La recherche sur les sources d'électrons modulées en temps connaît actuellement un vif intérêt, notamment dans le domaine des sciences fondamentales ou pour certaines applications exigeantes. C'est dans ce contexte que ce travail exploratoire sur l'émission de champ (EC) photo-assistée de nanofils de silicium s'inscrit. Nous explorons dans un premier temps les caractéristiques émissives de ces nanofils semi-conducteurs présentant un régime de saturation très prononcé, très sensible à la température et à la lumière, et encore jamais observé pour de telles structures à température ambiante. Le rôle important joué par la surface dans la saturation est prouvé par des traitements in-situ ayant des conséquences radicales sur les caractéristiques courant-tension de l'EC. Grâce à des cycles de passivation à l'hydrogène nous avons pu montrer le rôle des liaisons pendantes à l'interface matériau/oxyde dans la saturation et basculer de façon réversible entre un comportement quasi-métallique et semiconducteur. Nous étudions ensuite la réponse de ces émetteurs à une excitation optique modulée en temps. Leur réponse est attribuée à la photoconduction due à l'absorption directe : les effets thermiques peuvent être exclus à ces puissances laser. Nous avons alors mis en évidence la présence de deux constantes de temps associées à l'éclairement et la relaxation de l'échantillon. Le rôle des états pièges en surface prend là encore une part importante dans le temps de réponse de l'échantillon en limitant celui-ci à quelques dizaines de microsecondes seulement. Enfin nous avons mis en évidence un effet complètement nouveau en EC sous éclairage laser : une double résistance différentielle négative. Dans les dispositifs à semiconducteurs, cet effet est généralement associé à des oscillations de courant à haute fréquence et ouvre la perspective vers des sources EC compactes et auto-oscillantes à très hautes fréquences / There is currently a notable rise in research on time modulated electron sources for new fundamental science and for several demanding applications. Our exploratory work on photo-assisted field emission (FE) from silicon nanowires falls within this context. We first explore FE characteristics of these semiconducting nanowires, which are very sensitive to temperature and light and present a very pronounced current saturation regime, never observed before on such structures. The strong influence of surface states on the saturation regime is proven by in-situ treatments, which radically alter the FE current-voltage characteristics. H-passivation cycles reveal the role of dangling bonds at material/oxide interface in the saturation regime and allow to reversibly switch between a quasi-metal and semiconductor behavior. We then study the response of these emitters to a time modulated optical excitation. The response is attributed to direct absorption photoconduction after excluding thermal effects at these laser powers. The existence of two time constants associated with illumination and relaxation time is shown. The role of the surface state traps again plays an important part in the response time, limiting it to some tens of microseconds. Finally, a completely new effect in FE under laser illumination is identified : a double negative differential resistance. In semiconductor devices this effect is usually associated with high frequency current oscillations and thus opens perspectives toward compact and high frequency self-oscillating FE sources

L'étape clé pour intégrer des nanotubes de carbone à une échelle industrielle demeure un meilleur contrôle de leur croissance et notamment le contrôle sélectif de leurs chiralités en lien avec leurs propriétés électroniques. Ce travail a pour but de s'intéresser à la synthèse in-situ et à la caractérisation de nanotubes de carbone individuels par émission de champ pour mieux comprendre les mécanismes de nucléation et de croissance qui conditionnent sa chiralité. Nous avons développé un microscope à émission de champ couplé à un réacteur CVD (Chemical Vapor Deposition) pour observer directement la croissance catalytique de nanotubes de carbone individuels sur des pointes émettrices. Nous avons ainsi découvert que les nanotubes tournent souvent axialement pendant leur croissance, soutenant ainsi un modèle de " dislocation de vis ". L'analyse détaillée des résultats obtenus montre que nous observons directement la croissance atome par atome d'un nanotube monofeuillet individuel avec ajout d'un dimère de carbone à la fois à sa base. Parallèlement, des échantillons ont été caractérisés en détail sous émission de champ. Nous avons établi un protocole de collage de nanotubes individuels à l'apex d'une pointe métallique sous microscopies optique et électronique à balayage à l'aide d'un nanomanipulateur. Leur dépendance en température à très bas courant a été mise en évidence avec un compteur d'électrons afin d'identifier les différents domaines d'émission électronique. L'analyse des distributions énergétiques a fait apparaître un phénomène de chauffage induit qui peut mener à des températures de l'ordre de 2000 K à l'extrémité du nanotube lorsqu'il est soumis à un fort champ.

