L'objectif de cette thèse était l'élaboration par croissance auto-assemblée et l'étude des processus de retournement d'aimantation de particules magnétiques modèles de Fer épitaxiées sur une surface (110) de Molybdène. Une étude systématique de la croissance de Fe sur Mo(110)/Al2O3(11-20) sous ultra-vide par Dépôt Laser Pulsé est présentée. Cette étude a permis d'affiner les connaissances de la littérature concernant la croissance de couches continues grâce à des observations STM in-situ, et d'étudier en détail les différentes méthodes permettant d'auto-assembler des nanostructures (plots, bandes). A haute température (Ts>600K), la croissance de Fe sur Mo(110) conduit à la formation d'îlots 3D compacts auto-assemblés qui, comme démontré par un calcul énergétique, présentent la forme facettée et les rapports d'aspect de cristaux de Fe à l'équilibre thermodynamique. A température modérée (300K< Ts< 600k), la croissance de Fe sur Mo(110)est affectée par des limitations cinétiques. Un dépôt à 500K, ou le recuit d'une couche continue déposée à 300K ou à 400K, conduit à la formation de bandes nanométriques de Fe auto-organisées le long des marches de la surface faiblement vicinale de Mo(110). Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié particulièrement les propriétés magnétiques d'îlots 3D compacts de taille sub-micronique. En combinant des mesures macroscopiques, des mesures sur des particules individuelles, et des simulations micromagnétiques, nous arrivons à décrire de façon détaillée la configuration en domaines et les processus de retournement d'une particule individuelle en fonction de ses caractéristiques morphologiques et structurales. Par ailleurs, les propriétés magnétiques de particules qui présentent une rémanence non nulle (petits îlots compacts, bandes auto-organisées de Fer) ont été étudiées à partir des cycles d'hystérésis macroscopiques à l'aide d'une méthode de séparation des contributions réversible et irréversible à la variation d'aimantation.

L'utilisation de nano-structures dans des dispositifs optiques ou électroniques est pressentie comme une solution aux limites des technologies micro-électroniques actuelles. Mais l'utilisation des propriétés physiques de ces nano-structures présuppose un contrôle collectif de la taille de la densité de ces objets. Ce travail étudie la possibilité d'organisation contrôlée de nano-structures par des champs élastiques périodiques. Ces champs élastiques sont induits par des réseaux de dislocations enterrés, créés par collage moléculaire Si/Si. Nous avons montré que l'organisation directe par épitaxie des nano-structures n'est pas possible, mais qu'en utilisant une gravure chimique sensible aux champs élastiques, il était possible de définir une surface structurée à l'échelle nanométrique de manière bien contrôlée. Ce nouveau type de surface a ensuite été utilisé comme gabarit pour la croissance de nano-structures de germanium, ce qui a montré son efficacité en termes d'organisation.

Les nanostructures de semiconducteurs sont des objets très intéressants pour de nombreuses applications en microélectronique ou en optoélectronique. Néanmoins, pour pouvoir les utili-ser, il est nécessaire de contrôler leur taille, leur densité et leur répartition spatiale. C'est pour-quoi de nombreux travaux de recherche ont été consacrés ces dernières années à la maîtrise de ces paramètres. La majorité des études porte sur la mise au point d'une méthode de croissance collective auto-organisée des nanostructures. Dans notre travail, nous avons choisi d'élaborer un substrat fonctionnel apte à provoquer l'auto-organisation latérale des nanostructures. Le moteur de l'organisation est le champ de contraintes induit en surface par un réseau de dislo-cations enterrées, obtenues par le collage et le transfert d'un film ultra-mince de silicium sur une plaque de silicium. Pour ce faire, nous avons mis au point des méthodes originales de contrôle des angles de collage. En menant de front procédé de réalisation et études structura-les, nous avons démontré que ces substrats organisent latéralement le dépôt de boîtes quanti-ques de silicium. Ces substrats pourraient donc être utilisés pour fabriquer de nouveaux com-posants pour la microélectronique ou l'optoélectronique tels que par exemple des nouveaux types de mémoires non volatiles.

