Ce travail de thèse avait pour but d'étudier, par des simulations numériques, la validité d'une nouvelle approche pour réaliser des dispositifs électroniques ultimes. Ceux-ci doivent permettre de contrôler le transport des électrons un à un; il faut alors une tension de seuil reste élevée même à température ambiante. La fabrication de transistors à un électron (SET) construits autour d'un seul plot et répondant à cette contrainte, pose de nombreux problèmes. C'est pourquoi nous avons choisi d'étudier des petits réseaux de plots métalliques nanométriques déposés sur un isolant, et placés entre des électrodes, en collaboration étroite avec un laboratoire expérimental qui avait fait le même choix. Dans ces conditions, les réseaux de plots obtenus présentent un important désordre géométrique pris en compte à travers les distances inter-plots. Dans un premier temps, nous avons réalisé un simulateur de type Monte Carlo, validé grâce aux données expérimentales, capable de reproduire le transport dans les dispositifs étudiés. Cela a nécessité la modélisation réaliste des résistances tunnel et des capacités des jonctions inter-plots, de façon à inclure explicitement le désordre. Dans un second temps, nous avons étudié l'effet de ce dernier sur les caractéristiques électriques des dispositifs considérés. Le résultat majeur concerne la dispersion de la tension de seuil qui reste faible à basse température, mais devient rapidement catastrophique dans la zone de température intéressante pour les applications. Dans le but de réduire la dispersion à haute température, nous avons proposé et testé numériquement une solution réaliste permettant de la ramener à des valeurs de seuils tolérables en VLSI.

L'effet Kondo naît du couplage tunnel entre une impureté magnétique et une mer de Fermi. L'essence de cet état de fortes corrélations électroniques trouve son origine dans la nature non perturbative du couplage d'échange entre le moment local et les électrons de conduction, et qui conduit à la formation d'un état fondamental non magnétique à température nulle. Dans le régime Kondo, toutes les propriétés physiques du système (impureté+réservoir d'électrons) s'expriment en fonction d'une unique échelle d'énergie, la température Kondo TK . Ce caractère universel a été observé dans des métaux contenant une grande quantité d'impuretés magnétiques ainsi que dans des impuretés artificielles comme les boîtes quantiques. Pour être mis en évidence expérimentalement, l'élément tunnel connectant le moment local et le réservoir de Fermi doit être large et l'on réfère souvent au problème Kondo comme à un problème de couplage fort. Les boîtes quantiques latérales offrent de grandes possibilités d' étudier plus en détail l'effet Kondo. En particulier, contraindre la mer de Fermi à une région finie de l'espace et comprendre comment cela influence l'écrantage du moment local, est une question cruciale du problème Kondo. Nous présenterons des mesures de transport à travers une double boîte quantique où une boîte quantique de petite taille jouant le rôle d'impureté magnétique sera couplée à une boîte quantique de grande taille jouant le rôle de réservoir fini. Différentes expériences effectuées dans le régime de couplage fort entre boîtes nous confronterons à la nature multi-niveaux de la grande boîte quantique et montrerons l'importance de considérer l'hybridation de multiples niveaux d'énergie. De plus, nous présenterons des données où le transport à travers le système est médié par des mécanismes de types Kondo impliquant un niveau hybridé entre boîtes. A la dégénérescence de charge des boîtes quantiques, une amplification de la température Kondo résultant de la réduction de l'énergie de charge du système, permet de révéler un singulet Kondo à température finie. En analysant les différentes configurations de spin possibles, nous discuterons la compétition entre deux singulets pouvant être stabilisés dans le système, un singulet de type Kondo et un singulet entre boîtes où les effets à multiples niveaux jouent un rôle important. Nous pensons que la réduction du couplage d'échange entre boîtes due au faible écart entre niveaux d'énergie dans la grande boite quantique explique l'invariance du phénomène observé en ce qui concerne l'occupation de cette même boîte, et ceci à la température électronique de base de notre expérience.

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.

