Mes travaux de thèse portent sur l’interaction de type FRET (tranfert d’énergie résonant de Förster) entre une nanostructure semiconductrice colloïdale individuelle et le graphène. La première partie concerne l’établissement de la théorie du FRET et ce pour plusieurs types de nanostructures. Vient ensuite la partie expérimentale, à commencer par le montage optique ainsi que les méthodes d’analyse, tant pour la spectroscopie que pour la photoluminescence. Par la suite, nous décrivons les résultats obtenus pour divers types de nanocristaux sphériques en interaction directe avec le graphène (incluant des multicouches) : le transfert d’énergie a des effets drastiques sur la photoluminescence mais aussi sur le clignotement des nanocristaux. Puis nous étudions la dépendance du FRET avec la distance ; dans le cas des boîtes quantiques, nous observons une loi en 1/z^4. Par contre, dans le cas de nanoplaquettes, la fonction est plus complexe et dépend de la température. / My PhD subject is the FRET interaction (Förster-like resonant energy transfer) between single colloidal semiconductor nanostructures and graphene. The first part is about the development of the interaction theory with the graphene for several types of nanostructures. Then comes the experimental part, and firstly the optical setup together with the analysis methods, for both spectroscopy and photoluminescence. After that, we describe our results about different types of spherical nanocrystals directly interacting with graphene (which can be multilayer) : the energy transfer has a huge effect on the photoluminescence, as well as the blinking behaviour of the nanocrystals. Then we measure the dependency of the energy transfer as a function the distance ; in the case of quantum dots, we observe a 1/z^4 law. On another hand, in the case of nanoplatelets, the function is more complex and depends on the temperature.

Mes travaux de thèse portent sur la fabrication et la caractérisation électrique et magnétique de jonctions tunnel à base de graphène. C’est autour de l’idée d’apporter une meilleur compréhension des mécanismes d’injection et de détection d’un courant de charge et de spin aux interfaces graphène/ferromagnétique que s’articule ce manuscrit. Après avoir démontré qu’il est possible de faire croître de manière épitaxiée une barrière tunnel de MgO sur graphène, nous avons étudié les mécanismes de transport dépendant en spin dans des jonctions verticales de Co/MgO/Gr/Ni. Nous avons mis en évidence l’interaction du graphène avec l’électrode de nickel à travers les inversions de signe de la magnétorésistance. Celles-ci peuvent être expliquées à l’aide d’un modèle de canaux de conduction assistés par phonons. Enfin du blocage de Coulomb reproductible a été mesuré dans des amas d’aluminium potentiellement mono disperses et auto assemblés sur graphène. / My PhD thesis deals with the fabrication and the electric and magnetic characterizations of magnetic tunnel junctions based on graphene. The interaction of graphene with its close environment opens new possibilities for spintronics applications. The manuscript is focused on the improvement of the understanding of mechanisms involved in the injection and detection of a polarized spin current at the graphene/ferromagnetic interfaces. We show that it is possible to grow epitaxially MgO tunnel barrier on graphene. We study the spin transport mechanisms in vertical junctions of Co/MgO/Gr/Ni. The interaction of graphene with nickel electrode is probed through tunnel magnetoresistance inversions which can be explained by the activation of phonon assisted conduction channel. We also measure in vertical and lateral devices based on alumina barrier on graphene, reproducible Coulomb blockade processes linked to the presence of monodisperse aluminum clusters at the graphene edge.

