L'étude des mécanismes fondamentaux qui contrôlent l'injection des électrons polarisés en spin à partir d'un métal ferromagnétique vers le silicium ainsi que l'interaction entre ces spins et l'aimantation d'une électrode ferromagnétique « collectrice » en spin, constitue le sujet de ce travail de thèse. Cette étude est basée sur l'analyse et la modélisation des caractéristiques électriques obtenues sur une structure « test » composée de deux électrodes ferromagnétiques servant respectivement à injecter et à collecter les électrons polarisés en spin. Une étude approfondie des propriétés électriques de la diode ferromagnétique/isolant/silicium (FMIS) est aussi réalisée. Le renversement sélectif de l'aimantation d'une des deux électrodes et la variation de la (magnéto-) résistance attendue fournissent un outil pour l'étude de l'injection de spins dans le silicium. Ce concept de mémoire magnétique intégrée sur silicium pourrait fournir à terme une solution alternative aux mémoires de type flash qui vont être de plus en plus confrontées au problème de rétention d'information.

Cette thèse présente une étude théorique des oscillations de courant et l'émission de lumière THz dans les super-réseaux de semi-conducteur polarisés soumis à une excitation optique pulsée. Ce travail a été fait en étroite collaboration avec des expérimentateurs. Ceci a permis de faire des comparaisons entre la théorie et l'expérience. Dans la dernière partie de cette thèse, nous poursuivons notre étude en incluant les effets sur les oscillations de courant d'un champ magnétique parallèle au champ électrique de polarisation. Nous modélisons par une approche quantique la dynamique des porteurs de charge dans les super-réseaux lors d'une excitation optique femtosecondes au moyen des états de Wannier-Stark et excitoniques. Tous les paramètres mis en jeu dans le phénomène des oscillations de courant sont discutés. De même, nous donnons les éléments nécessaires à l'optimisation de l'émission THz. L'excellent accord entre les calculs et les résultats expérimentaux donne crédit à notre modélisation. Finalement, nous incluons les effets sur l'amplitude du courant et de l'émission suite à l'application d'un champ magnétique intense appliqué parallèlement au champ de polarisation. Nous prédisons d'importantes modifications du spectre des oscillateurs, associées à la quantification additionnelle du quasi-continuum existant dans le plan perpendiculaire au champ électrique en l'absence du champ magnétique.

Dans un système constitué de deux jonctions tunnel supraconductrices de très petite taille (100 nm x 100 nm) connectées en série, l'effet Josephson qui tend a imposer la phase entre en compétition avec les effets de charge dans l'électrode centrale (l'île du dispositif) qui tendent à fixer la charge. En appliquant une tension sur une électrode supplémentaire (appelée « grille ») on peut arbitrer cette compétition en faveur de l'un ou l'autre de ces effets. Ceci est visible sur en particulier sur le supercourant traversant le dispositif : il est modulé périodiquement avec la tension de grille (d'où le nom de « transistor » donné au système). Cette modulation présente un pic très prononcé lorsque deux états de charge de l'île sont dégénérés vis à vis de l'énergie électrostatique. Le système est alors dans un état qui n'a pas de description classique : il est dans une superposition cohérente d'états. Dans cette thèse nous démontrons expérimentalement le comportement de ce transistor et nous analysons les problèmes théoriques et pratiques qui peuvent s'opposer à l'observation de la superposition cohérente d'état via la modulation du supercourant. En particulier, nous montrons que la parité du nombre d'électrons dans l'île doit être parfaitement contrôlée, et que l'impédance aux bornes du circuit joue un rôle capital dans l'amplitude du supercourant mesuré.

