In the past decade, photovoltaics (PV) has become a key player for the future of worldwide energy generation. Innovation in PV is likely to rely on high efficiency PV with flexible and lightweight thin films to enable PV deployement for mobile applications. In the framework of the Japanese- French laboratory “NextPV”, this thesis investigates the development of III-V quantum structured solar cells to explore high-efficiency photovoltaic concepts especially intermediate band solar cells (IBSC). Quantum structured IBSC have proven to be limited by thermal escape at room temperature and by low subbandgap light absorption. Following a consistent approach, we evaluate the topolo- gy, thermal escape mechanism, quantum structure and optical absorption of In(Ga)As quantum dots in a wide gap Al0.2GaAs host material. We also characterize quantitatively the device operation and improve the optical design. For a high irradiation, we evidence a hot carrier population in the quan- tum dots. At the same time, sequential two-photon absorption (S-TPA) is demonstrated both opti- cally and electrically. We also show that S-TPA for both sub-bandgap transitions can be enhanced by a factor x5-10 with light management techniques, for example by implementation of Fabry-Perot cavities with the different epitaxial transfer methods that we developed. More advanced periodical nanostructures were also fabricated in the case of multi-quantum well solar cells using nanoimprint lithography techniques. Overall we discuss the possibility of realizing intermediate-band-assisted hot-carrier solar cells with light management to open the path for high-efficiency quantum struc- tured IBSC.

Jury member :
Christian SEASSAL
Guilhem ALMUNEAU Christophe SAUVAN Alexandra FRAGOLA Yoshitaka OKADA
Stéphane COLLIN Jean-François GUILLEMOLES

Directeur de Recherche (INL, Lyon)
Chargé de Recherche (LAAS, Toulouse) Chargé de Recherche (LCF, Paris-Saclay) Maître de conférences (UPMC, Paris) Professeur (RCAST, Tokyo)
Chargé de Recherche (C2N, Paris-Saclay) Directeur de Recherche (IPVF, Paris-Saclay)

Rapporteur Rapporteur Examinateur Examinateur Examinateur Directeur de thèse Directeur de thèse

Composition du jury proposé

Nicolas Bonod

Chargé de Recherche CNRS/HDR, Institut Fresnel                         Rapporteur

Éric Lheurette

Professeur d’Université, IEMN                                                       Rapporteur

Alexandre Bouhelier

Directeur de Recherche CNRS, ICB                                                Examinateur

Julien Moreau

Maître de Conférences, LCF                                                            Examinateur

Shah Nawaz Burokur

Maître de Conférences/HDR, LEME                                               Directeur de thèse

Anatole Lupu

Directeur de Recherche CNRS, C2N                                               Co-Encadrant de thèse

Géraldine Guida

Maître de Conférences/HDR, LEME                                               Invité

Thomas Lepetit

Ingénieur de Recherche, ONERA                                                    Invité

Résumé

Les métasurfaces permettent de contrôler efficacement les rayonnements électromagnétiques en manipulant la phase, l'amplitude et la polarisation des ondes. Pour de nombreuses applications, telles que des fonctions d’agilité, de commutations et de détection, des surfaces de haute performance sont nécessaires. L’objectif de cette thèse est d'explorer des méthodes innovantes permettant d'améliorer les facteurs de qualité des métasurfaces dans les domaines micro-ondes et optique. La limitation des métasurfaces est généralement liée aux pertes par rayonnement et à l'absorption non radiative. L'étude se concentre sur des solutions permettant la suppression des pertes de rayonnement en utilisant des concepts de mode sombre et de résonance de Fano.

Composition du jury

Rapporteur Pr. Ian O'Connor École Centrale de Lyon
Rapporteur Dr. Alexandre Pitti CNRS, Université de Cergy-Pontoise Examinateur Denis Crété UMR CNRS/Thales
Examinatrice Dr. Julie Grollier UMR CNRS/Thales
Examinateur Dr. Gilles Sassatelli CNRS, Université Montpellier 2 Directeur de thèse Dr. Damien Querlioz CNRS, Université Paris-Sud Invité Dr. Nicolas Locatelli Lycée Gustave Eiffel, Cachan

Résumé:

Avec l'avènement de l'"intelligence artificielle", les ordinateurs, appareils mobiles et objets connectés sont amenés à dépasser les calculs arithmétiques et logiques pour lesquels ils ont été optimisés durant des décennies, afin d'effectuer des tâches "cognitives" telles que la traduction automatique ou la reconnaissance d'images et de voix, et pour lesquelles ils ne sont pas adaptés. Ainsi, un super-calculateur peut-il consommer des mégawatts pour effectuer des tâches que le cerveau humain traite avec 20 watt. Par conséquent, des système de calcul alternatifs inspirés du cerveau font l'objet de recherches importantes. En particulier, les oscillations neurales semblant être liées à certains traitements de données dans le cerveau ont inspiré des approches détournant la physique complexe des réseaux d'oscillateurs couplés pour effectuer des tâches cognitives efficacement. Cette thèse se fonde sur les avancées récentes en nano-technologies permettant la fabrication de nano-oscillateurs hautement intégrables pour proposer et étudier de nouvelles architectures neuro-inspirées de classification de motifs exploitant la dynamique des oscillateurs couplés et pouvant être implémentées sur puce.

