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. / This thesis aims to improve the reliability of ohmic MEMS switches and focuses on the degradation mechanisms of the electrical contact at the micro and nano-scales. The two first chapters of the manuscript provide a state-of–the-art of MEMS switches and describe the different experimental techniques used to characterize the physical phenomena involved in the opening and closure of a MEMS switch under current (“hot switching actuation”). The third chapter studies qualitatively and quantitatively the material transfer at sub micrometer scale. An Atomic Force Microscope (AFM) is used to identify the main parameters involved in this phenomenon such as the opening contact voltage and the closing velocity. The origin of the material transfer is attributed to field emission in the last tens of nanometers before the contact closure. A metallic plasma is also observed and characterized during switching operations. According to the different observations, a scenario is suggested to explain material transfer at such small dimensions. The fourth chapter deals with dynamic observation during switching operations. First, bounces can be detected after a few millions of operations, they usually appear a few µs just after the first contact. Such bounces seem to be an early indicator of the lifetime of those devices. Other types of bounces related to the electrostatic contact force can be observed at very low closing velocity (a few nm/s). Nevertheless in a MEMS switch the closing and opening velocity is high enough to avoid such bounces. The second part of this chapter investigates the contact conductance quantization during the opening phase of a contact. We show that this phenomenon can be observed in a MEMS switch and with an AFM when the current is lower than 100µA. As a conclusion, several recommendations are provided to improve the reliability of MEMS switches.

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. / We use field emission (FE) from individual silicon carbide nanowires (NWs) to explore their potential as electron sources, and especially as a versatile tool for studying transport, optical and mechanical properties of NWs. These studies fall within the larger framework of the physics of semiconducting (SC) nanowires, which is presently a large and rapidly expanding domain. The important role played by the surface in the transport and optical properties of NWs was clearly demonstrated by the radical consequences induced by in situ treatments on the FE properties. This permitted the observation of the specific behavior expected for SCs, particularly, a current saturation regime in agreement with the theory of FE for SCs. We found that the saturation was concomitant with a strong dependence of the emission on temperature and laser illumination, revealed for the first time for a NF. These measurements open important perspectives for both fundamental research and applications such as the realization of optically or thermally controlled FE electron sources. The current-voltage-temperature characteristics were carried out in parallel with measurement of the energy distributions of the emitted electrons, thus permitting the determination of the transport mechanism in the NWs. We found that the transport was limited by the carrier density in the volume and by the traps in the gap that generate current through the Poole-Frenkel effect. Finally, the mechanical characterization revealed high quality factors, as high as 160,000, and a Young’s modulus up to 700 GPa. These values are very promising for the use of these NWs in nano-electro-mechanical systems (NEMS) and composites.

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.