Le diagramme des phases stables et métastables de l'eau reste une énigme depuis des décennies. De nombreuses interprétations ont été proposées pour expliquer les divergences apparentes de certaines propriétés thermodynamiques et de transport, de l'eau surfondue. Mais une description unifiée manque encore, essentiellement parce que la température où apparaissent diverger ces propriétés est située en dessous de la température limite de cristallisation, dans une région, qualifiée de no-man's land, entre l'eau surfondue et la glace amorphe. Nous avons, pour la première fois, mesuré les propriétés dynamiques de l'eau liquide et surfondue par diffusion inélastique du rayonnement synchrotron ultraviolet et par diffusion de lumière visible. En analysant les spectres obtenus à l'aide d'un formalisme de fonction mémoire, nous avons trouvé un bon accord avec les simulations de dynamique moléculaire et avec la théorie du couplage de modes, qui attribue une origine dynamique aux singularités observées dans le no-man's land de l'eau. Nous avons aussi mesuré la dynamique de la solution LiCl-6H2O par diffusion inélastique de la lumière visible et du rayonnement synchrotron dans la gamme des ultraviolets et des rayons X. Cette investigation est un premier pas dans le no man's land de l'eau par parce que la dilution progressive de solutions aqueuses constitue une méthode indirecte pour obtenir des informations sur l'eau pure en dessous de la température de nucléation homogène des cristaux. Nous avons observé au cours du refroidissement de la solution, une relaxation, qui possède des caractéristiques similaires à celles de la relaxation structurale de l'eau pure, mais qui se divise en une relaxation structurale et une relaxation secondaire, autour de la température où les propriétés de l'eau pure semblent diverger. Selon des expériences et des théories récentes et sur la dynamique et le diagramme de phase de l'eau et des solutions ioniques diluées à basse température et à pression élevée, laséparation des dynamiques que nous observons pourrait éventuellement être reliée au début d'une hypothétique transition de phase liquide-liquide qui apparaît à des pressions beaucoup plus élevées que celles étudiées. D'autres investigations en fonction de la pression, et à des concentrations en sel plus faibles, sont souhaitables pour clarifier ces coïncidences fascinantes.

Ce mémoire illustre les recherches que j'ai menées pendant les sept dernières années. Depuis ma thèse, mon activité a visé à explorer le transport quantiques dans différents types de nanostructures hybrides. Dans ces structures, il s'agit de combiner des conducteurs comportant différents ordres électroniques ou bien différentes dimensionalités. Une des idées principales qui ont guidé mes recherches est d'implémenter des expériences de pensée de transport quantique en utilisant de tels systèmes. Mon travail s'est décliné autour de trois thématiques distinctes : la coexistence entre l'ordre ferromagnétique et l'ordre supraconducteur, l'électronique de spin moléculaire et l'effet Kondo dans les boîtes quantiques. Le premier chapitre a pour but de mettre en exergue la richesse des nanotubes de carbone pour l'élaboration de structures hybrides. Au chapitre 2, je présente l'expérience d'injection de spin dans les nanotubes et la replace dans son contexte général. Dans le chapitre 3, je détaille les expériences de mesures de bruit que j'ai menées récemment. Les chapitres 1, 2 et 3 sont indépendants. A la fin des chapitres 2 et 3, je détaille les développements immédiats des études présentées. Je conclue enfin en indiquant les perspectives de mon travail, essentiellement reliées à la mesure directe des aspect dynamiques de nano-circuits hybrides.

Les nanotubes de carbone dont les deux tiers sont des semi-conducteurs à gap direct, ont des propriétés optiques originales dominées par le caractère undimensionel du confinement quantique imposé aux électrons. Ceci donne naissance à des excitons très fortement liés dont nous avons étudié la structure fine par des techniques de photoluminescence et de diffusion Rayleigh. Par ailleurs, l'étude de la dynamique des excitations élémentaires (à l'échelle sub-pico-seconde), nous a permis de mettre en évidence le rôle prépondérant des interactions avec l'environnement sur les propriétés de ces objets dont tous les atomes sont en surface. Dans une dernière partie, nous montrons comment tirer partie de cette interaction en fonctionnalisant les nanotubes avec des chromophores organiques dans le but de réaliser des dispositifs opto-électroniques de conversion d'énergie lumineuse.

Ce travail a porté sur les propriétés d'éléments minces de métaux ferromagnétiques étudiées à petite échelle (µm) et à<br />haute fréquence (GHz). Dans ce but, un spectromètre hyperfréquence à antennes micrométriques a été mis au point. Cet<br />instrument a été utilisé pour explorer deux problématiques différentes. Pour un film continu, d'abord, nous avons réalisé des<br />expériences d'émission-réception d'ondes de spin. Ces résultats nous ont permis de caractériser les processus de<br />transduction et de relaxation d'ondes magnétostatiques progressives. Nous avons également étudié des rubans de largeur<br />micrométrique, pour lesquels l'équilibre lui-même est inhomogène. Nous avons interprété leur réponse hyperfréquence en<br />termes de transitions de phase micromagnétiques et en termes de confinement d'ondes de spin.

Les nanofils de silicium présentent un fort potentiel technologique, qui ne se révèle que lorsque la taille des objets est bien maîtrisée. L'obtention de ces structures par Dépôt Chimique en phase Vapeur est réalisée par croissance catalysée à partir de précurseurs du silicium chlorés ou hydrogénés. On détaille ici les effets du chlore sur la passivation des surfaces de silicium et des flancs des nanofils. Cette passivation ralentit la diffusion du catalyseur (Au) sur la surface mais ne change pas la cinétique de la croissance (axiale) du fil. On obtient ainsi une croissance reproductible et stable de nanofils notamment pour les diamètres supérieurs à 20 nm. L'effet du chlore est également visible sur les flancs des nanofils, où les facettes évoluent plus ou moins vite selon la vitesse de croissance radiale. La passivation de la surface des nanofils permet donc la stabilisation de leur croissance et le contrôle de leur morphologie.