Composition du jury :

M. François MARQUIER (ENS Paris-Saclay): Rapporteur

M. Olivier GAUTHIER-LAFAYE (LAAS): Rapporteur

M. Xavier LETARTRE (INL): Examinateur

Mme Anne-Laure FEHREMBACH (Institut Fresnel): examinatrice

M. Grégory VINCENT (ONERA) : Examinateur

M. Fabrice PARDO (C2N): Encadrant

M. Riad HAIDAR (ONERA): Directeur de thèse

M. Philippe ADAM (DGA): Invité

L'analyse spectrale d'une scène infrarouge permet une meilleure identification des objets la composant. Parmi les multiples méthodes existantes, j’ai choisi d'étudier l'apport des nanotechnologies pour le filtrage spectral et plus particulièrement pour la colorisation de pixel.
Mes travaux de thèse portent sur la conception de filtres nanostructurés sur des longueurs comparables à celles d'un pixel de détection infrarouge (typiquement 15 à 30 μm de coté). Pour cela, je me concentre sur des filtres à résonance de mode guidé, constitués d'un réseau sub-longueur d'onde associé à une couche mince diélectrique. Tandis que cette structure est habituellement étudiée sur des surfaces très grandes devant la longueur d'onde d'intérêt, cette thèse présente une utilisation sur des dimensions de la taille d'un pixel de détection, soit de l'ordre de la longueur d'onde. J'ai mené une étude numérique du comportement spectral et angulaire de cette structure et j'ai envisagé deux possibilités pour obtenir un filtrage sur de petites dimensions: l'utilisation d'une cavité résonante dans le guide d'onde à l'aide de miroirs latéraux et l'utilisation de réseaux métalliques. L'analyse de la réponse optique des structures à réseau métallique montre qu'il est possible d'obtenir une extension spatiale limitée à quelques longueurs d'onde du champ électromagnétique dans le guide d'onde à la résonance. J'ai étudié numériquement des filtres de longueur inférieure à 30 μm, puis j'ai fabriqué et caractérisé ces filtres.

Finalement, j'ai examiné la possibilité de réaliser des mosaïques de filtres de petite taille. J'ai démontré que les dimensions, les transmissions résonantes et les tolérances angulaires des filtres à résonance de mode guidé les rend compatibles avec une telle utilisation. J'ai alors pu montrer un exemple d'architecture simple de caméra multispectrale infrarouge mettant en jeu une mosaïque de filtres.

Aujourd’hui les interconnections optiques ont devancé les interconnections électriques à longue, moyenne et courte distance dans le domaine des télécommunications. La photonique silicium a connu un tel développement que même les interconnections inter et intra puces  deviennent progressivement à dominante optique. En revanche, la multiplication des terminaux d’accès et l’augmentation constante du volume de données échangées imposent l’apparition de nouveaux composants avec une consommation énergétique encore plus faible. Dans ce contexte, les composants optoélectroniques à faible consommation à base des puits quantiques Ge/SiGe ont été développés. Jusqu’à présent l’utilisation des puits quantiques Ge/SiGe était seulement limitée aux modulateurs à électro-absorption Les travaux menés durant la première partie de ma thèse consistaient à étudier un nouveau type de région active à base de puits quantiques Ge/SiGe couplés. Ces études ont abouti à la démonstration d’un effet d’électro-réfraction géant dans ces structures. La région active basée sur les puits couplés donne lieu à une variation de l’indice de réfraction de 2.3×10-3 sous une tension de 1.5 V seulement. L’utilisation d’un tel effet pour la réalisation de modulateurs optiques intégrés a ensuite nécessité le développement des briques de base passives afin d’obtenir une structure interférométrique. Des virages compacts et des interféromètres de Mach Zehnder sont conçus, fabriqués et caractérisés avec succès.

La sensibilité de ces structures à la polarisation est évaluée par simulation numérique et les structures insensibles à la polarisation sont conçues. Un modulateur à électroréfraction intégré est ensuite conçu et fabriqué, nécessitant la mise en place d’un nouveau procédé technologique. Les résultats de caractérisation préliminaires sont présentés. Les perspectives de ce travail sont la réalisation d’un modulateur efficace ayant une tension de commande inférieure à 2V.

