Au cours des dernières années, la possibilité de combiner la nanoélectronique et les biocapteurs a ouvert un champ très large et prometteur de la recherche, qui a le potentiel de révolutionner la biologie analytique et pour permettre le diagnostic envahissants et la médecine personnalisée. Plates-formes intégrées de biocapteurs nanoélectroniques peuvent fournir une compensation et l'étalonnage du matériel et des logiciels, une sensibilité améliorée en raison des très petites dimensions, parallélisme élevé, le coût remarquable et la réduction de la taille et les vastes marchés nécessaires à l'industrie des semi-conducteurs. Comme dans le cas de tous les capteurs intégrés nanoélectroniques, la conception fiable et abordable est possible que si des modèles précis sont disponibles pour élucider et quantitativement prédisent le processus de transduction du signal. Cependant, malgré les nombreux efforts, calibré modèles analytiques et numériques pour décrire avec précision la réponse du biocapteur sont encore souvent défaut. Animé par la volonté de combler cette lacune, dans ce travail, nous développons des modèles analytiques compacts et des outils complexes de simulation numérique pour l'étude de la chaîne de transduction dans des biocapteurs nanoélectroniques impédimétriques. En particulier, les ENBIOS simulateur 3D, entièrement développées et validées au cours de cette thèse, est un outil polyvalent qui peut être facilement étendu pour inclure de nouveaux effets physiques ou des descriptions plus sophistiqués d'électrolytes et analytes couplés à des dispositifs semi-conducteurs. Les modèles soulignent l'existence de deux fréquences de coupure pertinentes régissant le biocapteur réponse impédimétriques, ils révèlent les dépendances de la réponse du biocapteur à l'analyte et des conditions environnementales et ils révèlent la présence de signatures bien définis dans le signal d'impédance. Les outils analytiques et numériques sont soigneusement vérifiées et ensuite utilisés pour examiner plusieurs études de cas. La première que nous considérons est un réseau de impédimétriques nanoélectrode biocapteur. En collaboration avec l'Université de Twente, nous étudions sa réponse aux micro-particules conductrices et diélectriques dans des conditions expérimentales bien contrôlées. Nous montrons que les résultats de simulation sont en très bon accord avec les mesures et nous donnent un aperçu des conditions optimales de détection. En étudiant la réponse du biocapteur à de petites particules, comme des protéines, des virus ou de l'ADN, nous confirmons ensuite par simulation les avantages de la spectroscopie d'impédance à haute fréquence, en particulier la capacité des signaux de courant alternatif à une fréquence au-dessus de relaxation diélectrique de la fréquence de coupure de l'électrolyte pour surmonter la Debye criblage et de sonder le volume de l'électrolyte avec une sensibilité presque indépendante de la position et de la charge des particules et de concentration en sel. Dans un deuxième exemple notable nous considérons le cas d'une Silicon Nanowire (SiNW) biocapteur. Nous effectuons les mesures et simulations sur SiNWs dans le régime AC en collaboration avec le CEA / LETI et laboratoires de l'EPFL / CLSE. Nous démontrons le fonctionnement de SiNWs AC en particulier pour les applications de détection pH. Nous confirmons enfin avantage potentiel d'un biocapteur SiNW travailler à haute fréquence, afin d'augmenter la réponse à l'égard de l'opération DC. / In recent years the possibility to combine nanoelectronics and biosensing has opened a very broad and promising field of research, which holds the potential to revolutionize analytical biology and to enable pervasive diagnostics and personalized medicine. Integrated nanoelectronic biosensor platforms can provide compensation and calibration hardware and software, improved sensitivity due to the very small dimensions, high parallelism, remarkable cost and size reduction and the vast markets needed by the semiconductor industry. As in the case of all integrated nanoelectronic sensors, reliable and affordable design is possible only if accurate models are available to elucidate and quantitatively predict the signal transduction process. However, despite the numerous efforts, calibrated analytical and numerical models to accurately describe the biosensor response are often still lacking. Animated by the will to bridge this gap, in this work we develop compact analytical models and complex numerical simulation tools for the study of the transduction chain in impedimetric nanoelectronic biosensors. In particular, the 3D simulator ENBIOS, entirely developed and validated during this thesis, is a general-purpose tool that can be easily expanded to include new physical effects or more sophisticated descriptions of electrolytes and analytes coupled to semiconductor devices. The models point out the existence of two relevant cut-off