Les dépôts d'une très faible quantité de matière sur des surfaces bien définies induisent parfois la formation de nanostructures ordonnée, qui peuvent présenter un ordre un grande distance. On peut citer le cas d'un dépôt de Co sur la surface Au(788) ou le cas d'un dépôt d'Ag sur des surfaces vicinales de Cu. Dans ce contexte, ce travail de thèse porte sur le système Ag/Ni, et plus particulièrement sur l'adsorption d'argent sur les surfaces Ni(111) et Ni(322). Des dépôts d'argent sur la surface vicinale Ni(322) induisent, après recuit, la formation de facettes dont la période (de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres) et l'orientation dépendent fortement des conditions de recuit ainsi que de la quantité d'argent déposée. Sous certaines conditions, le système présente une alternance périodique de facettes (211) et (111). L'argent, localisé sur les facettes (211), induit une reconstruction de surface. Une étude par microscopie à effet tunnel (STM), diffraction des rayons X en incidence rasante (GIXD) et simulations de dynamique moléculaire trempée (QMD) a été effectuée. Afin de comprendre le système Ag/Ni dans son ensemble, des dépôts d'argent allant jusqu'à 2 monocouches sur la surface nominale Ni(111) ont été étudiées. Le mode de croissance semble dépendre des conditions expérimentales et les résultats STM, GIXD et de diffraction de photoélectrons (XPD) obtenus sur ce système ne convergent pas. Les résultats de diffraction d'électrons lents (LEED) ont montré une "rotation" des plans d'argent sur la surface Ni(111) à partir d'une certaine température de recuit. Des calculs QMD ont permis d'identifier la reconstruction observée et ont montré sa stabilité énergétique.

Le but de cette thèse a été à la fois de mieux comprendre les mécanismes de croissance de nanofils de silicium fait par le procédé Vapeur Liquide Solide, et aussi de contrôler la structure cristalline, la composition chimique et les propriétés électroniques grâce à la microscopie électronique en transmission (MET). Un premier sujet de recherche a été le comportement du catalyseur d'or pendant la croissance. Nous avons démontré que pendant la croissance, l'or peut diffuser sur les flancs des nanofils. Ensuite nous avons trouvé les paramètres de croissance pour contrôler cette diffusion : la pression partielle du silane et la température. Selon les paramètres de croissance les propriétés des flancs des nanofils sont modifiées lorsque le silane est absorbé sur les flancs, ce qui empêche ensuite l'or de diffuser. Il y a également un effet de taille sur le phénomène de diffusion. Dans un deuxième temps, une étude des propriétés cristallographiques des nanofils a été menée. Nous avons étudié la direction de croissance et l'apparition de facettes sur les flancs. En général, peu de défauts sont présents dans les fils catalysés par or avec le silane comme précurseur. Lorsque d'autres métaux catalyseurs ou gaz précurseurs sont introduits, la densité des défauts, surtout celle des macles verticales, peut augmenter considérablement. Pour cette raison des grains différents présents dans le cristal peuvent se superposer dans l'image MET ou cliché de diffraction, ce qui est interprété dans la littérature comme étant une phase hexagonale. Grâce à une tranche de fil préparée par FIB nous démontrons clairement qu'il n'y a pas de phase hexagonale. Néanmoins une haute densité de macles peut immiter une phase hexagonale sur quelques plans atomiques. Enfin, une étude des dopants actifs par holographie électronique a été réalisée. Nous montrons pour la première fois un contraste de dopants dans les nanofils fins avec une modulation du dopage axial. Le but de ces mesures est de déterminer la concentration en dopants. La mesure des dopants d'une concentration de 10^18 at. cm-3 par rapport au silicium intrinsèque est possible dans des fils de 60 nm de diamètre. La comparaison entre expériences et simulations du potentiel montre que l'état de surface, et plus précisément la quantité de charge sur ou proche de la surface, sont extrêmement importants pour la distribution du potentiel dans une telle structure. La quantité de charge sur l'interface fils-oxyde est de l'ordre de -1x10^12 e.c. (charge électronique) cm-2, ce qui s'accorde parfaitement avec la quantité de charge trouvée par mesures du transport.