La notion d'onde plane est omniprésente dans la physique de l'état cristallin. Que l'on pense au théorème de Bloch, lequel assure que les fonctions d'onde électroniques ont la périodicité du réseau (à une phase près); ou bien que l'on pense aux degrés de liberté atomiques appelés "phonons", on retrouve toujours la notion d'onde plane. Il est assez intuitif que cette notion va faciliter énormément la compréhension de tous les problèmes liés à la physique du transport. Par exemple, en ce qui concerne le transport de la chaleur, la plupart des cristaux, à température ambiante, ont à peu près les mêmes propriétés puisque la conductivité thermique de tous les cristaux est toujours de l'ordre de 0.3W/K/cm, à un facteur 3 près dans un sens ou dans l'autre. Pour ce qui concerne le transport électrique, la question se complique à peine du fait de la statistique de Fermi Dirac, qui traduit le principe d'exclusion de Pauli: ainsi, la conductivité électrique sera soit très bonne s'il existe des états accessibles libres à une distance en énergie inférieure à la température T, et très mauvaise si au contraire il faut franchir une grande bande interdite pour exciter les électrons. Ce travail se situe dans le vaste ensemble des recherches visant à appréhender la physique du transport dans les matériaux qui sont très loin de présenter la perfection de la périodicité cristalline. Nous allons en effet traiter de quelques questions relatives au transport dans les "verres". Pour tous ces matériaux (parfois appelés "amorphes"), on ne peut plus faire appel aussi naturellement à la notion d'onde plane, ce qui, immédiatement, complique beaucoup la compréhension des phénomènes de transport. En effet, tant que l'écart à la périodicité reste faible (comme dans le cas des cristaux comportant des défauts), la notion d'onde "moyenne naturellement" l'effet de ces écarts à la périodicité idéale. Qu'en est il lorsque la notion d'onde n'est plus aussi naturelle ? Intuitivement, il semble que le transport sera toujours - cette idée souffre quelques exceptions, comme par exemple le fait que, pour $T\le 7$K le Bismuth transporte infiniment mieux le courant lorsqu'il est amorphe (il est alors supraconducteur) que lorsqu'il est cristallin (il est alors normalement métallique). Mais il est bien connu, depuis les développements de la Théorie de Landau des Liquides de Fermi, que l'instabilité supraconductrice joue un rôle tout à fait exceptionnel pour les systèmes électroniques - plus difficile que dans le cas cristallin équivalent. Nous déclinerons cette intuition au travers de deux idées que nous retrouverons dans chacun des trois chapitres de ce document : * Le transport est si difficile dans les "verres" qu'il est fortement "inhomogène", autrement dit il est dominé par une petite portion de l'ensemble "contrainte extérieure/système vitreux". * L'étude du régime non linéaire, où les effets produits sur le système cessent d'être proportionnels à la contrainte appliquée, est un très bon révélateur de la nature de cette "petite portion" qui domine le problème du transport. Ainsi, dans le chapitre 1, consacré à l'étude des échauffements produits dans des verres isolants soumis à des micro faisceaux de particules, nous verrons que le problème du transport (de la chaleur) est dominé par les fluctuations temporelles de l'intensité du faisceau incident: la somme des effets thermiques induits sera dominée par ce qu'il se passe durant les brefs instants où le faisceau est d'intensité "exceptionnellement" élevée. Toute cette physique provient de la très faible conductivité thermique du verre, 10 à 100 fois plus faible que celle des cristaux, à Température ambiante. Le chapitre 2 est consacré à l'étude de la conduction par sauts entre états électroniques localisés par le désordre. Dans ce cas, contrairement au chapitre 1, l'intensité de la contrainte appliquée (celle du champ électrique F) peut être maintenue parfaitement stable dans le temps. Cependant, nous verrons que ce sont alors les "fluctuations spatiales" qu'il faut prendre en compte pour comprendre le transport. Nous montrerons, en effet, que, suivant la valeur du champ électrique F, le chemin qui porte l'essentiel du courant électrique, dans le verre, n'est pas du tout le même: pour $F \to 0$, il s'agira d'un chemin de type "percolation isotrope", alors que dans la limite $F \to \infty$ ce sera un chemin de type "percolation dirigée". Nous montrerons que le comportement non linéaire courant tension permet justement de "voir" cette transformation d'un type de chemin en l'autre, et d'obtenir certains renseignements nouveaux sur la topologie de ces chemins de percolation. Enfin, le chapitre 3 traite de la constante diélectrique basse fréquence dans les verres isolants. Cette étude s'inscrit dans le cadre qu'on appelle "le modèle des doubles puits" élaboré par Anderson, Halperin et Varma (et indépendamment par Philipps) au début des années 70. Nous rappellerons que ce modèle, en dépit de sa simplicité extrême, permet de rendre compte du comportement si particulier des verres, surtout aux plus basses températures. Cependant, nous montrerons qu'en y regardant de plus près, le comportement non linéaire de la constante diélectrique ne peut pas être expliqué dans ce modèle. Nous proposerons alors, suivant un travail récent de Burin et al., que le problème du transport dans ces systèmes est dominé par "des fluctuations spatio-temporelles" tout à fait particulières: les doubles puits n'interagissent efficacement que s'ils sont quasi semblables (donc a priori assez éloignés les uns des autres), et, de plus, l'interaction ne joue un rôle qu'à certains instants bien précis de la période électrique, qui dépend des caractéristiques fines des deux doubles puits considérés. Nous nous permettons une remarque de forme : la longueur de ce document atteint la limite supérieure autorisée à cause des efforts qui ont été faits pour le rendre "lisible". En particulier, chaque sous-chapitre comporte une introduction exposant le problème traité et une conclusion synthétisant les résultats principaux. On peut donc sauter des sous chapitres entiers, sans pour autant perdre le fil de la lecture. Une autre façon de lire ce document est de ne considérer que les Figures et leurs légendes, qui constituent un sous ensemble suffisant pour comprendre l'essentiel de ce qui est dit. Enfin, bien sûr, on peut, si on le désire, lire ce travail en entier. Dans ce cas, l'exposition des problèmes a été conçue pour qu'aucune consultation de la bibliographie ne soit nécessaire, même pour une compréhension détaillée des résultats obtenus.