Ce travail s'inscrit dans le cadre de la caractérisation physique de nanofils (NF) semiconducteurs (SC) qui est un domaine en plein essor ces dernières années. Plus précisément, nous explorons l'émission de champ (EC) de NFs individuels de Carbure de Silicium (SiC) pour leur potentialité comme source d'électrons, mais surtout pour étudier leurs propriétés de transport électrique, optiques et mécaniques.Le rôle important joué par la surface dans ces NFs a été prouvé par des traitements in situ qui ont eu des conséquences radicales sur l'EC dévoilant ainsi des propriétés d'émission propres aux SCs. En particulier, un régime de saturation, en accord avec la théorie d'EC des SCs, associé à une forte dépendance de l'émission à la température et à l'illumination laser a été révélé pour la première fois pour un NF. Ces mesures ouvrent des perspectives importantes tant pour la recherche fondamentale que pour les applications telles que la réalisation de photocathodes et de sources d'électrons pilotées optiquement ou par la température. Les caractéristiques courant-tension-température associées à l'analyse en énergie des électrons émis nous ont permis de déterminer le mécanisme de transport dans ces NFs, qui est limité par le nombre de porteurs dans le volume et contrôlé par les pièges présents dans la bande interdite par l'effet Poole-Frenkel. Finalement, la caractérisation mécanique a révélé des valeurs du facteur de qualité élevé (160000) et du module de Young allant jusqu'à 700GPa. Ces valeurs sont très prometteuses pour l'utilisation de ces NFs dans les systèmes nano-électro-mécaniques et dans les composites.

Un nanofil de carbure de silicium encastré à une de ses extrémités permet d'obtenir un résonateur mécanique réalisant un système modèle de poutre vibrante dans des régimes d'oscillation linéaire et non-linéaire. Les faibles masses et raideurs mécaniques des nanofils utilisés donnent lieu à une description des résonateurs où les forces électriques capacitives sont significatives. Si l'accordage en fréquence des résonateurs micro et nanométriques est une propriété usuelle liée aux forces électriques statiques, il sera montré que l'effet du couplage électromécanique dynamique introduit une dissipation associée aux courants électriques résultants de la vibration mécanique. Le rôle central du couplage électromécanique est mis en avant pour l'obtention d'un régime d'auto-oscillation. Lorsque le résonateur est parcouru par un courant d'émission de champ, une mise en vibration spontanée du résonateur autour de sa position d'équilibre est observée. L'introduction d'une excitation électrique alternative permet l'étude d'un régime de synchronisation externe où la dynamique de la phase de l'auto-oscillateur forcé présente un comportement remarquablement riche / When one end of a silicon carbide nanowire is clamped on a support, a mechanical resonator is obtained to achieve a model system of vibrating beam. The low weight and stiffness associated with mechanical dimensions of the micro and nanoscale wires lead to a regime where the capacitive electrical forces are significant for the dynamics of such resonators. If the frequency tuning of micro and nanoscale resonators is a usual property related to the static electrical forces, the effect of electromechanical dynamical coupling will also be considered to introduce a mechanical dissipation associated with electric currents driven by the vibration. The central role of the electromechanical coupling is put forward to obtain a self-oscillation regime. When the resonator is flowed by a field emission current, a spontaneous oscillation of the resonator around its equilibrium position is observed. The introduction of an electrical excitation allows the study of an external synchronization regime where the phase dynamics has a remarkable rich behavior

Le domaine THz connaît un extraordinaire essor depuis la fin des années 1980. Néanmoins, la conception de sources puissantes (>10 mW) est difficile et celles-ci restent souvent massives et volumineuses. Aujourd'hui, les recherches portent donc sur le développement de sources compactes utilisant des techniques de l'électronique solide, de l'optique ou de l'électronique sous vide. Ce travail considère un tube électronique associé à une cathode froide pré-modulée. Celle-ci se compose d'un réseau de nanotubes de carbone verticaux permettant d'extraire les électrons sous faible champ. Ce réseau de nanotubes est intégré sur un réseau de surface métallique permettant de coupler le battement THz d'un laser bifréquence aux électrons par l'intermédiaire de plasmons de surface. L'étude porte sur le développement du réseau métallique et sur la compréhension des propriétés électroniques de cette nouvelle cathode. Ces axes de travail ont notamment mené à la fabrication de réseaux fonctionnels, à la quantification de la divergence du faisceau électronique et à la mise au point d'une technique de recuit des nanotubes par laser impulsionnel. Concernant la fabrication de cette nouvelle cathode, une solution technologique a été développée en compatibilité avec la croissance haute température des nanotubes (>500°C). La maîtrise des techniques développées durant ce travail devrait conduire à la modulation THz de faisceaux électroniques et plus généralement à l'amélioration des sources électroniques actuelles ou des appareils intégrant des réseaux de surface.

