Nanotubes of transition metal dichalcogenides (TMDs), were firstsynthesized more than a quarter of a century ago; nevertheless, many of theiroptical properties have so far remained basically unknown. Herein, the stateof the art in the knowledge of the optical properties of TMD NTs is presented.First, general properties of multilayered crystals are evaluated, and availabledata on related NTs are analyzed. Then, the technology for the formation andthe structural characteristics of NTs are represented, focusing on thestructures synthesized by chemical transport reaction. The core of this work isthe presentation of the ability of synthesized TMD NTs to emit brightphotoluminescence (PL), which has been discovered recently. By means ofmicro-PL spectroscopy of individual tubes, we show that excitonic transitionsrelevant to both direct and indirect band gaps contribute to the emissionspectra of the NTs despite having the dozens of monolayers in their walls. Theperformance of the tubes as efficient optical resonators is highlighted, whereconfined optical modes strongly affect the emission. Finally, a brief conclusionis presented, along with an outlook of the future studies of this novel radiativemember of the NTs family, which have unique potential for differentnanophotonics applications

Herein, the interest of cubic silicon carbide as a template for the growth of AlGaN/ GaN high electron mobility transistor (HEMT) heterostructures on silicon substrates for high-frequency operation is shown. On the one hand, 0.6-0.8 μm-thick 3C-SiC grown by chemical vapor deposition on intrinsic silicon substrate having initial resistivity superior to 5 kΩ cm enables the metalorganic vapor phase epitaxy of GaN buffer layers with propagation losses below 0.4 dB mm À1 at 40 GHz and 0.5 dB mm À1 at 67 GHz. On the other hand, an HEMT heterostructure is grown on 1.5 μm-thick 3C-SiC on 4 off-axis silicon substrate having an initial resistivity superior to 200 Ω cm that allows to keep a sufficiently resistive epilayer stack limiting the loss up to 0.78 dB mm À1 at 40 GHz. Device process developed on a piece of the 100 mm diameter wafer leads to the demonstration of DC transistor operation with low leakage currents. Compared with direct growth on silicon, these templates enable reduced radio frequency (RF) propagation losses that are very interesting for high-frequency transistors and circuits operation.

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.

Le silicium est le semi-conducteur le plus utilisé dans l’industrie de la micro-électronique de puis les années 60. Mais l’utilisation du silicium pour emmètre de la lumière reste limité de part la nature indirect de son gap. Dans ce contexte, le centre G est le plus prometteur… Nous avons effectué des mesures de spectroscopie optique pour caractériser les propriétés de photoluminescence des centres G. Celui ci est crée par irradiation protons d’un échantillon de silicium enrichi carbone. Les principaux résultats sont les suivants : nous avons mesuré la dynamique de recombinaison des centres G (le temps de vie) qui est de 6 ns. On a mesuré la dynamique de l’état métastable des centres G qui a un temps de vie de 6 us. Puis, nous avons pour pu isoler un centre unique dans le silicium ; et nous avons montré que celui-ci émet des photons uniques.

Ce travail porte sur l’étude optique de la dynamique de spin de deux systèmes: un gaz d’électrons dans des couches minces de CdTe d’une part et des excitons indirects dans un double puits quantique asymétrique en GaAs d’autre part. Des mesures de photoluminescence résolue en temps et en polarisation, et des mesures de spectroscopie pompe-sonde ont permis la détermination des temps de vie et des temps de relaxation de spin des excitons indirects. Le comportement général de la structure a été décrit, les contraintes techniques ont été mise en évidence et les meilleures conditions expérimentales ont été identifiées. En photoluminescence, nous avons mesuré des temps de vie de l’ordre de la quinzaine de ns et des temps de relaxation de spin de 5 ns dans le meilleur cas. L’utilisation d’un setup de spectroscopie pompe-sonde permettant d’étudier des délais très longs a démontré que des temps plus longs encore peuvent être atteints en séparant d’avantage deux impulsions lasers successives.Pour les électrons dans CdTe nous avons utilisé une autre méthode optique: la spectroscopie de bruit de spin qui s’est récemment imposée comme un outil de choix pour étudier la dynamique de spin dans les semi-conducteurs. Son principe consiste à sonder la dynamique d’un système de spins à travers ses fluctuations spontanées. Pour ce faire, ces fluctuations sont encodées dans le plan de polarisation d’un laser hors résonnant par l’intermédiaire de la rotation Faraday.Alors que les réalisations concrètes de cette technique se limitaient jusqu’à présent aux corrélations temporelles, nous proposons ici la première implémentation permettant d’accéder également aux corrélations spatiales du systèmes de spin. Cet accès à la dynamique spatiale est autorisé par une sélectivité en vecteur d’onde de la lumière diffusée venant de l’échantillon et nous offre l’opportunité de mesurer simultanément le temps de relaxation de spin et le coefficient de diffusion de spin. Ayant ainsi une vision complète de la dynamique de spin dans CdTe, nous avons pu confronter la physique du spin bien connue dans GaAs à nos observations dans CdTe. Contre toutes attentes, il semblerait que nos connaissances de GaAs ne soient pas directement transposables à CdTe.

Dipolar, or indirect excitons (IXs) offer a rich playground for both design of novel optoelectronic devices and fundamental many-body physics. Wide GaN/(AlGa)N quantum wells host a new and promising realization of such excitons. Indeed, compared to their counterparts in GaAs-based heterostructures, IXs in nitrides possess two key advantages. They have higher binding energies, and they are “naturally” indirect. This means, that they can be engineered and manipulated in as-grown heterostructures, even without application of an external electric bias. In this work we demonstrate (i) the propagation of IXs over hundreds of micrometers in the plane of GaN/(AlGa)N quantum wells, (ii) confinement and cooling of these excitons, when trapped in the electrostatic potential created by semitransparent electrodes of various shapes deposited on the sample surface (iii) the electrical control of the IX fluxes via an applied gate voltage. Once confined, the exciton fluid accumulates in uniform zones. By modeling the emission spectra of these zones, we get insight into the thermodynamic properties of the thermalized exciton fluid. These results constitute a prerequisite for realization of the GaN-based excitonic devices, as well for studies of the complex phase diagram of these dipolar bosons at low temperature.

Dipolar, or indirect excitons (IXs) offer a rich playground for both design of novel optoelectronic devices and fundamental many-body physics. Wide GaN/(AlGa)N quantum wells host a new and promising realization of such excitons. Indeed, compared to their counterparts in GaAs-based heterostructures, IXs in nitrides possess two key advantages. They have higher binding energies, and they are “naturally” indirect. This means, that they can be engineered and manipulated in as-grown heterostructures UP TO ROOM TEMPERATURES, even without application of an external electric bias. In this work we demonstrate (i) the propagation of IXs over hundreds of micrometers in the plane of GaN/(AlGa)N quantum wells, (ii) confinement and cooling of these excitons, when trapped in the electrostatic potential created by semitransparent electrodes of various shapes deposited on the sample surface (iii) the electrical control of the IX fluxes via an applied gate voltage. These results constitute a prerequisite for realization of the GaN-based excitonic devices, as well for studies of the complex phase diagram of these dipolar bosons at low temperature.