La spintronique multifonctionnelle est une nouvelle direction d'avancement pour aller au-delà des limites de l'électronique moderne. Il vise à développer des dispositifs qui seraient sensibles à plus d’un stimulus et/ou ont un signal multi-réponse. Dans cette thèse, nous explorons cette voie multifonctionnelle émergente en combinant l’électronique de spin et les systèmes organiques pour ouvrir la voie vers des dispositifs polyvalents. Nous étudions la formation d'une spinterface dans le système Co/manganèse-phthalocyanine. Nous proposons l'introduction de multifonctionnalités intrinsèques en utilisant des matériaux à transition de spin. Nous développons une nouvelle approche de fonctionnalisation pour ajuster leurs propriétés vers des applications. Nous proposons un contrôle fonctionnel externe sur une spinterface en utilisant un substrat multiferroïque. Dans le cadre de cette thèse, un insert polyvalent à température variable a été développé à la ligne de lumière DEIMOS du synchrotron SOLEIL. Nous démontrons comment il peut être utilisé pour sonder des atomes actifs dans n'importe quel dispositif électronique. / Multifunctional spintronics is a new direction of advancement beyond the limits of modern electronics. By combining elementary charge of an electron and its spin, it aims to develop devices which would be sensitive to more than one stimuli and/or have multiresponse signal. In this thesis, we explore the multifunctional potential emerging while combining spin electronic and organic systems to pave the way towards multipurpose devices. First, we study formation of a ferromagnetic/organic spinterface in Co/manganese-phthalocyanine system. We propose introduction of intrinsic multifunctionality by using spin crossover materials. We develop a novel functionalization approach for tuning their properties towards device applications. We propose an external functional control over any hybrid spinterface by using multiferroic substrate. In the framework of this thesis, a Versatile Variable Temperature Insert was developed at the DEIMOS beamline of the SOLEIL synchrotron. We demonstrate how it can be used to probe active atoms in any microelectronic device.

La mise en évidence d’effets de polarisation d’échange (“exchange bias”, EB) ouvre de nouvelles perspectives dans le domaine émergeant de la spintronique organique. Dans une première partie de la thèse, on étudie l’EB des systèmes Co/MPc et Py/MPc (M=Mn, Co, Fe, Zn) par magnétométrie. Pour tous ces systèmes, l’EB est observé avec des températures de blocage de 100K environ. Ces études sont complétées par des mesures de résonance ferromagnétique confirmant les valeurs du champ de polarisation. Dans une troisième partie, on étudie les propriétés magnétiques des tricouches Co/Pc/Co. Les cycles d’hystérèse présentent des marches indiquant un renversement séquentiel des couches de cobalt. A basse température, on observe de l’anisotropie unidirectionnelle pour les deux couches mais leurs champs de polarisation diffèrent. / Observation of exchange bias (EB) phenomenon by using molecular materials as a pinninglayer open the horizon for tremendous perspective in the field of organic spintronics. Thefirst part of the thesis is devoted to the study of EB of Co/MPc and Py/MPc (M=Mn, Co, Fe,Zn) by static magnetometry. The existence of EB is evidenced in all Pc molecules with block-ing temperature around 100K. The second part is devoted to the study of EB by dynamicFMR measurements. The values of EB measured by this method are compatible with staticmagnetometry measurements. The third part is devoted to study magnetic properties of thetrilayer Co/Pc/Co systems. Hysteresis loops exhibit a stepped shape indicative of successivereversal of each layer. Low temperature loops show that both Co layers experience unidi-rectional anisotropy after field cooling, with differing bias fields.

Ces travaux de thèse ont développé l’ensemble des problématiques de diffusion liées à la fabrication de la technologie HgCdTe p/n, avec pour objectif l’obtention d’un modèle numérique permettant la simulation complète de la diode. Nous avons étudié le phénomène d’interdiffusion Hg/Cd, indispensable au processus de passivation du photodétecteur. Dans un milieu monocristallin le coefficient d’interdiffusion est calculé par la loi de Darken qui fait intervenir le facteur thermodynamique, dont nous avons déterminé la variation en température. L’exodiffusion de l’indium, le dopant n, et sa diffusion dans le HgCdTe ont aussi été étudiées. L’arsenic est utilisé comme dopant p et est donc activé en conditions riche-Hg. Nous avons tout d’abord étudié sa diffusion, tout d’abord dans des conditions classiques, puis après son incorporation dans le HgCdTe en présence de défauts hors-équilibre. / This thesis work focuses on the modeling of the different diffusion phenomena that occur during the processing steps of the p/n HgCdTe technology. Hg/Cd interdiffusion is essential for the passivation of the HgCdTe and so was addressed. In a monocrystalline material, the interdiffusion coefficient is calculated with the Darken law. It includes the thermodynamic factor which temperature dependence was determined. Indium exodiffusion and diffusion in HgCdTe were also studied. Arsenic is used as a p dopant and so is activated in Hg-rich conditions. Its diffusion was studied firstly in classic conditions, and then after its incorporation in HgCdTe with the influence of out of equilibrium point defects.