frequencies governing the biosensor impedimetric response, they reveal the dependencies of biosensor response to the analyte and environmental conditions and they disclose the existence of well-defined signatures in the impedance signal. The analytical and numerical tools are carefully verified and then used to examine several case studies. The first one we consider is an impedimetric nanoelectrode array biosensor. In collaboration with Twente University, we study its response to conductive and dielectric micro-particles under well controlled experimental conditions. We show that the simulation results are in very good agreement with the measurements and we provide insight on optimum detection conditions. By studying the biosensor response to small particles, like proteins, viruses or DNA, we then confirm by simulation the advantages of high frequency impedance spectroscopy, in particular the ability of AC signals at frequency above electrolyte's dielectric relaxation cut-off frequency to overcome the Debye screening and to probe the electrolyte volume with sensitivity almost independent of the particle position and charge and of salt concentration. As a second notable example we consider the case of a Silicon Nanowire (SiNW) biosensor. We perform measurements and simulations on SiNWs in AC regime in collaboration with the CEA/LETI and EPFL/CLSE laboratories. We demonstrate the operation of SiNWs in AC in particular for pH sensing applications. We finally confirm potential advantage of a SiNW biosensor working at high frequency, in order to increase the response with respect to the DC operation. / Negli ultimi anni la possibilità di combinare nanoelettronica e biosensoristica ha apertoun campo di ricerca molto vasto e promettente, che ha il potenziale di rivoluzionare labiologia analitica e di consentire diagnostica pervasiva e medicina personalizzata. Lepiattaforme di biosensori nanoelettronici integrati sono potenzialmente in grado di fornirecompensazioni e calibrazioni hardware, firmware programmabili, una maggiore sensibilitàa causa delle ridotte dimensioni, elevato parallelismo, riduzione notevole dei costi e delledimensioni e i vasti mercati necessari per il settore dei semiconduttori. Come nel casodi tutti i sensori nanoelettronici integrati, un progetto affidabile e conveniente è possibilesolo se sono disponibili modelli accurati per comprendere e prevedere quantitativamente ilprocesso di trasduzione del segnale. Tuttavia, con l’eccezione di alcuni pionieristici sforzi,mancano ancora spesso modelli analitici e numerici calibrati per descrivere accuratamentela risposta della maggior parte dei concept di biosensori.Animati dalla volontà di colmare questa lacuna, in questo lavoro sviluppiamo modellianalitici compatti e complessi strumenti di simulazione numerica per lo studio della catenadi trasduzione in biosensori nanoelettronici impedimetrici. In particolare, il simulatore3D ENBIOS, interamente sviluppato e convalidato durante questa tesi, è uno strumentogenerale che può essere facilmente ampliato per includere nuovi effetti fisici o descrizionipiù sofisticate di elettroliti e analiti accoppiati ai dispositivi a semiconduttore. I modellirilevano l’esistenza di due frequenze di taglio rilevanti che regolano la risposta impedimet-rica del biosensore, rivelano le dipendenze della risposta del biosensore all’analita e allecondizioni ambientali e l’esistenza di firme ben definite nel segnale di impedenza.Gli strumenti analitici e numerici sono attentamente verificati e poi utilizzati per esam-inare diversi casi di studio. Il primo che consideriamo è un biosensore impedimetrico amatrice di nanoelettrodi. In collaborazione con l’Università di Twente, studiamo la suarisposta a micro-particelle conduttive e dielettriche in condizioni sperimentali ben con-trollate. I risultati della simulazione sono in ottimo accordo con le misure e ci fornisconoinformazioni sulle condizioni di rilevamento ottimali. Studiando la risposta del biosensorea piccole particelle, come proteine, virus o DNA, confermiamo quindi tramite simulazionii vantaggi della spettroscopia di impedenza ad alta frequenza, in particolare la capacitàdei segnali in AC a frequenza superiore alla frequenza di taglio di rilassamento dielettricodell’elettrolita di superare lo screening di Debye e di sondare il volume dell’elettrolita conuna sensibilità quasi indipendente da posizione e carica della particella e dalla concen-trazione salina.Come secondo esempio notevole consideriamo il caso di un biosensore a Nanofilo diSilicio (SiNW). Eseguiamo misure e simulazioni su SiNWs in regime AC in collaborazionecon i laboratori CEA / LETI ed EPFL / CLSE. Dimostriamo il funzionamento dei SiNWsin AC, in particolare per applicazioni di misura del pH. Infine, confermiamo i vantaggipotenziali di un biosensore a SiNW operante in alta frequenza, al fine di aumentarel’intensità della risposta rispetto al caso di funzionamento in DC.

