinants. Grace aux atomes de carbone qui sont emballés dans un mode sp2 hybridé, formant ainsi une structure de réseau hexagonal, le graphène possède le plus grand module de Young et la plus grande capacité d’étirement, en même temps des centaines de fois plus dur que l’acier. Il conduit la chaleur et l’électricité de manière très efficace. L’aspect le plus fascinant à propos du graphène est surement la nature de ses porteurs de charge à basse énergie. En effet, le graphène présente des bandes d’énergie linéaires au point de neutralité de charge, donnant aux porteurs de charge une nature relativiste. De nombreux phénomènes observés dans ce matériau sont des conséquences de la nature relativiste de ses porteurs. Transport balistique, conductivité optique universelle, absence de rétrodiffusion, et une nouvelle classe d’effet Hall quantique sont de bons exemples de phénomènes nouvellement découverts dans ce matériau. Il est cependant encore trop tôt pour affirmer que toutes les propriétés physiques du graphene sont bien comprises. Dans cette thèse, nous avons mené des expériences de spectroscopie magnéto-Raman pour répondre à certaines des questions ouvertes dans la physique du graphène, notamment l’effet de couplage de Coulomb sur le spectre d’énergie du graphène, et le changement dans les propriétés physiques du graphène multicouche en fonction de sa cristallographie. Nos echantillions ont été soumis à de forts champs magnétiques, appliqués perpendiculairement aux plans atomiques. Le spectre d’excitation sous champ magnétique montre un couplage entre ces excitations et les modes de vibratoires. Cette approche expérimentale permet de remonter à la structure de bande du graphene en champs nul, ainsi que de nombreuses autres propriétés du matériau
As the fourth most abundant element in the universe, Carbon plays an important rolein the emerging of life in earth as we know it today. The industrial era has seen this element at the heart of technological applications due to the different ways in which carbon forms chemical bonds, giving rise to a series of allotropes each with extraordinary physical properties. For instance, the most thermodynamically stable allotrope of carbon, graphite crystal, is known to be a very good electrical conductor, while diamond very appreciated for its hardness and thermal conductivity is nevertheless considered as an electrical insulator due to different crystallographic structure compared to graphite. The advances in scientific research have shown that crystallographic considerations are not the only determining factor for such a variety in the physical properties of carbon based structures. Recent years have seen the emergence of new allotropes of carbon structures that are stable at ambient conditions but with reduced dimensionality, resulting in largely different properties compared to the three dimensional structures. Among these new classes of carbon allotropes is the first two-dimensional material: graphene.The successful isolation of monolayers of graphene challenged a long established belief in the scientific community: the fact that purely 2D materials cannot exist at ambient conditions. The Landau-Peierls instability theorem states that purely 2D materials are very unstable due to increasing thermal fluctuations when the material in question extends in both dimensions. To minimize its energy, the material will break into coagulated islands, an effect known as island growth. Graphene happens to overcome such barrier by forming continuous ripples on the surface of its substrate and thus is stable even at room temperature and atmospheric pressure.A great intention from the scientific community has been given to graphene, since 2004. Both fundamental and mechanical properties of graphene are fascinating. Thanks to its carbon atoms that are packed in a sp2 hybridized fashion, thus forming a hexagonal lattice structure, graphene has the largest young modulus and stretching power, yet it is hundreds of times stronger than steel. It conducts heat and electricity very efficiently, achieving an electron mobility as high as 107 cm−2V−1 s−1 when suspended over the substrate. The most fascinating aspect about graphene is the nature of its low energy charge carriers. Indeed, graphene has a linear energy dispersion at the charge neutrality, giving the charge carriers in graphene a relativistic nature. Many phenomena observed in this material are consequences of this relativistic nature of its carriers. Ballistic transport, universal optical conductivity, absence of back-scattering, and a new class of room temperaturequantum Hall effect are good examples of newly discovered phenomena in thismaterial. Graphene has become an active research area in condensed matter physics since 2004. It is however still early to state that all the physical properties of this material are well understood. In this thesis we conducted magneto-Raman spectroscopy experiments to address some of the open questions in the physics of graphene, such as the effect of electron-electron coupling on the energy spectrum of monolayer graphene, and the change in the physical properties of multilayer graphene as a function of the crystallographic stacking order. In all our experiments, the graphene-based systems have been subject to strong continuous magnetic fields, applied normal to the graphene layers. We study the evolution of its energy excitation spectra in the presence of the magnetic field, and also the coupling between these excitations and specific vibrational modes that are already in the system. This experimental approach allows us to deduce the band structure of the studied system at zero field, as well as many other lowenergy properties

Les rôles de la taille et de la nature des charges dans les composites sont mis en évidence en comparant quatre types de charges : carbure de silicium, alumine, nitrure de bore et graphite. Leur nature chimique semble être prépondérante sur la taille car elle gouverne les interactions interfaciales charge/matrice qui se traduisent par de meilleures propriétés mécaniques.

The nanoscale periodic potential generated from moiré superlattices provides a new knob to tune and study the flat band effect and correlated physics. To date, moiré superlattices have been obtained using various two-dimensional (2D) materials, such as graphene, hexagonal boron nitride (hBN), transition metal dichalcogenides (TMDCs), and so on. In the 2D materials family, Janus monolayers of TMDCs have two different chalcogen atoms above and below the central metal atom. This asymmetric structure induced an out-of-plane electric field which provides an additional degree of freedom in moiré superlattices. Novel features in Janus materials were predicted by recent theoretical studies, such as: large Rashba spin–orbit coupling[1], piezoelectricity[2], and long-lived charge-transfer excitons[3]. Furthermore, recent calculations showed that excitons in Janus heterobilayer moiré superlattices are possible to realize high-temperature Bose–Einstein condensation state[3].