La thèse montre des solutions pour la réalisation de circuits photoniques intégrés utilisant le caractère volumétrique et les très faibles pertes en propagation des solitons spatiaux. On s'intéresse aux éléments de base : interconnexions, sources et router optique (comme dispositif d'élaboration). Interconnexions et sources sont réalisé dans le niobate de lithium (LN) qui fournis des structures avec une très longue durée temporelle. Le fonctionnement d'un router optique est démontré dans le semiconducteur photo-réactif (PR) InP:Fe en raison de sa sensitivité aux longueurs d'onde infrarouges (IR) et à son temps de réponse rapide. On montre que les pertes en propagation dans les interconnexions solitoniques peuvent être réduites à nouveau en utilisant un faisceau en polarisation ordinaire qui augmente la variation d'indice de réfraction induite. La réalisation de sources intégrées solitoniques est étudié pour avoir émission en bleu à 400nm et en IR à 1530nm. Celles en bleu sont obtenues par génération de deuxième harmonique ; le rôle du bleu pour la formation des solitons est montré et ses propriétés physiques étudiées. Celles en IR sont obtenues en dopant le LN avec des ions (actifs) d'erbium. Leurs effets sur les paramètres PR sont présentés et les solitons spatiaux sont obtenus en excitant l'absorption soit du LN soit de l'erbium. L'amplification de la luminescence est étudié numériquement. Le routage optique dans le InP:Fe est obtenu en faisant interagir deux solitons cohérents et en changeant leur phase relative. L'augmentation de la séparation ou leur fusion est analysé en fonction de la distance entre eux, température et intensité de la lumière / Solutions for the realization of integrated photonic circuits with the advantages that spatial solitons offer, like their volumetric nature and the very low propagation losses are shown. Interconnections, sources and optical router (as signal elaboration device) are investigated. Interconnections and sources are experimentally demonstrated in lithium niobate (LN) that provides long-lasting structures thanks to its very long dielectric relaxation time. The optical router working principle is realized in the photorefractive semiconductor InP:Fe because of its sensitivity in infrared radiation and its fast response time. To improve solitonic interconnections, an analysis based on propagation losses in function of light polarization and LN anisotropy is done. The key role played by an ordinary polarized beam on the induced refractive index variation is exploited. Integrated sources in solitonic waveguides for the emission of blue at 400nm and of an infrared beam at 1530nm are investigated. Sources emitting in blue are obtained via a second harmonic generation process ; blue seed role in spatial soliton formation is demonstrated and its physical properties are investigated as well. The infrared one is achieved by doping LN with (active) erbium ions. Their effects on the photorefractive parameters are exploited and spatial solitons realized both pumping direcly erbium absorption lines and the LN ones. Luminescence amplification is studied numerically. Optical routing in InP:Fe is achieved by making two coherent solitons interact by changing their relative phase. Separation increasing or fusion is analyzed in function of mutual distance, temperature and light intensity

In a many-body fermionic system, the suppression of continuous transitions to absolute zero can result in a low temperature quantum fluid which deviates strongly from typical metallic behaviour; unconventional superconductivity can be induced by the strange metal region surrounding the zero-temperature phase transition. In this thesis we focus on three systems which demonstrate a highly tunable phase transition, with the aim of pushing them toward the border of a zero-temperature phase transition, and potentially superconductivity. CeAgSb2 is a uniaxial 4f ferromagnet, where physical pressure or a transverse field may be used to tune the magnetic transition towards T = 0 K. Our investigations, however, did not reveal the presence of superconductivity. It is likely that the field tuned transition does not correspond to a true critical point, whilst the high pressure region may be occupied by an antiferromagnetic phase, with the true critical point at higher pressures. However, other interesting features emerge in the electrical resistivity and AC-susceptibility, along with novel thermodynamic signatures linking the magnetisation to the specific heat. The doping series Lu(1-x)YxFe2Ge2 shows an antiferromagnetic transition which is suppressed to absolute zero at a critical concentration x_c=0.2. YFe2Ge2 displays anomalous low temperature behaviour consistent with the proximity to quantum critical fluctuations, along with a superconducting transition which appears in the electrical resistivity beneath a critical temperature of T_c ~ 1.7 K. Using low temperature DC magnetisation measurements, we show that this is a bulk effect, and that the superconductivity in YFe2Ge2 is of type-II. The thermodynamic and BCS properties of the superconducting phase are analysed in line with the parameters we extract experimentally. The superconducting 3-4-13 stannides (Ca,Sr)3Ir4Sn13 show a high temperature structural transition which may be suppressed by the application of hydrostatic pressure or effective chemical pressure. A superconducting dome is found, which appears to peak near where the structural transition extrapolates to zero temperature. Anomalous exponents are seen in the electrical resistivity over a wide temperature range. We investigate the influence of pressure on the superconducting critical temperature in Ca3Ir4Sn13 and the related compound Co3Ca4Sn13, along with an analysis of the upper critical field and flux-line phenomena in Ca3Ir4Sn13 and Sr3Ir4Sn13.

