La spintronique est une technique utilisant le spin des électrons dans des composants électroniques. Le principe est fondé sur des propriétés physiques telles que la magnétorésistance, (Prix Nobel 2007, Albert Fert), ce qui signifie que la conductivité électrique d'un système peut dépendre du champ magnétique appliqué au composant. Le microscope à effet tunnel polarisé en spin (SP-STM) en est un parfait exemple. Il implique l'utilisation d'une pointe et d'une surface magnétiques ; il est ainsi un outil essentiel à l'étude locale des propriétés électroniques et magnétiques des surfaces. L'objectif de notre étude est de modéliser des images de microscope à effet tunnel polarisé en spin d'une surface Cr(001) en allant au-delà de l'approximation classique de Tersoff-Hamann. Nous utilisons une approche combinant les méthodes ab initio avec le code PWSCF, couplées avec une méthode de liaisons fortes (TB) correctement ajustée. Premièrement, nous avons mené une étude approfondie des propriétés électroniques et magnétiques de la surface du chrome, en insistant sur les états de surface localisés autour du niveau de Fermi. En outre, il existe une controverse au sujet de l'interprétation de spectres obtenus en STS. Nous avons clairement identifié les états de surface impliqués, et relevé que le pic en question est de symétrie dz2 − pz . Nous avons analysé la décroissance dans le vide des fonctions d'onde au-dessus de la surface Cr(001) et constaté que spectre observé par SP- STS provient essentiellement d'états de surface de symétrie pz et dz2 . Après avoir présenté le formalisme du transport électronique nous avons simulé un système idéal correspondant à une configuration SP-STM, à savoir deux surfaces Fe(001)-Cr(001) en vis-à-vis séparées par une couche de vide. Enfin nous présentons des calculs sur un système plus réaliste formé d'une pointe de Fer en contact tunnel avec une surface Cr(001). Le comportement général et les ordres de grandeurs des effets de TMR sont en bon accord avec l'expérience.

Pour la première fois, en associant un microscope à effet tunnel (STM) et un microscope optique inversé,nous avons imagé les plasmons de surface excités électriquement sur un film d'or avec la pointe d'un STM.Par microscopie de fuite radiative, en observant l'image de l'interface air/or et celle du plan de Fourierassocié, nous avons distingué les plasmons propagatifs des plasmons localisés sous la pointe. Les plasmonspropagatifs sont caractérisés par une distance de propagation et une direction d'émission en accord aveccelles de plasmons propagatifs créés par excitation laser sur des films d'or de mêmes épaisseurs. Les fuitesradiatives des plasmons localisés s'étalent jusqu'à l'angle maximum d'observation. Plasmons propagatifs etlocalisés ont une large bande spectrale dans le visible. Si la pointe est plasmonique (en argent), lesplasmons localisés ont une composante supplémentaire due au couplage associé. Pour différents types depointe, nous avons déterminé les intensités relatives des plasmons localisés et propagatifs. Nous trouvonsque chaque mode plasmon (propagatif ou localisé) peut être préférentiellement sélectionné en modifiant lematériau de la pointe et sa forme. Une pointe en argent produit une intensité élevée de plasmons localisés,tandis qu'une pointe fine de tungstène (rayon de l'apex inférieur à 100 nm) produit essentiellement desplasmons propagatifs. Nous avons étudié la cohérence spatiale des plasmons propagatifs excités par la pointe du STM. Avec un film d'or opaque (épaisseur 200 nm) percé de paires de nanotrous nous avons réalisé une expérienceanalogue à celle des fentes d'Young. Des franges d'interférences sont observées. La mesure de leurvisibilité en fonction de la distance des nanotrous donne une longueur de cohérence des plasmons de 4.7±0.5 μm. Cette valeur, très proche de la valeur 3.7± 1.2 μm déduite de la largeur de la distribution spectraledes plasmons, indique que l'élargissement spectral des plasmons propagatifs est homogène.Nous avons aussi étudié la diffusion des plasmons propagatifs excités par la pointe du STM par desnanoparticules d'or déposées sur un film d'épaisseur 50 nm. Nous observons une diffusion élastique et unediffusion radiative. Des franges d'interférences sont observées dans la région d'émission lumineuseinterdite du plan de Fourier, dont la période est inversement proportionnelle à la distancepointe-nanoparticule d'or avec un facteur de proportionnalité égal à la longueur d'onde moyenne desplasmons. Il y a donc interférence entre la radiation des plasmons localisés et la radiation provenant de ladiffusion des plasmons propagatifs sur les nanoparticules d'or. Ceci indique que les plasmons localisés etpropagatifs excités électriquement par la pointe du STM sont différentes composantes du plasmon uniqueproduit par effet tunnel inélastique avec la pointe du STM. Ces résultats originaux sur les plasmons créés sur film d'or par un effet tunnel inélastique localisé à l'échelle atomique (i) élargissent la compréhension du processus et (ii) offrent des perspectives intéressantes pour une association de la nanoélectronique et de la nanophotonique.