Le champ d’application des circuits photoniques ne se limite pas au secteur des télécommunications. L’approche basée sur l’optique intégrée est aussi très prometteuse pour l’identification et analyse des espèces chimiques environnantes. La région spectrale de moyen infrarouge est particulièrement adaptée à cet effet car les raies d’absorption spécifiques de nombreuses espèces chimiques y sont présentes. L’utilisation des circuits optiques sur substrat silicium permet de développer des systèmes spectroscopiques performants, compacts et à bas cout. La seconde partie de ma thèse était dédiée au développement de la plateforme photonique large-bande basée sur les guides d’ondes Si1-xGex riches en Ge. Les guides d’onde large bande fonctionnant entre 5.5 et 8.6 µm ont été démontrés expérimentalement ce qui a permis de concevoir des structures plus complexes telles que les MMI et les interféromètres de Mach Zehnder ultra large bande. Le même dispositif possède une bande passante théorique de 3.5 µm en polarisation TE et d’une octave en polarisation TM. Le fonctionnement a été démontré expérimentalement entre 5.5 et 8.6 µm et est seulement limité par la plage de longueurs d’ondes adressable par le laser. Ce travail ouvre les perspectives pour la future démonstration des systèmes spectroscopiques ultra-large bande sur la plateforme Si1-xGex riche en Ge. Une dernière partie de ce travail a été consacrée à l’étude de la génération de la seconde harmonique dans les puits quantiques Ge/SiGe pour les systèmes spectroscopiques dans le moyen infrarouge. Les premières structures sont conçues et fabriquées.

Dans cette thèse nous explorons, par microscopie par effet tunnel (STM), les effets de surface et du nombre de coordination sur les propriétés électroniques d’un atome de métal de transition occupant un site cationique dans la surface de GaAs(110).

Par une méthode de dépôt in situ, nous avons déposé des adatomes de Cr sur des faces clivées de GaAs(110) avec des taux de couvertures très inférieurs à une monocouche. Et en appliquant des rampes de tensions proches de quelques adatomes magnétiques cibles à l’aide de la pointe du STM, nous les avons manipulés et substitués par des atomes de Ga dans les deux premières couches de la surface de GaAs(110). Obtenant ainsi des atomes magnétiques ayants des environnements atomiques différents, c’est-à-dire des adatomes de Cr, des atomes de Cr formant trois liaisons avec trois atomes d’As voisins (Cr en première couche) et des atomes de Cr formant quatre liaisons avec quatre atomes d’As voisins (Cr en deuxième couche).

Pour étudier les propriétés électroniques de ces atomes de transition en fonction de leur position dans la surface de GaAs(110), nous avons réalisé sur eux des imageries STM à différents signes de tension ainsi que des mesures de spectroscopie par effet tunnel (STS). Ils ont montré des formes topographiques ayant des symétries miroirs différentes et ont révélé des nombres de pics de STS différents dans le gap de la surface de GaAs(110) selon leur site atomique.  

Des calculs de densité d’états électroniques et des simulations d’images STM ont été effectués, en collaboration avec Michele AMATO, chercheur au C2N, sur des atomes de Cr occupant des sites cationiques dans le GaAs massif et dans les cinq premières couches de la surface de GaAs(110) en utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Des accords entre les calculs théoriques et nos résultats expérimentaux nous ont permis de montrer (i) que les pics de STS mesurés sur les atomes de Cr correspondent à des pics de densité d’états électroniques provenant d’une hybridation entre les états à caractères d’orbitales d du Cr et les états à caractères d’orbitales p de leurs voisins d’atomes d’As et de Ga ; (ii) que nos mesures de STS sur les atomes de Cr dans les deux premières couches de surface sont affectés par la brisure de symétrie à la surface de GaAs(110); (iii) qu’il se produit une levée de dégénérescence de certains états induits dans le gap de GaAs(110) lorsqu’un atome de Cr passe de la première vers la deuxième couche de surface ; (iv) et que les images STM topographiques réalisées à différents signes de tension sur des atomes de Cr insérés dans les deux premières couches de la surface correspondent à des fonctions d’ondes d’états d’hybridations pd spécifiques. 

Electric (E) field control of magnetism in ferromagnetic thin films has attracted great attention as a promising feature that could reduce the energy consumption of novel spin- tronic devices. In particular, electrical control of magnetic anisotropy, and therefore magnetic domain wall (DW) dynamics, is intensively studied in view of applications in low-power electrical magnetization switching.