Nous avons entrepris une étude systématique de l'évolution de la structure et des propriétés physiques de la série de composés excédentaires en oxygène M+3Cu+1O2+δ (M=Y, La, Nd, In et Sc) en fonction de la stœchiométrie en oxygène. Ces composés dérivés de la delafossite, se révélaient très intéressants à la fois pour l'analogie qui existe avec les cuprates supraconducteurs et pour les propriétés magnétiques exotiques dues à la basse dimensionalité et à la présence de réseaux frustrés. En optimisant les conditions de synthèses nous sommes parvenus à synthétiser sous forme de poudres des composés de bonne qualité, nous permettant de réaliser des études structurales détaillées. Dans ce contexte, les techniques de laboratoire, telles que la diffraction de rayons X et la microscopie électronique ont été combinées avec la diffraction de neutrons et de rayonnement synchrotron. Les surstructures apparaissant dans ces composés, dépendent de la valeur de δ (1/2 ou 2/3) ainsi que de la nature du cation M+3. L'insertion de l'oxygène dans les plans de cuivre peut conduire à l'apparition de chaînes de spins couplés par superéchange ou à des plans de kagomé formés de triangles de cuivres centrés par les atomes d'oxygène. Le calcul de structure électronique confirme l'apparition de niveaux d'impuretés dans la bande interdite de la delafossite non-dopée. D'autre part les mesures de résistivité effectuées, montrent que tous les composés synthétisés sont des isolants à localisation induite par le désordre. Les propriétés magnétiques révèlent des comportements différents, caractéristiques de chaque type de réseaux de spins ½ formé.