Les progrès technologiques de ces dernières années ont permis une très forte intégration des composants de la microélectronique à l'échelle nanométrique. Face aux limites de la miniaturisation classique, les technologies d'intégration en trois dimensions (3D) ouvrent la voie vers des dispositifs miniaturisés hétérogènes avec de nouvelles générations de puces. En parallèle, de nouveaux concepts tels que les nanofils sans jonction et les nanofils en silicium polycristallins permettent à terme d'imaginer des procédés froids et des dispositifs à faible coût permettant une intégration 3D hyperdense sur un CMOS stabilisé. La fabrication de NEMS à base de nanofils polycristallins pour la détection de masse sur CMOS est donc une nouvelle opportunité « More-Than-Moore ». Les capteurs pourraient être disposés en réseau dense en s'inspirant des architectures mémoires et imageurs. L'adressage individuel de chaque NEMS, la possibilité de les fonctionnaliser à la détection de molécules particulières, et la multiplication des capteurs sur une grande surface (« Very Large Integration » (VLSI)) permettraient la mise en œuvre d'un nouveau genre de capteur multi-physique, compact et ultrasensible. Le but de ces travaux de thèse a donc été la fabrication et l'évaluation des performances de NEMS à base de nanofils en poly-silicium. L'enjeu fut de trouver des procédés avec un budget thermique compatible à une intégration sur back-end. Une étude rigoureuse sur les propriétés physico-chimiques de la couche a été corrélée aux performances électriques, mécaniques, ainsi qu'au rendement des NEMS poly-Silicium, ce qui nous a permis de faire une sélection des meilleurs procédés de fabrication. Les NEMS fabriqués à basse température avec une couche active déposée à température ambiante et recristallisée par laser ont montré des performances, que ce soit au niveau de la transduction (piézorésistivité), ou de la stabilité du résonateur compétitives par rapports aux références monocristallines. / Recently, technological advances lead to a very large scale integration (VLSI) of microelectronics components at the nanoscale. Faced with the traditional miniaturization limits, the three dimensions (3D) integration open the door to heterogeneous miniaturized devices, with new chip generations. At the same time, new concepts such as junctionless nanowires and polycrystalline silicon nanowires allow to imagine low temperature processes and low-cost devices for a 3D integration on a stabilized CMOS. Poly-silicon nanowire based NEMS on CMOS for mass detection is a new "More-Than-Moore" opportunity. The NEMS could be arranged in a dense network like memory and image sensor architectures. The individual addressing of each NEMS, the functionalization for the detection of specific molecules within a large area (VLSI), allow the implementation of a new type of Multi-physics sensors, compact and highly sensitive. The purpose of this thesis has been the manufacturing and the performance evaluation of poly-silicon nanowire based NEMS. The challenge was to find the best processes with a back-end compatible thermal budget. A rigorous study of the layer physicochemical properties has been correlated with the electrical, mechanical performances and the yield of poly-silicon NEMS. This allowed us to make a selection of the best fabrication processes. NEMS manufactured at very low temperature with an active layer deposited at room temperature and recrystallized by a laser annealing exhibited high performances in terms of transduction (piezoresistivity) and frequency stability comparable to monocrystalline references. Polycrystalline silicon.