Dans ce travail, nous exposons une méthode basée sur la détection localisée en couplage capacitif de la composante électrique du signal RMN via des micro/nano sondes spécifiquement développées. Dans la première étape de ce travail nous avons utilisé des NEMS à base de nanotube de carbone pour réaliser une détection du signal RMN à l'échelle nanométrique. En effet, grâce à un couplage électromécanique, nous avons caractérisé ces systèmes en émission de champ, déterminé expérimentalement leur fréquence de résonance et montré qu'ils sont capables de détecter un signal radiofréquence. Pour utiliser ces dispositifs en RMN, l'adaptation du champ statique B0 de l'aimant pour atteindre la valeur de la fréquence de Larmor d'un atome est nécessaire. L'excitation locale autour de ces systèmes permettra une caractérisation complète et fiable. Pour mettre en place cette excitation localisée, nous avons choisi, dans la deuxième étape de cette thèse, une sonde locale de champ électromagnétique à l'échelle micrométrique. D'abord, nous présentons des simulations autour de la microsonde, décrivant la propagation des champs électrique et magnétique injectée par la microsonde. Nous avons caractérisé la microsonde en mode collection. Nous montrons une décroissance de l'intensité du signal RMN, en fonction de la distance. Nous avons observé et modélisé démontrant ainsi que La microsonde est capable de détecter localement un signal RMN tandis que la bobine capte de façon globale. Nous présentons les premières expériences de l'utilisation de la microsonde en mode émission. Ces mesures nous fournissent un modèle qui décrit une excitation inhomogène, dûe à l'émission locale de la puissance (décroissance exponentielle de la puissance), proche de la microsonde. Une distribution des angles de basculement est répartie d'une façon inhomogène induisant une distribution des intensités du signal RMN autour de la microsonde. À la fin de cette thèse, nous avons réalisé deux expériences comme applications directes suite des études sur la caractérisation de la microsonde. La première consiste à imager un volume d'eau placé dans un bain d'huile de silicone. L'image est obtenue en déplaçant mécaniquement la microsonde et en réalisant pour chaque point une mesure de spectroscopie localisée. Dans la deuxième expérience, la microsonde est utilisée pour injecter dans ce volume d'eau des impulsions électromagnétiques et détecte à la suite le signal RMN. Notre étude sur la caractérisation de l'émission locale par une microsonde et la détection du signal radiofréquence par un NEMS à base de NTC, nous permet de proposer un nouveau type de dispositifs capable de détecter un signal RMN. / In this work, we explain our method based on the detection localized capacitive coupling of the electric component of the NMR signal via micro/nano probes specifically developeds. In the first stage of this work we use NEMS based on carbon nanotube to achieve a detection of the NMR signal at the nanoscale. Because of an electromechanical coupling, we characterize these systems in field emission, and we determine experimentally their resonance frequency and shown that they are able to detect a radio signal. To use these devices in NMR, it is necessary to adapt the value of the static field B0 of the magnet to reach the value of the Larmor frequency. We found that a local excitement around these systems gives them a reliable characterization, to avoid disrupting the parasite measurements. To implement this localized excitation, we choose a micro-probe (coaxial cable). First, we presente simulations, describing the propagation of electric and magnetic fields transmitted by the microprobe. After we characterize in collection mode the microprobe. This study shows us a decrease of the NMR signal as a function as distance. This proves that the microprobe is able to detect an NMR signal in near field, while the coil picks up globally. We characterize the microprobe in the transmit mode . These measurements provide us with a model that describes an inhomogeneous excitation of nuclei, due to the emission of power in vicinity of the microprobe. An inhomogeneous distribution of tilt angles induces an inhomogeneous distribution of the NMR signal around the microprobe. At the end of this thesis, we conducte two applications such as direct studies on the characterization of the microprobe. The first consist to image a small volume of water placed in silicone oil sample. The image obtained by mechanically moving of the microprobe and making a localized spectroscopy. In the second experiment, the microprobe injected into this volume and detects after the NMR signal. Finally, the characterization in transmit mode of the microprobe allows us to better understand the phenomenon of the trasmission of electromagnetic waves to excite the spins of the nuclei in vicinity of the NEMS based on CNT. The latter being used as NMR probe at the nanoscale, to detect a NMR signal.