Les magnétomètres à induction sont utilisés dans de nombreux domaines d'exploration scientifique de la géophysique à l'astrophysique. Dans ces deux domaines l'étude des composantes magnétiques des ondes électromagnétiques naturelles requiert des instruments particulièrement performants: sensibles et présentant de faibles bruits intrinsèques pour accéder à des champs magnétiques de quelques fT/ . Dans le cas d'instruments scientifiques embarqués à bord de satellites, des contraintes en température, consommation, encombrement et de tenue en radiation s'ajoutent aux autres contraintes. Les technologies de circuits intégrés permettent une rupture technologique qui se traduit par une réduction de la taille des circuits électroniques embarqués d'un facteur supérieur à 1000 tout en améliorant les performances électriques et instrumentales (réduction de la consommation, des sources de bruit, augmentation de la bande passante et durcissement de l'électronique). Une première thèse au L2E (A. Rhouni) a montré la pertinence d'une technologie CMOS pour ce type d'instrumentation. Dans la présente thèse est décrite l'étude menée sur les circuits intégrés soumis à des environnements contraignants liés aux futures missions dans lesquelles ce type d'instrument doit être embarqué (Mission JUICE de l'ESA). Ces contraintes devenant de plus en plus sévères (dose de radiations supérieure à 300krad, température inférieure à 100 Kelvin ...), leur prise en compte dans tout le processus de conception est nécessaire. Une modélisation des effets de ces contraintes sur les composants de la technologie cible de circuits intégrés a été réalisée afin de pouvoir prendre en compte ces effets dès la conception. Enfin, ces modèles ont servi à la conception d'un circuit de lecture d'un magnétomètre à induction pour l'astrophysique. / Induction magnetometers are used in many fields of scientific exploration from geophysics to astrophysics. In these two fields, the study of the magnetic components of natural electromagnetic waves requires particularly powerful instruments: sensitive and with low intrinsic noises to access magnetic fields of some fT/ . In the case of scientific instruments carried on satellites, constraints on temperature, consumption, congestion and radiation resistance are added to the other constraints. Integrated circuit technologies allow technological breakthrough, which results in a reduction in the size of embedded electronic circuits by a factor greater than 1000, while improving electrical and instrumental performances (reduction in consumption, noise sources, bandwidth and hardening of the electronics). A first thesis at the L2E (A. Rhouni) showed the relevance of a CMOS technology for this type of instrumentation. In this thesis, we describe the study conducted on integrated circuits subject to environmental constraints related to the future missions in which this type of instrument must be embarked (Mission JUICE of ESA). These constraints are becoming more and more severe (radiation dose > 300krad, temperature less than 100 Kelvin ...), taking into account throughout the design process is necessary. A modeling of the effects of these constraints on the components of the integrated circuits technology has been carried out in order to be able to take these effects into account from the design stage. Finally, these models were used to design an induction magnetometer readout circuit for space instrumentation.