Ce document est le résultat de mon travail de thèse au sein du CEA-Leti Grenoble.Il couvre notamment l'évolution de l'effet piézorésistif et des propriétés de transport électrique de transistors à effet de champ en fonction de différentes variables telles que la géométrie, la température, la contrainte mécanique interne....Le point de focalisation de ce travail est d'étudier l'effet de la réduction à l'extrême des dimensions de canal et de grille dans les transistors MOSFET.Une attention spéciale a aussi été portée sur la modélisation des données électriques.Différents algorithmes sont utilisés pour extraire les paramètres clefs des dispositifs, leurs pertinences en fonction des dimensions sont discutées.Un modèle de l'évolution des coefficients piézorésistifs a été dérivé d'un modèle de transport pour les transistors à grilles multiple.Ce modèle permet de prévoir les variations des coefficients piézorésitifs avec la section (largeur et épaisseur du canal) pour un dispositif multigrille.Un effet qui n'est pas prévu par les théories standards pour les dispositifs à très faible section a été montré par les mesures, des hypothèses sont discutées pour expliquer cet effet. / This document is the result of my thesis work at the CEA-Leti Grenoble.It covers the evolution of the piezoresistive effect and the electrical transport properties of field effect transistor device against several variable such as geometry, temperature, internal stress....The focus of this work is to understand the effect brought by extreme reducing of channel and gate dimensions in MOSFET transistors.A special attention is given on electrical data modeling. Different algorithms are used to extract key parameters of devices and their viability against the device dimensions considered is discussed. A new piezoresistive coefficients model is drawn from a known mobility model,it allows to draw a reliable tendancy of piezoresistive variation against the cross section (channel width and thickness) of a given multigate device.An effect not accountable by standard theory for small cross section was shown by the measurements, and some hypothesis are made and discussed to explain whose results.

Il a été démontré que la structure gate-all-around en nanofils de silicium peut radicalement supprimer les effets de canaux courts. De plus, l'introduction d'espaceurs internes entre ces nanofils peut permettre de contrôler la tension de seuil, à l'aide d'une deuxième grille de contrôle. Ces technologies permettent d'obtenir une consommation électrique extrêmement faible. Dans cette thèse, pour obtenir des opérations à haute vitesse (pour augmenter le courant de drain), la technique de réduction de la résistance source/drain sera débattue. Les propriétés de transport électronique des NWs empilées verticalement seront analysées en détail. De plus, des simulations numériques sont effectuées pour examiner les facultés de contrôle de leur tension de seuil utilisant des grilles sépares. / This thesis is titled “A Study on Carrier Transport Properties of Vertically-Stacked Nanowire Transistors,” and is organized in seven chapters in English. 　 Gate-all-around (GAA) silicon nanowire transistors (SNWTs) are one of the best structures to suppress short channel effect for future CMOS devices. In addition, vertically-stacked channel structure benefits from high on-state current owing to reduced footprint. In this thesis, the carrier transport properties of vertically-stacked GAA SNWTs have been experimentally investigated. The vertically-stacked GAA SNWTs were fabricated on SOI wafers by selective etching of SiGe layers in epitaxially-grown Si/SiGe superlattice and top-down CMOS process. The experimental results reveal stacked-channel structure can achieve superior on-state current. It was also found that the effective mobility decreases with diminishing nanowire cross-section width from 30 nm down to 5 nm. This study gives basis and guidelines to optimize the performance of GAA SNWTs for future CMOS devices.