La recherche sur les sources d'électrons modulées en temps connaît actuellement un vif intérêt, notamment dans le domaine des sciences fondamentales ou pour certaines applications exigeantes. C'est dans ce contexte que ce travail exploratoire sur l'émission de champ (EC) photo-assistée de nanofils de silicium s'inscrit. Nous explorons dans un premier temps les caractéristiques émissives de ces nanofils semi-conducteurs présentant un régime de saturation très prononcé, très sensible à la température et à la lumière, et encore jamais observé pour de telles structures à température ambiante. Le rôle important joué par la surface dans la saturation est prouvé par des traitements in-situ ayant des conséquences radicales sur les caractéristiques courant-tension de l'EC. Grâce à des cycles de passivation à l'hydrogène nous avons pu montrer le rôle des liaisons pendantes à l'interface matériau/oxyde dans la saturation et basculer de façon réversible entre un comportement quasi-métallique et semiconducteur. Nous étudions ensuite la réponse de ces émetteurs à une excitation optique modulée en temps. Leur réponse est attribuée à la photoconduction due à l'absorption directe : les effets thermiques peuvent être exclus à ces puissances laser. Nous avons alors mis en évidence la présence de deux constantes de temps associées à l'éclairement et la relaxation de l'échantillon. Le rôle des états pièges en surface prend là encore une part importante dans le temps de réponse de l'échantillon en limitant celui-ci à quelques dizaines de microsecondes seulement. Enfin nous avons mis en évidence un effet complètement nouveau en EC sous éclairage laser : une double résistance différentielle négative. Dans les dispositifs à semiconducteurs, cet effet est généralement associé à des oscillations de courant à haute fréquence et ouvre la perspective vers des sources EC compactes et auto-oscillantes à très hautes fréquences

Dans ce travail, nous exposons une méthode basée sur la détection localisée en couplage capacitif de la composante électrique du signal RMN via des micro/nano sondes spécifiquement développées. Dans la première étape de ce travail nous avons utilisé des NEMS à base de nanotube de carbone pour réaliser une détection du signal RMN à l'échelle nanométrique. En effet, grâce à un couplage électromécanique, nous avons caractérisé ces systèmes en émission de champ, déterminé expérimentalement leur fréquence de résonance et montré qu'ils sont capables de détecter un signal radiofréquence. Pour utiliser ces dispositifs en RMN, l'adaptation du champ statique B0 de l'aimant pour atteindre la valeur de la fréquence de Larmor d'un atome est nécessaire. L'excitation locale autour de ces systèmes permettra une caractérisation complète et fiable. Pour mettre en place cette excitation localisée, nous avons choisi, dans la deuxième étape de cette thèse, une sonde locale de champ électromagnétique à l'échelle micrométrique. D'abord, nous présentons des simulations autour de la microsonde, décrivant la propagation des champs électrique et magnétique injectée par la microsonde. Nous avons caractérisé la microsonde en mode collection. Nous montrons une décroissance de l'intensité du signal RMN, en fonction de la distance. Nous avons observé et modélisé démontrant ainsi que La microsonde est capable de détecter localement un signal RMN tandis que la bobine capte de façon globale. Nous présentons les premières expériences de l'utilisation de la microsonde en mode émission. Ces mesures nous fournissent un modèle qui décrit une excitation inhomogène, dûe à l'émission locale de la puissance (décroissance exponentielle de la puissance), proche de la microsonde. Une distribution des angles de basculement est répartie d'une façon inhomogène induisant une distribution des intensités du signal RMN autour de la microsonde. À la fin de cette thèse, nous avons réalisé deux expériences comme applications directes suite des études sur la caractérisation de la microsonde. La première consiste à imager un volume d'eau placé dans un bain d'huile de silicone. L'image est obtenue en déplaçant mécaniquement la microsonde et en réalisant pour chaque point une mesure de spectroscopie localisée. Dans la deuxième expérience, la microsonde est utilisée pour injecter dans ce volume d'eau des impulsions électromagnétiques et détecte à la suite le signal RMN. Notre étude sur la caractérisation de l'émission locale par une microsonde et la détection du signal radiofréquence par un NEMS à base de NTC, nous permet de proposer un nouveau type de dispositifs capable de détecter un signal RMN.

