Le développement de LED à base de nitrures représente un enjeu important tant sur le plan scientifique qu’industriel et sociétal. De par leur large bande interdite, les matériaux semi-conducteurs à ...base de nitrures d’éléments III (composés III-N) tels que le GaN et ses alliages sont de très bons candidats pour la réalisation de dispositifs optoélectroniques nouveaux. Néanmoins, ces systèmes présentent bon nombre de limitations, principalement dues à l’évolution des propriétés de l’InGaN lorsque la concentration d’indium augmente. Les effets de contrainte et de polarisation affectent la qualité du matériau et donc l’émission spontanée de la LED en général. De plus, dans un contexte de raréfaction des ressources naturelles, l’utilisation de l’indium, matériau rare et cher, doit se faire de manière raisonnée. Or les systèmes actuels (micro-écran, dispositifs portatifs, ...) requièrent des LED toujours plus puissantes et riches en Indium. Le but est aujourd’hui d’obtenir des LED haute performance, avec un bon rendu de couleurs et surtout à moindre coût en utilisant des matériaux alternatifs. C’est dans ce contexte que s’inscrit ce sujet de thèse qui consiste en l’étude théorique du matériau ZnGeN2 et de son introduction au sein d’une structure LED. L’idée est ici de créer un puits quantique de type II InGaN-ZnGeN2 afin d’augmenter l’efficacité des zones d’actives et ainsi de réaliser des LED pouvant opérer sur une large gamme de longueurs d’ondes allant de l’IR à l’UV. Cette approche permet de diminuer la quantité d’indium dans les LED et ainsi de créer des structures moins onéreuses avec un matériau de meilleure qualité. Le ZnGeN2 dérive des nitrures d’éléments III en remplaçant le groupe III alternativement par un élément du groupe II (Zn) et du groupe IV (Ge). Les énergies de gap et le paramètre de maille de ZnGeN2 sont très proches de ceux du GaN. De plus, les organisations cristallographiques sont similaires et le large décalage de bande entre InGaN et ZnGeN2 autorise la formation d’une hétérostructure du type II InGaN/ZnGeN2. L’insertion d’une couche de ZnGeN2 dans une structure classique de puits quantique GaN/InGaN aboutit à des modifications significatives : le fort confinement des trous dans la couche de ZnGeN2 autorise l’utilisation d’une quantité moindre d’indium dans le puits. Dans le puits quantique de type II InGaN/ZnGeN2 une fine couche d’AlGaN est utilisée comme barrière pour un meilleur confinement. L’ensemble permet d’obtenir un meilleur recouvrement des fonctions d’ondes électron-trou comparé à celui obtenu dans le cas d’une LED classique. Au cours de la thèse nous présenterons les résultats des simulations des différentes structures LED avec puits quantique de type-II. Nous étudierons des structures LED pour des émissions dans le vert et le rouge. Différentes géométries de LED seront développées en faisant varier la position et l’épaisseur de la couche de ZnGeN2. Nous utiliserons ici le logiciel de simulation SILVACO/ATLAS avec le modèle k.p à six bandes pour le calcul de la structure de bandes, qui prend en compte les effets de tension, l’enchevêtrement des bandes de valence ainsi que les polarisations spontanées et piézoélectriques
Nitride LEDs development presents significant scientific and societal issues. The aim is to get low-cost, high efficiency LEDs with accurate color-rending (typically the Color Rending Index has to be higher than 90). Due to their large band gap (from 0.8 to 6.2 eV), III-N materials, as GaN and alloys, are still used for LEDs development. Nevertheless, they present several huge limitations mainly due to the evolution of InGaN properties for higher Indium concentrations. Strain and polarization effects affect then the LED quality through the reduction of the spontaneous emission. New high-performance devices require the development of new materials and the introduction of ZnGeN2 layers could be an alternative solution. We report here on a new green and red-emitting light emitting device (LED) architecture containing only 16% of indium. The structure is based on the use of a new type-II ZnGeN2/In0.16Ga0.84N quantum well. Type II InGaN-ZnGeN2 quantum wells (QWs) were proposed for the improvement of efficiency in active regions and realizing then devices operating in a large wavelength range from UV to IR. The zinc germanium nitride (ZnGeN2) is a new promising semiconductor for optoelectronic devices such as LED or photovoltaic cells due to its large, direct, and adjustable band gap, most particularly considered to overcome the green-gap issue in LED technology. ZnGeN2 derives from the III-nitride elements by replacing the III-group alternatively by a group II (Zn) and a group IV (Ge). Both the energy band gap and the lattice parameters of ZnGeN2 are very close to those of GaN. The crystallographic organizations are similar and the recently predicted large band offset between GaN and ZnGeN2 allows the formation of a type-II InGaN-ZnGeN2 heterostructure. Studies of ZnGeN2 based quantum well behaviors are scarce and no