Surface plasmon is the quantized collective oscillation of the free electron gas in a metallic material. By coupling surface plasmons with photons in different nanostructures, researchers have found surface plasmon polaritons (SPP) and localized surface plasmon resonance (LSPR), which are widely adopted in biosensing, single molecule sensing and detection via surface enhanced raman scattering (SERS), photothermal ablation treatments for cancer, optical tagging and detection, strain sensing, metamaterials, and other applications. The overall objective of this dissertation is to investigate both how mechanics impacts the optical properties, and also how optics impacts the mechanical properties of metal nanostructures reversely. Mechanically engineering individual nanostructures(forward coupling) offers the freedom to alter the optical properties with more flexibility and tunability. It is shown that elastic strain can be applied to gold nanowires to reduce the intrinsic losses for subwavelength optical signal processing, leading to an increase of up to 70% in the surface plasmon polariton propagation lengths at resonance frequencies. Apart from strain engineering, defects are another important aspect of mechanically engineering nanoscale materials, whose impacts on the optical properties of metal nanostructures remain unresolved. An atomic electrodynamic model has been derived to demonstrate that those effects are crucial for ultrasmall nanoparticles with characteristic sizes around 2 nm, and can be safely ignored for those larger than about 5 nm due to the important contribution of nanoscale surface effects. Another key focus of this research project (reverse coupling) is to investigate the currently unknown effects that an external optical field has on the mechanical properties of metal nanostructures. Since each atom in the nanostructure acts as a dipole due to induced electron motions, this optical excitation introduces additional dipolar forces that add to the standard mechanical atomic interactions, which could alter the mechanical properties of the nanostructures. Furthermore, it is shown that when linking mechanics with LSPR, because the metal is dispersive, the mechanical behavior or the strength of the nanostructure should be dependent on the frequency of the electromagnetic excitation. To study this phenomenon, a simpler case with an electrostatic field excitation is considered first, and conclusions are reached on how static fields can be used to tune the elasticity of metallic nanostructures with different sizes and axial orientations and surfaces. Then building upon those understandings, studies were carried out in determining the effects of an optical field, specifically at LSPR frequency, on the mechanical properties of metallic nanostructures. It is found that the initial relaxation strain induced by the static field or optical field is the key factor leading to the variations in the stiffness of the metallic nanostructures that are excited by optical fields at the LSPR frequencies.

abstract: This dissertation describes fundamental studies of hollow carbon nanostructures, which may be used as electrodes for practical energy storage applications such as batteries or supercapacitors. Electron microscopy is heavily utilized for the nanoscale characterization. To control the morphology of hollow carbon nanostructures, ZnO nanowires serve as sacrificial templates. The first part of this dissertation focuses on the optimization of synthesis parameters and the scale-up production of ZnO nanowires by vapor transport method. Uniform ZnO nanowires with 40 nm width can be produced by using 1100 °C reaction temperature and 20 sccm oxygen flow rate, which are the two most important parameters. The use of ethanol as carbon source with or without water steam provides uniform carbonaceous deposition on ZnO nanowire templates. The amount of as-deposited carbonaceous material can be controlled by reaction temperature and reaction time. Due to the catalytic property of ZnO surface, the thicknesses of carbonaceous layers are typically in nanometers. Different methods to remove the ZnO templates are explored, of which hydrogen reduction at temperatures higher than 700 °C is most efficient. The ZnO templates can also be removed under ethanol environment, but the temperatures need to be higher than 850 °C for practical use. Characterizations of hollow carbon nanofibers show that the hollow carbon nanostructures have a high specific surface area (>1100 m2/g) with the presence of mesopores (~3.5 nm). The initial data on energy storage as electrodes of electrochemical double layer capacitors show that high specific capacitance (> 220 F/g) can be obtained, which is related to the high surface area and unique porous hollow structure with a thin wall. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Physics 2016