Cette thèse s'inscrit dans la continuité des études menées pour améliorer la fiabilité des relais MEMS ohmiques et comprendre les mécanismes de dégradation se produisant au niveau du contact électrique aux échelles micro et sub-micrométriques. Les deux premiers chapitres de ce manuscrit permettent d'établir l'état de l'art du domaine et de décrire les différentes techniques expérimentales utilisées afin de caractériser les mécanismes physiques se produisant lors de l'ouverture et la fermeture d'un relais MEMS sous courant. Le troisième chapitre étudie qualitativement et quantitativement le transfert de matière aux distances sub-micrométriques. L'utilisation d'un microscope à force atomique (AFM) permet d'identifier les paramètres clés, notamment la tension de contact à l'état ouvert et la vitesse de commutation. L'origine de ce transfert de matière est attribuée à des émissions de courant se produisant dans les derniers nanomètres avant la fermeture du contact. Un plasma métallique est également observé et caractérisé pendant les phases de commutations. Ces observations conduisent à l'élaboration d'un scénario permettant d'expliquer le transfert de matière à ces dimensions. Le quatrième chapitre se consacre en première partie à l'étude des rebonds lors de la fermeture du contact. On montre que des rebonds peuvent apparaître quelques µs après la fermeture du contact au cours des cycles. Ceux-ci semblent être des indicateurs de la fin de vie du composant. D'autres rebonds, liés aux forces électrostatiques de contact, sont également mis en évidence lors de fermetures à faibles vitesses (qq nm/s). L'importance de ces forces est néanmoins du second ordre et ces derniers rebonds n'interviennent pas directement dans la phase de fermeture d'un relais MEMS. L'étude de la quantification de la résistance de contact lors de l'ouverture du contact constitue la deuxième partie de ce dernier chapitre. La nature quantique de ce phénomène est mise en évidence dans deux dispositifs : un interrupteur MEMS et à l'aide d'un AFM. Il est notamment montré que ce phénomène est seulement observable pour des courants inférieurs à 100µA. Finalement, l'ensemble de ces travaux mènent à différentes recommandations, détaillées en conclusion, nécessaires pour assurer le bon fonctionnement des relais MEMS.

Ce travail de thèse porte sur l'étude de nouveaux phénomènes vibratoires dans les systèmes Nano-électromécaniques (NEMS) conçus à partir de nanofils (NFs) SiC ou de nanotubes de carbone (NCs) résonants. La configuration encastré-libre permet d'effectuer l'émission de champ (EC) pour caractériser nos échantillons et notamment mesurer le module de Young et le facteur de qualité (Q) de nos NEMS. Le chauffage du résonateur permet d'accroître fortement la valeur de Q des nanofils SiC (Qmax = 159 000). Les auto-oscillations observées sous EC sont obtenues seulement par l'application d'une tension continue et permettent un taux de conversion AC/DC de l'ordre de 50%. L'utilisation de NFs très résistifs couplée au courant d'EC est indispensable pour engendrer ces oscillations spontanées. La réalisation d'une nanoradio sous EC permet la démodulation d'un signal AM ou FM grâce à la résonance d'un NC. Nous décrivons une méthode originale pour exciter les vibrations d'un NF à partir du faisceau d'électrons d'un microscope électronique. L'évolution de la charge au bout du NF est la principale cause de ces auto-oscillations. La configuration encastré-encastré consiste à obtenir un transistor à base de NCs suspendus. Les composants sont caractérisés électriquement et mécaniquement dans un testeur sous pointe sous ultra vide à partir de techniques dites de mixing. La fréquence de résonance de ces échantillons est de l'ordre de 100 MHz et la démodulation d'un signal FM est réalisée pour la première fois dans cette configuration de NEMS. Pour l'ensemble des phénomènes découverts et traités dans ce manuscrit, un modèle et les simulations qui en découlent sont présentés et commentés