Les systèmes d'imagerie à rayons X (RX) sont des appareils volumineux et contraignants en termes de contrôle du faisceau. L'industrie des tubes électroniques est donc à la recherche de solutions pour assurer la stabilité du courant tout en permettant la miniaturisation du système.Ce travail opte pour l'amélioration de la source d'électrons, en remplaçant l'émission thermoïonique historique par l'émission de champ. En particulier, les cathodes froides à base de nanotubes de carbone possèdent l'avantage de pouvoir délivrer de forts courants (>1A/cm^2), tout en ayant un faible temps de réponse.A travers le développement d'une structure innovante de cathodes à nanotubes de carbone à grille intégrée, l'objectif de cette étude est de réaliser des sources commutables et régulées, pour des sources de rayons X miniatures, portables ou polyvalentes.La modélisation électrostatique de la nouvelle structure a conduit à la fabrication de cathodes à grille optimisées, sur lesquelles est cru un réseau vertical de nanotubes de carbone. L'analyse de défaillance permet finalement d'obtenir des dispositifs isolés fiables. Leur caractérisation en émission de champ indique des performances de modulation de courant inégalées, de l'ordre de 10^6 pour +/-40V de polarisation de grille. La régulation du courant a également été démontrée avec l'obtention d'une stabilité à 0,02% sur 100 h.Pour pallier les limitations rencontrées (courant de fuite et croissance parasite), une structure de grille enterrée a été proposée avec succès, ainsi qu'une nouvelle méthode de fabrication d'émetteurs courts et fins. Ces cathodes fonctionnelles ont finalement été intégrées en tube à rayons X et ont montré pour la première fois une modulation de courant de 2000 à une haute tension fixe de 60 kV. / This work chooses to improve the electron source by replacing thermionic emission with field emission. More especially, carbon nanotubes based cold cathodes stand out by their ability to supply high currents (>1A/cm^2) while responding fast.Through the development of an innovative structure of in-plane gated carbon nanotube based cathode, this study aims at making switchable and regulated sources for miniature, portable or polyvalent X-rays sources.The electrostatic modelling of the new structure led to the fabrication of optimized gated cathodes, where a vertically aligned array of carbon nanotubes is grown. Default analysis allows to get reliable insulated devices.Field emission characterization shows unprecedented current modulation of 10^6 at +/-40V bias voltage. Current regulation is also achieved with a stability of 0.02% over 100 h.Another structure with a burried gate electrode was designed to successfully cope with leak current and parasitic growth. A new way of growing short and thin nanotubes was tackled.Finally, gated cathodes were integrated in a compact X-ray tube and showed a current modulation of 2000 at a high voltage of 60 kV.

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 / This thesis focuses on new phenomena in the mechanical resonances of SiC nanowires (NWs) and carbon nanotubes (CNs) of interest for the emerging field of nano-electro-mechanical systems (NEMS). The clamped-free confiuration allowed the study of our nanowire and nanotube samples by field emission (FE), including measuring the Young's modulus and the quality factor (Q). Heating NW resonators significantly increased their Q factor (Qmax = 159 000). Self-oscillations were observed during FE where only a DC voltage was applied, thus allowing DC/AC conversion with a rate of up to » 50%. Using highly resistive NWs coupled with FE current was required to generate these spontaneous oscillations. Achieving a nanoradio under FE allowed the demodulation of AM or FM signals through the mechanical resonance of CNs. We describe a new method to excite vibrations of a NW from the electron beam of an electron microscope. The evolution of the charge at the end of NW is the main source of these self-oscillations. The clamped-clamped configuration consists of a transistor based on suspended CNs. The devices are characterized electrically and mechanically in a probe station under ultrahigh vacuum with mixing techniques. The resonance frequencies of these samples was around 100 MHz. The demodulation of an FM signal was achieved for the first time in this NEMS configuration. For all the phenomena discovered and treated in this manuscript, a model and derived simulations are described and discussed

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. / The key issue for realizing the potential of carbon nanotubes has always been, and still remains, a better control of their growth and in particular the selective control of their chirality related to their electronic properties. This work aims to address the in-situ synthesis and characterization of individual carbon nanotubes by field emission to better understand the mechanisms of nucleation and growth that determine their chirality. We have developed a field emission microscope coupled to a CVD reactor (Chemical Vapor Deposition) to observe directly the catalytic growth of individual carbon nanotubes on metallic tips. We found that nanotubes often turn axially during growth, thereby supporting a model of "screw dislocation". Detailed analysis of results shows that we directly observe the atom by atom growth of one individual single wall nanotube with addition of a carbon dimer to the base. In parallel, certain samples were characterized by in-depth field emission studies. For this we established a protocol of bonding individual nanotubes at the apexes of metal tips under optical and scanning electron microscopies using a nanomanipulator. Their temperature dependence at very low current has been demonstrated with an electron counter to identify the various fields of electron emission. Analysis of energy distributions revealed an induced heating phenomenon that can lead to temperatures of about 2000 K at the end of the nanotube subjected to strong fields that create high current emission.