abstract: Semiconductor nanolasers, as a frontier subject has drawn a great deal of attention over the past decade. Semiconductor nanolasers are compatible with on-chip integrations towards the ultimate realization of photonic integrated circuits. However, innovative approaches are strongly required to overcome the limitation of lattice-mismatch issues. In this dissertation, two alternative approaches are employed to overcome the lattice-mismatch issues. i) By taking advantage of nanowires or nanobelts techniques, flexibility in bandgap engineering has been greatly expanded, resulting in the nanolasers with wide wavelength coverage and tunability. Simultaneous two-color lasing in green and red is firstly achieved from monolithic cadmium sulfide selenide nanosheets. The wavelength separation is up to 97 nm at room temperature, larger than the gain bandwidth of a single semiconductor material in the visible wavelength range. The strategies adopted for two-color lasers eventually leads to the realization of simultaneous red, green and blue lasing and white lasing from a single zinc cadmium sulfide selenide nanosheet with color tunability in the full visible range, making a major milestone in the ultimate solution of laser illumination and laser display. In addition, with the help of nanowire techniques, material emission has been extended to mid-infrared range, enabling lasing at ~3µm from single lead sulfide subwavelength wires at 180 K. The cavity volume of the subwavelength laser is down to 0.44 λ3 and the wavelength tuning range is over 270 nm through the thermo-optic mechanism, exhibiting considerable potentials for on-chip applications in mid-infrared wavelength ranges. ii) By taking advantage of membrane transfer techniques, heterogeneous integration of compound semiconductor and waveguide material becomes possible, enabling the successful fabrication of membrane based nano-ring lasers on a dielectric substrate. Thin membranes with total thickness of ~200nm are first released from the original growth substrate and then transferred onto a receiving substrate through a generally applicable membrane transfer method. Nano-ring arrays are then defined by photolithography with an individual radius of 750 nm and a radial thickness of 400-500 nm. As a result, single mode lasing is achieved on individual nano-ring lasers at ~980 nm with cavity volumes down to 0.24 λ3, providing a general avenue for future heterogeneous integration of nanolasers on silicon substrates. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Electrical Engineering 2016

Les nombreuses modifications de la structure du transistor bulk ont permis de poursuivre la miniaturisation jusqu'à sa limite aux nœuds 32/28nm. Les technologies actuelles répondent au besoin d'un meilleur contrôle électrostatique en s'ouvrant vers l'industrialisation de transistors complètement dépletés, avec les architectures sur film mince (FDSOI) ou non planaires (TriGate FinFET bulk). Dans ce dernier cas, le substrat bulk reste limitant pour des applications à basse consommation. La combinaison de la technologie SOI et d'une architecture non-planaire conduit aux transistors TriGate sur SOI (ou TGSOI). Nous verrons l'intérêt de ces dispositifs et démontrerons qu'ils sont compatibles avec les techniques de contrainte. On montrera en particulier les améliorations de mobilité et de courants obtenus sur ces dispositifs de largeur inférieure à 15nm. Des simulations montrent également qu'un dispositif TGSOI peut être compatible avec les techniques de modulation de VT. Enfin, nous démontrons la possibilité de fabriquer des dispositifs ultimes à nanofils empilés avec une grille enrobante par une technique innovante de lithographie tridimensionnelle. La conception, la caractérisation physique et les premiers résultats électriques obtenus seront présentés. Ces solutions peuvent répondre aux besoins des nœuds sub-10nm. / Changing the bulk transistor structure was sufficient so far to fulfill the scaling needs. The current technologies answer the needs of electrostatics control with the industrialization of fully depleted transistors, with thin-film (FDSOI) or non-planar (TriGate FinFet bulk) technologies. In the latter, bulk substrate is still an issue for low power applications. Combining SOI with multiple-gate structure gives rise to TriGate on SOI (or TGSOI). We will discuss the interest of such devices and will demonstrate their compatibility with strain techniques. We will focus on the mobility and current enhancement obtained on sub-15nm width devices. Simulations also demonstrate the compatibility of TGSOI with VT modulation technique. Finally, we demonstrate the fabrication through 3D lithography of ultimate stacked nanowires with a gate-all-around. The conception, physical characterization and first electrical results are presented.