information on the overall electro-optical operation of such LED is available. We simulate here with SILVACO/ATLAS the complete behavior of a green and red LED structures in which the active region is a type-II ZnGeN2/In0.16Ga0.84N quantum well. A thin AlGaN layer is used as a barrier for a better carrier confinement. The position and the thickness of the ZnGeN2 layer are parameters used to examine the luminous and electrical behavior as well as the external quantum efficiency of this LED compared to a standard InGaN-based LED emitting at the same wavelength. Inserting a ZnGeN2 layer in a conventional type-I InGaN QW structure yields significant modifications. The strong confinement of holes in the ZnGeN2 layer allows the use of a lower In-content InGaN QW with uniform In content. We demonstrate a significant enhancement of the spontaneous emission and the possibility to reach both a better quantum efficiency and light output when using the type-II structure. The self-consistent 6-band k.p method is used to perform the band structure calculations, which consider the effect of strain, the valence band mixing, and the spontaneous and piezoelectric polarizations
Les nitrures des éléments III-V, ont été largement étudiés en raison de leurs applications dans les diodes électroluminescentes DEL, les diodes laser et les photodétecteurs. L’énergie de la bande ...interdite « Gap » de ces alliages ternaires ou quaternaires peut être ajustée en fonction de la composition, à des énergies de photons allant de l'infrarouge à l'ultraviolet. Ce gap direct ajustable sur une large gamme, rend ces matériaux très utiles pour les applications photovoltaïques en raison de la possibilité d'inventer non seulement des cellules solaires multi-jonction à haut rendement, mais également les cellules solaires de troisième génération comme les cellules à bandes intermédiaires, reposant uniquement sur les alliages nitrures. En plus de leur grand gap ajustable, les nitrures montrent également d’autres propriétés photovoltaïques intéressantes, comme de faibles masses effectives des porteurs de charge, de fortes mobilités, des coefficients d'absorption élevés ainsi qu’une tolérance aux radiations. La technologie des nitrures III-V a démontré sa capacité à croître des structures cristallines de haute qualité et à fabriquer des dispositifs optoélectroniques, ce qui confirme son potentiel pour le solaire photovoltaïque à très haut rendement. En intégrant ce matériau avec une jonction de silicium cristallin, nous pourrons avoir une cellule multijonction à très haut rendement avec un coût compétitive.
Nitrides of III-V elements, have been widely studied because of their interessting applications in the LED light-emitting diodes, laser diodes and photodetectors. The bandgap of such ternary or quaternary alloys can be adjusted depending on the composition, at photon energies ranging from infrared to ultraviolet. This adjustable direct bandgap over a wide range, making these materials valuable for photovoltaic applications due to the possibility of inventing not only multi-junction solar cells at high efficiency, but also third generation solar cells such as cells with intermediate bandgap, based solely on nitrides alloys. In addition to their large adjustable bandgap, nitrides also show other interesting photovoltaic properties, such as low effective masses of the charge carriers, high mobility, high absorption coefficient and a radiation tolerance. The technology of III-V nitrides has demonstrated its ability to grow high quality crystal structures and to manufacture optoelectronic devices, which confirm its potential for photovoltaic solar energy with very high efficiency. By incorporating this material with crystalline silicon junction, we can have a multijunction cell with very high efficiency with a competitive cost.
Les composites à matrice métallique de titane (Ti-MMC) sont connus comme étant l'un des matériaux les plus difficiles à usiner. Ces difficultés sont dues à la combinaison des problèmes d'usinabilité ...des alliages de titane et des composites à matrice métallique (MMC). Ces composites métalliques de titane offrent des propriétés mécaniques et physiques remarquables par rapport aux alliages de titane et aux MMC. Les Ti-MMC sont ainsi très attractifs pour une large gamme d'applications dans des domaines industriels importants, tels que : l’aéronautique (structure aéronautique, moteur aéronautique…), ou l’automobile (moteur, système de freinage, arbre de transmission…). Bien qu’un certain nombre d'études sur l'usinabilité de ces matériaux aient été réalisées, les mécanismes d'usure des outils ne sont pas encore clairement compris. En particulier, la durée de vie de l'outil lors de l'usinage ainsi que la mauvaise qualité de surface obtenue après usinage.Il a été rapporté que les mécanismes d'usure initiaux jouent un rôle clé dans la durée de vie de l'outil lors de l'usinage. En effet, le contrôle de ces mécanismes peut permettre de réguler la durée de vie de l'outil. Dans le but de changer les