In this work, I will show a device design based on ionic liquid gating of CoFeB/MgO/HfO2 thin films that allows for an E-field controlled reorientation of the anisotropy easy axis of up to 90◦. Ionic liquid gating is the key to the large anisotropy modulation that these devices can provide. This strong E-field effect was employed to achieve voltage control of magnetic domain wall velocity, pinning and domain nucleation in liquid gated magneto- electric devices.

Membres du jury

Mme. FERRIGNO Rosaria, Université Claude Bernard Lyon 1

Mme. MOTTE Laurence, Université Paris 13

M. KUHN Alexander, Institut des Sciences Moléculaires, Université de Bordeaux

Mme. MENAGER Christine, Université Pierre et Marie Curie

Mme. SELLA Catherine, PASTEUR, ENS

M. LAZERGES Mathieu, UTCBS

M. SIAUGUE Jean-Michel, UPMC

M. GAMBY Jean, C2N

La récupération d'énergie mécanique de vibration à l’aide de transducteurs à capacité variable mène à l’étude de systèmes non linéaires complexes, mais présente des perspectives applicatives très prometteuses. Notre travail a porté sur l’étude d’une nouvelle famille de circuits d'interface pour transducteurs capacitifs. Entre autres avantages, ces circuits sont réalisables avec des rendements élevés à très basse puissance, typiquement dès quelques dizaines de nano-watts de puissance moyenne, ce qui les distingue des solutions présentées dans de l’état de l’art. De plus, Les circuits étudiés dans cette thèse ne contiennent aucun composant magnétique, ce qui constitue un atout considérable en termes de miniaturisation et d’intégration et permet eu outre la compatibilité avec l’imagerie par résonance magnétique. Les différentes structures qui constituent la famille de circuits proposés permettent de répondre à différentes contraintes imposées par le transducteur capacitif, en particulier le rapport des capacités maximale et minimale Cmax/Cmin. A partir d’une tension de sortie donnée, la tension appliquée sur le transducteur capacitif peut être modifiée en utilisant différents circuits ou en utilisant un circuit unique dont la topologie est modifiée à l’aide d’un interrupteur électronique. Les modèles théoriques développés prennent en compte le couplage électromécanique du transducteur de manière à décrire le comportement global des systèmes étudiés. Les circuits étudiés ont été validés expérimentalement avec deux transducteurs capacitifs de structure différente. En pratique, le rendement de ces circuits est proche de 80% pour des puissances converties aussi basses que la centaine de nano watts.

Le sujet de cette thèse est à l’interface entre l’étude de composés à base de nitrure et des structures émergeantes formées par les matériaux bidimensionnels (2D) d’épaisseur atomique. Ce travail se consacre sur l’hybridation des propriétés électriques et optiques des semi-conducteurs à larges bandes interdites que sont les nitrures et des performances mécaniques, électriques et optiques des matériaux lamellaires, récemment isolé à l’échelle d’un plan atomique, qui sont aujourd’hui considérées avec attention aux regards de futures applications et d’études plus fondamentales. En particulier, une étude des propriétés électroniques, optiques et structurelles d’hétérostructures composées de plusieurs matériaux lamellaires et d’interfaces entre matériaux 2D et 3D a été réalisé par des moyens de microscopie et de spectroscopie tel que la spectroscopie Raman, de photoémission et d’absorption. Ce manuscrit traite dans un premier temps des propriétés structurelles et électroniques du nitrure de bore hexagonal (h-BN), matériau isolant aux propriétés optiques exotiques et essentiel dans la future intégration de ce type de matériaux 2D permettant de mettre en valeur leurs propriétés intrinsèques. En utilisant le graphène comme substrat les problèmes de mesures par photoémission rencontrés pour des matériaux isolant ont pu être surmonté dans le cas du h-BN et une étude des défauts structurels a pu être réalisée. Par conséquent, les premières mesures directes de la structure de bande électronique de plusieurs plans de h-BN sont présentées dans ce manuscrit. Dans un second temps, une approche d’intégration de ces matériaux 2D différente a été étudiée en formant une hétérostructure 2D/3D. L’interface de cette hétérojonction, composée d’un plan de disulfure de molybdène (MoS2) de dopage intrinsèque N associé à 300 nm de nitrure de gallium (GaN) intentionnellement dopé P à l’aide de magnésium, a été caractérisée. Un transfert de charge du GaN vers le MoS2 a pu être identifié suggérant un contrôle des propriétés électroniques de ce type de structure par le choix de matériaux. Ces travaux ont permis de révéler les diagrammes de bandes électroniques complet des structures étudiées a pu être obtenu permettant une meilleur compréhension de ces systèmes émergeants.