Le comportement des systèmes magnétiques submicroniques suscite un vif intérêt, motivé par le progrès continu des techniques de nano-fabrication et entretenu par une multitude d'applications potentielles (mémoires non-volatiles). La compréhension des effets induits par le confinement de la taille latérale des systèmes magnétiques combine le micromagnétisme expérimental et numérique. L'objectif de ce travail est de développer des outils numériques appropriés à l'étude du magnétisme des structures de dimensions réduites, en utilisant la modélisation micromagnétique. L'approximation des différences finies est utilisée pour l'évaluation des énergies et des champs internes qui décrivent l'état du système. L'algorithme de la minimisation de l'énergie libre repose sur l'intégration temporelle de l'équation de Landau-Lifshitz-Gilbert. L'amélioration de l'approche numérique (la précision du calcul, la stabilité du schéma d'intégration) ainsi que sa validation à travers des problèmes test et des résultats expérimentaux représentent les premières étapes de nos travaux. Cette approche numérique flexible nous a permis d'étudier des systèmes bi- et tri-dimensionnels, périodiques et non-périodiques. Ainsi, les détails de la structure interne des parois de domaines dans des couches minces de Co à anisotropie magnétocristalline uniaxiale planaire ou perpendiculaire ont été obtenus et analysés en fonction de l'épaisseur de la couche et du champ externe appliqué. L'étude menée sur les plots cylindriques de Co nous a permis d'établir les limites de stabilité des différents états magnétiques en fonction de la taille latérale et des paramètres de matériau. Notamment l'état de type vortex, favorisé par la symétrie circulaire de l'objet, a été analysé pour un champ appliqué perpendiculairement au plan du plot. Le caractère tridimensionnel des parois de domaines dans des nanofils de Co épitaxiés à anisotropie magnétocristalline parallèle ou perpendiculaire à l'axe du fil a été mis en évidence.

Cette thèse présente l'étude expérimentale et théorique des propriétés magétiques de films ultraminces de cobalt épitaxiés sur substrats d'or polycristallins. Les mesures des cycles d'hystérésis confirment la présence (précédemment observée par résonance ferromagnétique) d'une forte anisotropie d'interface s'opposant au champ démagnétisant, et donnant lieu, pour des épaisseurs de cobalt inférieures à 6 plans atomiques, à un basculement de l'axe de facile aimantation perpendiculairement au plan de la couche. J'ai également mis en évidence deux phénomènes nouveaux: à basse température, le champ coercitif augmente considérablement aux faibles épaisseurs; à température ambiante, il existe un traînage important de l'aimantation. J'ai interprété ces phénomènes à l'aide d'un modèle de mouvement de parois de Bloch, montrant le rôle prépondérant joué par la rugosité interfaciale. J'ai étudié théoriquement, par des calculs de structure électronique dans l'approximation des liaisons fortes, l'anisotropie magnétique de films monoatomiques de fer, cobalt et nickel. Ces calculs contribuent à une compréhension meilleure de ce phénomène. Par ailleurs, l'étude du moment magnétique orbital m'a permis de prédire un effet original dans ces films ultraminces: une anisotropie du moment magnétique d'environ 0,1 magnéton de Bohr, très supérieure à celle des matériaux massifs. Enfin, j'ai étudié, à l'aide de modèles phénoménologiques, l'effets des imperfections (rugosité, déformations interfaciales) sur l'anisotropie magnétique.

Nous avons étudié la structure de la surface de mica muscovite clivée à l?air par diffraction d?électrons lents en mode oscillant. Cette nouvelle méthode d?analyse structurale, que nous avons développée à partir d?un système optique standard de résolution conventionnelle, possède une grande sensibilité. En outre, elle permet de former des images de diffraction entières sans procéder, comme le font les autres diffractomètres à haute résolution, à une reconstitution ligne par ligne. Cette caractéristique permet aussi de réaliser des acquisitions d?image qui sont corrélées temporellement avec une excitation extérieure, ce qui rend possible toute une gamme d?expériences nouvelles, notamment dans le cadre de la réponse thermodynamique d?une surface au voisinage d?une transition de phase. Notre étude de la surface du mica muscovite par diffraction d?électrons lents en mode oscillant a permis pour la première fois de mettre en évidence la nanostructuration de sa couche superficielle. Notre interprétation est que lors du clivage, la surface du mica s?auto-organise pour former un arrangement d?îlots à l?intérieur desquels les atomes de potassium occupent les sites réguliers du cristal. Les îlots sont soit de taille définie soit séparés par une distance définie. Dans les zones interstitielles qui les séparent, les ions potassium, en concentration beaucoup plus faible, formeraient une couche amorphe.