Les dispositifs à base de silicium, industrialisés aujourd’hui pour les systèmes électroniques, atteignent leurs limites en termes de miniaturisation et de performances. La course à l’innovation et à la miniaturisation vise aujourd’hui à dépasser cette limite en intégrant de nouveaux matériaux dans les dispositifs, en couplant d’autres phénomènes physiques de l’optique à l’électronique haute fréquence. Le travail conduit pendant cette thèse porte sur la caractérisation du phosphore noir (bP) pour des applications dans le domaine de l'optoélectronique hyperfréquence avec une application spécifique aux interrupteurs microondes pilotés optiquement à 1,55 µm. La caractérisation du bP passe par le développement de techniques de fabrication de couches bidimensionnels de bP et également par la détermination de l'influence des matériaux annexes utilisés sur les propriétés de la couche. Cela a été couplé à une étude optique pour connaitre la réponse du bP à une excitation laser à 1,55 µm. La détermination de paramètres intrinsèques spécifiques du matériau tels que le temps de vie des photoporteurs, la résistivité et la permittivité a été conduite par l'intermédiaire d'expériences de caractérisation dans le domaine optique, radiofréquence et électronique (DC). Les résultats obtenus confirment l’intérêt du bP pour ce genre d'application et ont permis l'intégration du matériau dans le dispositif hyperfréquence visé. Les résultats obtenus lors de tests préliminaires présentés dans ce mémoire sont très encourageants et ouvre la voie à de nombreuses applications ultra-rapide à haute fréquence. / The research project conducted focuses on the optoelectronic and high frequency characterization of black phosphorus. The context of this project is the trend of downscaling and multi-physical coupling seen today in industrial electronics. The characterization carried out is directed for a specific application, the realisation of microwave photoswitch controlled by a laser optical excitation at 1.55 µm. For this purpose, during this PhD a production process of thin and large bi-dimensional layers of black phosphorus has been performed, along with the fabrication of characterization devices, and a discussion to determine suitable appendices for substrate, capping layer and metallization. The technological development is coupled with optical, electronic (DC) and radiofrequency characterizations of the bi-dimensional layers for the determination of inherent black phosphorus properties like the photogenerated carrier lifetime, the material permittivity, the resistivity and the mobility of the carriers. Those parameters are essential to understanding design and simulate high frequency optoelectronic devices on black phosphorus such as the microwave photoswitch controlled at 1.55 µm. The obtained results assert black phosphorus as a promising material for this kind of application. The first performances obtained with the use of bP as an active material for photoconductive switching are very encouraging and open the way for high frequency and high speed applications.

Quasi-one-dimensional quantum models are ideal for theoretically exploring the physical phenomena associated with strong correlations. In this thesis we study three examples where strong correlations play an important role in the static or dynamic properties of the system. Firstly, we examine the behaviour of a doped fermionic two-leg ladder in which umklapp interactions are present. Such interactions arise at special band fillings and can be induced by the formation of charge density wave order in an array of two-leg ladders with long-range (three-dimensional) interactions. For the umklapp which arises from the half-filling of one of the bands, we show that the low-energy theory has a number of phases, including a strong coupling regime in which the dominant fluctuations are superconducting in nature. These superconducting fluctuations carry a finite wave vector – they are the one-dimensional analogue of Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov superconductivity. In a second example, we consider a quantum spin model which captures the essential one-dimensional physics of CoNb₂O₆, a quasi-one-dimensional Ising ferromagnet. Motivated by high-resolution inelastic neutron scattering experiments, we calculate the dynamical structure in the paramagnetic phase and show that a small misalignment of the transverse field can lead to quasi-particle breakdown – a surprising broadening in the single particle mode observed in experiment. Finally, we study the out-of-equilibrium dynamics of a model with tuneable integrability breaking. When integrability is broken by the presence of weak interactions, we show that the system relaxes to a non-thermal state on intermediate time scales, the so-called “prethermalization plateau”. We describe the approximately stationary behaviour in this regime by constructing a generalised Gibbs ensemble with charges deformed to leading order in perturbation theory. Expectation values of these charges are time-independent, but interestingly the charges do not commute with the Hamiltonian to leading order in perturbation theory. Increasing the strength of the integrability breaking interactions leads to behaviour compatible with thermalisation. In each case we use a combination of perturbative analytical calculations and non-perturbative numerical computations to study the problem at hand.