Multilayer epitaxial graphene has been shown to contain "massless Dirac fermions" and is believed to provide a possible route to industrial-scale graphene electronics. We used scanning tunneling microscopy (STM) and spectroscopy (STS) in high magnetic fields to obtain local information on these fermions. A new STS technique was developed to directly measure graphene's energy-momentum relationship and resulted in the highest precision measurement of graphene's Dirac cone. STS spectra similar to ideal graphene were observed, but additional anomalies were also found. Extra peaks and an asymmetry between electron and hole states were shown to be caused by the work function difference between the Iridium STM tip and graphene. This tip effect was extracted using modeled potentials and performing a least square fit using degenerate perturbation theory on graphene's eigenstates solved in the symmetric gauge. Defects on graphene were then investigated and magnetic field effects were shown to be due to a mixture of potential effect from defects and the tip potential. New defect states were observed to localize around specific defects, and are believed to interact with the STM tip by Stark shifting in energy. This Stark shift gives a direct measurement of the capacitive coupling between the tip and graphene and agrees with the modeled results found when extracting the tip potential.

Le microscope à effet tunnel (STM) permet une analyse spatiale et spectroscopique de surfaces à l'échelle atomique. Mise en évidence peu après l'invention du STM, la lumière émise par la jonction tunnel contient des informations pertinentes sur les propriétés électroniques et optiques de surfaces ou de nano-objets.<br /><br />La thématique dans laquelle s'inscrit cette thèse est la luminescence induite par STM sur substrat semiconducteur à large bande interdite. Les travaux ont porté sur la reconstruction de surface SiC(0001)3x3 du carbure de silicium (SiC) et s'articulent autour de trois parties.<br /><br />La première partie est consacrée à l'étude de la luminescence de la jonction tunnel métal/vide/SiC(0001)3x3. Cette étude, en parallèle à des mesures de spectroscopie tunnel, a mis en évidence les mécanismes et propriétés de transport électronique le long des états de surface du SiC.<br /><br />Une deuxième partie est dédiée à l'adsorption de molécules organiques sur la surface SiC(0001)3x3. La fonctionnalisation organique du SiC est une étape indispensable pour l'étude de molécules individuelles mais aussi pour la conception de matériaux hybrides organique/inorganique. La résolution submoléculaire du STM associée à des calculs ab initio en collaboration ont dégagé un modèle de chimisorption détaillé de la phthalocyanine hydrogénée.<br /><br />La dernière partie décrit des simulations numériques, basées sur le formalisme des tenseurs de Green, de la lumière émise par la jonction tunnel. Ces travaux ont permis de modéliser d'une part l'influence de la forme de la pointe du STM sur le spectre de la lumière émise, d'autre part l'inhibition de la fluorescence de molécules individuelles excitées par STM.

Parmi les objets nanométriques les plus importants figurent les nanofils, qui peuvent<br />être utilisés soit comme coeur d'un dispositif, soit comme élément d'adressage d'un autre<br />nano-objet. Cette thèse explore deux voies de fabrication de nanofils.<br />La première concerne un procédé d'écriture directe de motifs d'or de dimension<br />nanométrique, par transfert d'atomes depuis une pointe STM vers la surface. Des lignes d'or<br />de largeur 15 nm, d'épaisseur 3 nm et de longueur 300 nm ont pu être tracées sur une surface<br />de silicium.<br />La seconde voie concerne un procédé de fabrication de nanofils de silicium (SiNWs)<br />par décomposition thermique du silane (SiH4) sur une surface recouverte d'agrégats d'or, par<br />la technique VLS (Vapor Liquid Solid). Deux moyens de chauffage ont été utilisés pour<br />forcer la croissance horizontale des fils à partir d'une électrode prédéposée sur une surface<br />isolante. Dans un premier temps, la surface a été chauffée sous l'impact d'un faisceau laser<br />continu focalisé, pour induire localement un fort gradient thermique latéral sur une zone de<br />diamètre 3 μm. Dans un second temps, la croissance des nanofils de Si a été forcée à partir de<br />lignes de tungstène sub-microniques chauffées par effet Joule, par passage d'un courant de<br />forte densité.<br />Les mécanismes de croissance sont discutés.