Avec l'augmentation du nombre de dispositifs utilisant des nanostructures, tels les nanofils pour les systèmes photovoltaïques, les détecteurs, etc., il devient nécessaire de développer des techniques de fabrication de réseau d'objets de dimensions nanométrique à faible coût. Dans cette étude, nous utilisons les propriétés d'auto-assemblage combinées avec des méthodes « descendantes » pour créer des réseaux de nanostructures très denses et très organisés. En effet, nous proposons de produire des réseaux hexagonaux parfaits d'alumine poreuse (AAO) et de les utiliser pour la croissance confinée de fils de silicium (Si) par la technique de dépôt chimique en phase vapeur (CVD).L'AAO est naturellement obtenue par oxydation de l'aluminium dans un acide, mais ce processus seul n'apporte qu'une organisation des pores très faible. Nous présentons un procédé innovant utilisant la lithographie par nano-impression thermique pour pré-texturer l'aluminium avant son anodisation. Ainsi, nous obtenons des réseaux poreux hexagonaux parfait sur des surfaces allant jusqu'à 4 cm ². Toutes les caractéristiques géométriques de la membrane poreuse peuvent être ajustées en faisant varier les paramètres expérimentaux de l'anodisation. En outre, pour augmenter la densité du réseau et réduire le coût de fabrication du moule d'impression, nous avons développé des structures originales avec une croissance mixte de pores guidées et générer naturellement.Afin d'étudier les caractéristiques de ces réseaux et suivre leur évolution au cours de leur formation, nous présentons les résultats d'une étude de diffusion des rayons X aux petits angles réalisée in situ pendant la formation de l'AAO.L'AAO est finalement utilisée comme matrice guide pour la croissance auto-organisée de fils de Si par CVD. Nous présentons donc des réseaux hexagonaux parfaits de nanofils crus perpendiculairement à la direction <100 > des substrats de silicium. Les différentes étapes du procédé, du dépôt de catalyseur à la croissance des fils sont présentées. Grâce à cette technique, nous obtenons des densités de fils allant jusqu'à 9.109 cm-2 et la dispersion des diamètres est meilleure que lors d'une croissance colloïdale (CVD). La composition chimique et l'orientation cristalline des nanofils confirme qu'ils sont en silicium et que nous avons à la fois des orientations <100> et <111>. Nous avons étudié également la conductivité entre le sommet des fils et le substrat grâce à la technique du microscope à force atomique conducteur. / With the increased number of devices using functional nanostructures, e.g nanowires for photovoltaic systems, detector etc, it becomes of great importance to develop low-cost and versatile fabrication of systems with nano-objects. In this study, self-assembly properties combined with top-down methods were used to create highly dense and organized nanostructures. Indeed, flawless hexagonal porous anodic alumina arrays (PAA) were successfully used as a template for the epitaxial Silicon (Si) nanowires (NW) growth in a chemical vapor deposition reactor (CVD).PAA is naturally obtained by oxidation of aluminum in acid; however this simple process brings a poor pores organization. We present an innovative route using Thermal NanoImprint Lithography previous to aluminum anodization to prepare perfect hexagonal nanopore array on large surface (4 cm²). All the geometrical characteristics of the porous membrane can be adjusted by varying experimental parameters. Furthermore, to increase the density of the array and reduce the fabrication cost of the imprint mould, original structures with a mixed growth of NIL-guided pores and generation of naturally-guided pores (induced pores) have been developed. Shapes of the pores can be modified varying the electrolyte.To know the characteristic of these arrays and their evolution during formation, we will present the results of the hitherto unseen In Situ study under Grazing Incidence Small Angle X-ray Scattering of PAA formation.The PAA is finally used as templates for the self-organized Si NW growth in a CVD reactor. Hexagonal nanowire arrays grown perpendicularly to <100> silicon substrates were successfully produced. The different process steps from the catalyst deposition to the planarization of the array are presented. The quality of the final silicon array is discussed. Densities up to 9*109 NW.cm-2 and diameter dispersion better than colloidal growth are achieved. The chemical composition and the crystalline orientation of the nanowires confirms the nanowires are in silicon and a mix between <100> and <111> orientation. We also measured the conductivity between the top of the vertical nanowire and the substrate with conductive atomic force microscopy.