Tous les supraconducteurs à haute Tc contiennent des plans CuO2 qui gouvernent leurs propriétés physiques. Selon le dopage en porteurs dans ces plans, les cuprates passent d'un comportement antiferromagnétique/isolant à un comportement supraconducteur/métal corrélé (cas sous-dopé), puis semblent retrouver un caractère métallique et perdent progressivement la supraconductivité (cas surdopé). Il est donc important de déterminer le rôle et la nature des corrélations dans ces plans au dessus de Tc selon le dopage. Pour cela, nous avons mené des mesures par RMN dans des composés à un ou deux plans par maille, purs ou contenant des impuretés par substitution. Un « pseudogap » de spin dû à la présence de corrélations magnétiques a été mis en évidence dans le composé sous-dopé YBa2Cu3O6.6 (2 plans/maille) au dessus de Tc. Nos mesures par RMN de l'17O montrent que ce « pseudogap » existe également à q=0 dans le composé HgBa2CuO4+y (1 plan/maille). Ce pseudogap apparaît donc comme une propriété intrinsèque des plans CuO2 de ces systèmes, et ne peut être expliquée par un couplage entre plans adjacents. Nous présentons également une étude de l'effet des impuretés, des ions Zn2+, Ni2+ ou Li+ substituées en site Cu2+ des plans, sur le magnétisme des plans au dessus de Tc. La RMN de l'17O, du 7Li et des mesures par SQUID montrent que les impuretés induisent des moments magnétiques locaux dans les plans sans affecter le dopage. Les valeurs anormales observées pour ces moments peuvent être expliquées par la frustration par substitution des corrélations antiferromagnétiques. Notre approche consiste alors à considérer ces moments comme des perturbations localisées qui permettent de sonder la susceptibilité Chi'(q non nul) des plans par RMN de l'17O. La RMN sonde la polarisation des spins électroniques des plans, proportionnelle à la susceptibilité spatiale chi'(r), r étant la distance à l'impureté. Nos mesures montrent une dépendance anormale en température dans les composés sous-dopés, interprétable par la présence de corrélations magnétiques. Cette dépendance anormale disparait à plus fort dopage, indiquant une évolution d'un comportement fortement corrélé à celui d'un liquide de Fermi. Cette approche est une nouvelle méthode pour sonder chi'(q), jusque là mesurée de façon incomplète seulement par les mesures de temps de relaxation transverse.

Dans ce travail nous explorons numériquement le diagramme de phase d'un système quantique d'électrons en interaction Coulombienne et en présence de désordre. Pour cela, nous étudions un modèle sur réseau dont la diagonalisation exacte, à l'aide d'un algorithme de Lanczos, nous donne les énergies et les états propres du système. L'étude de ces systèmes est motivée par des expériences récentes (1994 Kravchenko et al) montrant une transition métal-isolant dans des gaz bidimensionnels d'électrons, pour des énergies Coulombienne dix fois plus importantes que l'énergie cinétique. Les principaux résultats concernent l'état fondamental du cas bidimensionnel. On développe la théorie de perturbation autour du cristal de Wigner. On calcule en particulier le courant permanent dont le signe, qui est indépendant du désordre, se déduit par une règle simple que l'on donne ici. On a aussi étudié des systèmes de quelques électrons: on met en évidence une correspondance entre le comportement de ces systèmes et les résultats des expériences de transports et de magnétisme (1999 Mertes et al). On montre, en particulier, l'existence d'un régime, à des interactions intermédiaires, entre le cristal de Wigner à forte interaction et le verre de Fermi à faible interaction. L'état fondamental, dans ce régime, possède des caractéristiques à la fois du solide et du liquide, conformément a la conjecture d'Andreev-Lifshitz. Dans la dernière partie, on s'intéresse au problème de deux particules en interaction sur une chaîne désordonnée, où une interaction locale conduit à une délocalisation partielle de certains états (1994 Shepelyansky). En considérant une interaction Coulombienne, on montre qu'on a une délocalisation spatiale de ces états. On montre aussi que les statistiques spectrales sont identiques à celle d'un métal diffusif : on obtient une statistique de Wigner-Dyson, alors qu'avec une interaction locale on atteint seulement une statistique intermédiaire de semi-Poisson.