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The research presented in this thesis concerns experimental studies of thin manganese silicide and germanide layers, grown by solid phase epitaxy on the Si(111)7×7 and the Ge(111)c(2×8) surfaces, respectively. The atomic and electronic structures, as well as growth modes of the epitaxial Mn-Si and Mn-Ge layers, were investigated by low-energy electron diffraction (LEED), angle-resolved photoelectron spectroscopy (ARPES), core-level spectroscopy (CLS), and scanning tunneling microscopy and spectroscopy (STM and STS). The magnetic properties of the Mn-Ge films were investigated by X-ray magnetic circular dichroism (XMCD). The Mn-Si layers, annealed at 400 °C, showed a √3×√3 LEED pattern, consistent with the formation of the stoichiometric monosilicide MnSi. Up to 4 monolayers (ML) of Mn coverage, island formation was observed. For higher Mn coverages, uniform film growth was found. Our results concerning morphology and the atomic and electronic structure of the Mn/Si(111)-√3×√3 surface, are in good agreement with a recent theoretical model for a layered MnSi structure and the √3×√3 surface structure. Similar to the Mn-Si case, the grown Mn-Ge films, annealed at 330 °C and 450 °C, showed a √3×√3 LEED pattern. This indicated the formation of the ordered Mn5Ge3 germanide. A strong tendency to island formation was observed for the Mn5Ge3 films, and a Mn coverage of about 32 ML was needed to obtain a continuous film. Our STM and CLS results are in good agreement with the established model for the bulk Mn5Ge3 germanide, with a surface termination of Mn atoms arranged in a honeycomb pattern. Mn-Ge films grown at a lower annealing temperature, 260 °C, showed a continuous film at lower coverages, with a film structure that is different compared to the structure of the Mn5Ge3 film. XMCD studies showed that the low-temperature films are ferromagnetic for 16 ML Mn coverage and above, with a Curie temperature of ~250 K.

This thesis represents an attempt to improve the state of the art in our ability tounderstand and check object protocols, with a particular emphasis on concurrent pro-grams. Object protocols are the patterns of use imposed on clients of APIs in object-oriented programs. We show through an empirical study of open-source object-oriented programs that object protocols are quite common. We then present “Sync-or-Swim,” a methodology and suite of accompanying tools for checking at compile-time that object protocols are used and implemented correctly. This methodology isbased upon the existing access permissions method of alias control, which is hereextended to be sound in the face of shared-memory concurrency. The analysis isformalized as a type system for an object-oriented calculus, and then proven to befree from false-negatives using a proof of type safety. The type system is extendedwith parametric polymorphism, or “generics,” in order to increase its ability to checkcommonly occurring patterns. An implementation of the approach, a static analysisfor programs written in the Java programming language, is presented. This imple-mentation was used to perform a series of case studies whose goal was to evaluatethe ease of use, expressiveness and ability to verify commonly occurring patterns.These case studies are presented. Next, an approach and an associated tool for in-ferring access permission annotations is presented. This inference tool can reducethe burden of using our protocol-checking approach by automatically inferring therequired typing annotations. This inference is built upon a system of probabilisticconstraints, which allows the easy encoding of heuristics. Finally, an optimization ofsoftware transactional memory runtimes is presented. This optimization is enabledby the typing annotations required to use the concurrent protocol checker and canremove some of the overhead typically associated with transactional memory sys-tems. As a result of the work presented in this thesis, it is possible to guarantee theabsence of certain API usage errors even in concurrent programs, and to do so witha low burden on programmers. By adhering to such an approach, programmers canproduce more reliable software.