Cette thèse s'inscrit dans la thématique de la nano-optomécanique et de l'emploi de nanorésonateurs mécaniques comme sonde de force ultrasensible pour étudier leur interaction avec la lumière. Pour cela, un nanofil de carbure de silicium est positionné dans un faisceau laser fortement focalisé. Cela permet, en mesurant les fluctuations de l'intensité transmise, d'observer avec grande dynamique et une sensibilité proche de la limite quantique standard le mouvement Brownien du nanorésonateur. La grande sensibilité en force des nanofils, inhérente à leur très faible masse, permet d'étudier l'action en retour de la mesure, c'est-à-dire la force exercée par le laser focalisé sur le nanofil. L'exploitation de la légère levée de dégénérescence observée entre les deux polarisations mécaniques transverses permet de réaliser une cartographie vectorielle bidimensionnelle du champ de force optique, avec une sonde de diamètre sub-longueur d'onde. Cette mesure permet également de mettre en évidence le caractère non-conservatif de l'interaction lumière-matière, dont la signature emblématique est l'existence de vorticité dans le champ de force mesuré. Ce dernier présente de très fortes variations spatiales, qui modifient profondément la dynamique du nanofil. Cette action en retour de la mesure est responsable d'un fort couplage entre les deux polarisations mécaniques du mode fondamental du nanofil. Le caractère bidimensionnel du couplage ainsi que la topologie non-conservative du champ de force conduisent à une bifurcation et à une instabilité dynamique du nanofil. Cette nouvelle instabilité optomécanique est observée avec des forces optiques instantanées, qui suivent instantanément les variations d'intensités vues par le nanofil. En présence d'absorption, le cas plus général d'un champ de force partiellement retardé par les constantes de temps thermiques est également étudié, conduisant à un refroidissement, spécifique et accordable en position, des deux polarisations mécaniques. Enfin l'interaction lumière-matière entre le laser et le nanofil et la grande variété des propriétés optomécaniques accessibles à cette approche sont développés. Ces développements démontrent la possibilité d'observer et de contrôler optiquement des nanorésonateurs mécaniques de très grande sensibilité, proche de l'attonewton, pour des mesures vectorielles ultrasensibles de champ de force. / This thesis is related to the field of nano-optomechanics and the use of nanomechanical resonators as ultrasensitive force sensor to study their interaction with light. A silicon carbide nanowire is positioned in a tightly focused laser beam. This enables, by measuring the transmitted intensity fluctuations, to observe with great dynamics and with a sensitivity close to the standard quantum limit the Brownian motion of the nanoresonator. The huge force sensitivity of the nanowires, due to their ultra low mass, permits to study the measurement backaction, which is induced by the force exerted on the nanowire by the focused laser beam. The exploitation of the slight degeneracy observed between the two transverse mechanical polarizations enables to realize a vectorial bidimensional cartography of the optical force field, with a probe of sub-wavelength diameter. This measurement highlights the non-conservative feature of the light-matter interaction, a symbolic signature being the existence of vorticity in the measured force field. The latter shows strong spatial variations, which modify deeply the nanowire dynamics. This measurement backaction is responsible of a strong coupling between the two mechanical polarizations of the nanowire fundamental mode. The bidimensional feature of the coupling and the force field non-conservative topology lead to a bifurcation and to a dynamical instability of the nanowire. This new optomechanical instability is observed with instantaneous optical forces, which follows instantaneously the intensity variations seen by the nanowire. In presence of absorption, a more general case of a force field partially delayed by the thermal time constants is studied, leading to a cooling, specific and tunable with the position, of the two mechanical polarizations. Then, the light-matter interaction between a laser and the nanowire and the great variety of optomechanical properties accessible with this approach are developed. These developments demonstrate the ability to observe and control optically nanomechanical resonators with a huge sensitivity, close to the attonewton, for ultrasensitive measurements of vectorial force fields.