mécanismes d'usure initiaux, nous développons ici une nouvelle méthode pour ajuster l’'usure chimique qui se produit dès les premiers moments de la coupe, par le biais d’une couche sacrificielle sur l'outil de coupe. C'est la première fois qu'un dépôt de nickel autocatalytique est appliqué sur des outils en carbure revêtus de nitrure de titane pour l'usinage.Afin de générer une couche sacrificielle mince, nous avons développé une nouvelle technique de dépôt du nickel-bore sans courant, sur des inserts revêtus par PVD de (Ti, Al) N + TiN. Notre placage qui ne nécessite pas de prétraitement de surface repose sur un processus chimique en une seule étape, à base de diazonium. Les caractéristiques du nickel-bore révèlent que les dépôts présentent tous la même quantité de bore, 9,3 ± 0,1% en poids. Une telle homogénéité est intéressante du point de vue industriel. La couche mince sacrificielle du Ni / B est donc déposée sur les inserts revêtus de (Ti, Al) N + TiN dans des conditions difficiles mais efficaces.En appliquant cette nouvelle méthode de placage sur les outils de coupe revêtus par PVD, un certain nombre de tests de tournage du matériau TiMMC ont été réalisés. Les conditions de coupe ont été vi variées et les essais ont été réalisés avec les inserts d’origine revêtus par PVD et ceux avec la couche de placage sacrificielle de Ni / B. Tout d'abord, l'effet des conditions de coupe sur l'usure initiale a été étudiée en suivant le modèle « response surface methodology » (RSM) conformément à la conception composite centrale (CCD). Sur la base de la relation empirique et de régression, les paramètres de coupe initiaux et l'usure du flanc sont discutés. Les résultats obtenus montrent que la vitesse de coupe a un effet significatif sur les inserts d'origine et ceux avec couche sacrificielle lors du tournage des TiMMC.
Les nitrures d’éléments III sont des matériaux clés du fait de leurs excellentes propriétésoptoélectroniques. Ces semi-conducteurs possèdent trois polymorphes de structure et desbandes interdites ...allant de l’ultraviolet (GaN, AlN) à l’infrarouge (InN).Dans un premier temps, ces travaux se concentrent sur l’élaboration en continu denitrure de gallium (GaN) à partir d’un précurseur unique : le tris(diméthylamido) gallaneemployé dans un solvant anhydre (nitrurant ou non-nitrurant) en conditions supercritiquesdans un réacteur microfluidique. Les particules obtenues présentent des tailles nanométriques(~3 nm) et une structure cristalline complexe. Des luminescences intenses dans l’UV, décaléesvers de plus hautes énergies comparées aux matériaux massifs sont mesurées pour cesmatériaux, en accord avec des phénomènes de confinement quantique. L’absence d’émissiondans le visible permet de démontrer la quasi-absence de défauts dans les nitrures élaborés.Dans un second temps, l’étude porte ensuite sur la préparation de la solution solide InxGa1-xN(0 ≤ x ≤ 1). L’approche choisie est différente : la mise en contact d’une source d’azote et d’unesource métallique est ici privilégiée. Le travail de chimie exploratoire effectué sur les différentstypes de précurseurs envisagés met en avant l’intérêt des cupferronates combinés avec leHMDS pour l’élaboration de nanoparticules d’(InGa)N. Un mélange intime et une répartitionhomogène des deux atomes métalliques sont démontrés pour toutes les compositions et sontconfirmés par l’étude des propriétés optiques. Un décalage de l’énergie maximale d’émissionavec l’augmentation du taux d’indium (jusqu’à 40 %) en adéquation avec les valeurs attenduesest mesuré, permettant d’enregistrer des signaux de l’UV jusqu’au rouge.
LII-nitrides are key materials thanks to their excellent optoelectronic properties. Thesesemiconductors have three structural polymorphs and a wide range of bandgaps can beaccessed varying the composition from ultraviolet (GaN, AlN) to infrared (InN).First, this study focuses on the synthesis of gallium nitride from a single source precursor– the tris(dimethylamido) gallane – employed in an anhydrous solvent in supercriticalconditions in a microfluidic reactor. The as-prepared particles present nanometric size (~3 nm)and have a complex crystalline structure. High intensities UV photoluminescence, shiftedtowards higher energies compared to bulk GaN, are recorded for these materials, in agreementwith quantum confinement effect. The lack of visible emission demonstrate the preparation ofdefect-free material. Then, the focus is brought to the preparation of the solid solution InxGa1-xN (0 ≤ x≤ 1) with a different approach. The reaction of a metal source with a nitrogen sourceis studied. Reactions between metal cupferronates and HMDS are deeply investigated after abrief exploratory chemistry work. An intimate mixing of both metals with a homogeneousdistribution is demonstrated for the entire solid solution and is validated with the opticalproperties. A continuous decrease of the energy maximum with increasing indium content (upto 40 % in indium) is in agreement with the theoretical values, yielding to luminescence fromUV to red.
Dans le cadre de la fabrication de pièces structurales pour l’industrie aéronautique, de nouveaux matériaux composites à matrice céramique sont envisagés par le motoriste Safran. Lors de ...l’utilisation dans des environnements sévères de combustion, et sous chargement mécanique, la matrice pourra s’endommager par fissuration et la capacité du matériau à s’auto-protéger sera réduite. Les travaux présentés dans cette thèse ont pour but d'identifier les mécanismes prépondérants de ruine de ce type de matériaux composites en fonction de différentes sollicitations thermiques, mécaniques et environnementales. Une démarche multi-échelle a été adoptée, de manière à considérer les phénomènes à une échelle microscopique (chaque constituant) et macroscopique (synergie entre les constituants au sein du matériau). Le comportement en oxydation/corrosion du matériau composite et de chacun de ses constituants a été caractérisé puis modélisé pour être extrapolé à des environnements de combustion. Différents domaines de protection du matériau ont ainsi été mis en évidence. Dans cette même optique, le comportement thermomécanique des constituants matriciels et du composite a fait l’objet d’essais de fluage pour déterminer les paramètres d’une première modélisation, et analyser les dégradations associées. En couplant les différents résultats obtenus, il est ainsi possible d’évaluer la criticité des différents phénomènes de ruine. Des scenarii de ruine sont donc présentés.
To design and manufacture CMC structural components for aeronautics, Safran develops a new CMC grade, provided to resist severe combustion environments. Understanding this new composite material damaging and failure mechanisms is essential: environmental conditions, mechanical loading, and matrix damages, can lead to a decrease in its self-protective properties. The aim of this work is to identify prevailing high temperature degradation mechanisms of those MI SiC/SiC CMCs, depending of different thermal, mechanical and environmental stresses. To fulfill that outcome, a multi-scale approach was considered, by examining phenomena from single constituents to complex composite architecture (effects of constituents’ synergy). High temperature oxidation/corrosion behaviors of the composite material and each of its constituents were characterized, and modeled to meet representative combustion environment. Different operating areas of efficient self-protection of the composite material were therefore highlighted. In the same perspective, themomechanical behaviors of both matrix constituents and composite were experimentally explored, enabling the determination of behavior laws. Related degradations in the composite material were also analyzed. Crossing all results, it was thereby possible to evaluate kinetics and criticality of failure mechanisms: different damaging scenarios are thus proposed, depending on environmental conditions.
L’objectif de cette thèse est de développer une nouvelle génération de matériaux céramiques de confinement plasma pour les moteurs à effet Hall en mettant en oeuvre la voie PDCs pour polymer-derived ...ceramics ou voie des polymères précéramiques.Un état de l’art des différents matériaux de confinement et un bilan des travaux précédemment menés sur ce sujet ont permis de déterminer les paramètres essentiels de tels matériaux et de s’orienter vers l’utilisation des polymères précéramiques commeprécurseurs des matériaux envisagés. Après avoir détaillé les différents protocoles permettant de modifier chimiquement un polymère commercial avec le bore, de mettre en forme les composés obtenus puis de réaliser la pyrolyse pour générer la céramique, des pièces denses céramiques Si-B-(C)-N ont été réalisées avec une teneur variable en bore. Une étude complète allant de la structure chimique des polymères jusqu’aux propriétés des céramiques résultantes a permis de sélectionner la formulation optimale du polymère comme précurseur de céramique. Des composites c-BN/Si-B-(C)-N ont ensuite été préparés parajout de charges, puis mis en forme et caractérisés avant de procéder à un changement d’échelle visant à préparer des bagues céramiques de taille moteur. La dernière partie consiste en une ouverture sur l’utilisation des polymères précéramiques pour la réalisation de pièces denses Si-Al-(C)-N de composition contrôlée avec en particulier une étude sur l’impact de l’aluminium sur les propriétés des polymères et des céramiques.
The main objective is here to develop a new generation of ceramic materials used for plasma confinement in Hall-effect thrusters using the PDCs (polymer-derived ceramics) route. A state of the art of the different confinement materials and a review of the previous work done on this topic allowed to determine the key parameters of such materials and to move towards the use of preceramic polymers as precursors of the materials envisaged. After having detailed the various protocols used to chemically modify a commercial polymer with boron, to shape the compounds obtained and then to convert the polymers into ceramics bypyrolysis, Si-B-(C)-N dense ceramic pieces have been produced with various boron content. A complete study from the chemical structure of the polymers to the properties of the resulting ceramics allowed selecting the optimal formulation of the polymer as a ceramic precursor. c-BN/Si-B-(C)-N composites were then prepared by filler addition, then shaped and characterized before a scale-up to prepare engine-size ceramic rings. The last part consists of an opening on the use of the PDCs route for the realization of dense Si-Al-(C)-N pieces of controlled composition, with a study of the impact of aluminum on the polymers andceramics properties.
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