La miniaturisation des composants, qui s'est engagée depuis l'avènement de l'électronique il y a plus de 50 ans, atteint aujourd'hui la dimension nanométrique, ouvrant la porte aux phénomènes quantiques. Ultime étape de cette miniaturisation, la boîte quantique, dans laquelle les électrons sont confinés dans les trois directions de l'espace, présente des propriétés remarquables, telles que l'augmentation du gap entre la bande de conduction et la bande de valence, ou la discrétisation des niveaux d'énergies. Autre conséquence du confinement, la forte interaction électron-électron régnant au sein de la boîte conduit à une énergie de charge importante, susceptible de bloquer l'entrée d'un électron dans la boîte sans apport d'énergie extérieur. Ce phénomène de blocage des charges est appelé blocage de Coulomb. Le transistor à un électron (SET), dispositif élémentaire tirant profit de ce phénomène, est pressenti pour quelques applications, comme la réalisation de fonctions logiques ou la détection de charge. Parmi les domaines concernés, la thermoélectricité, c'est-à-dire la possibilité de créer du courant électrique à partir d'une différence de température, s'intéresse de près aux dispositifs à un électron en raison de leurs niveaux d'énergie discrets qui conduisent à une très faible conductivité thermique. Ce travail présente le simulateur SENS (Single-Electron Nanodevice Simulation) développé dans l'équipe, et dont j'ai réalisé la partie destinée à la simulation du SET. Il s'appuie sur la résolution des équations couplées de Poisson et Schrödinger, nécessaire à la détermination des fonctions d'onde dans la boîte de silicium, elles-mêmes dépendantes des tensions appliquées aux électrodes. Les fréquences de transition tunnel sont ensuite calculées par la règle d'or de Fermi. L'étude approfondie du courant dans les SET permet d'extraire des diagrammes de stabilité en diamant, et démontre l'importance de paramètres tels que la taille de l'îlot, la dimension des barrières tunnel, la température et le nombre d'électrons occupant la boîte. L'étude du courant électronique et du courant de chaleur en présence d'une différence de température aux électrodes du SET est également faite pour juger de la pertinence de l'utilisation d'un SET en tant que générateur thermoélectrique, mais aussi comme étalon pour déterminer le coefficient Seebeck. Enfin, une étude du bruit de grenaille dans la double-jonction tunnel (SET sans la grille) est faite, démontrant le fort lien entre taux de transfert tunnel et bruit. En particulier, selon l'évolution des taux des transferts tunnel d'entrée et de sortie de l'îlot, pour un nombre d'électrons supérieur 2, il est possible d'observer une augmentation importante du bruit, qui devient alors super-Poissonien. L'étude de l'influence des paramètres géométriques démontre que le bruit de grenaille dépend essentiellement de la différence des épaisseurs de barrière tunnel.

Cette thèse consiste en une étude de jonctions tunnels à Quantum Dot (QD) unique. Le second chapitre présentera une introduction aux concepts fondamentaux nécessaires à la description d’une telle jonction. Dans le troisième chapitre, je décrirais les méthodes de fabrications et de mesures. Dans le quatrième chapitre, je décrirais une étude par spectroscopie tunnel de QDs PbS. Trois signatures distinctes du couplage électron-phonon sont observées dans le spectre tunnel. Dans le régime de « remplissage de couches », la dégénérescence d’ordre 8 des états est levée par les interactions de Coulomb et permet l’observation des sous-bandes de phonons résultant de l’émission de phonons optiques. A faible tension, une bande interdite (gap) est observée dans le spectre, laquelle ne peut être fermée avec la tension de grille, ce qui est une signature caractéristique du blocage de France-Condon. A partir de ces données, un facteur de Huang-Rhys de l’ordre de S~1.7-2.5 est obtenu. Finalement, dans le régime de « shell-tunneling », les phonons optiques apparaissent dans le spectre tunnel inélastique d2I/dV2. Dans le cinquième chapitre, je présente une étude du spectre tunnel de QDs HgSe. En appliquant une tension de grille, différents niveaux d’occupation du QD peuvent être atteints. La valeur de la bande interdite change avec le niveau d’occupation. Une valeur de 0.9 eV est observée pour l’inter-bande (QD vide), une valeur de 0.2 eV est observée pour l’intra-bande (QD occupé par 2 e). Sous illumination, un photocourant peut être mesuré en utilisant une technique de démodulation. De cette mesure, une durée de vide τ ~ 65 μs est extraite pour la paire électron-trou photo-générée. / My PhD work consists in a study of single Quantum Dot (QD) tunnel junctions. Following the introduction chapter, the second chapter will present the fundamental concepts needed to describe a single QD junction, such as quantum confinement and Coulomb blockade. In the third chapter, I will describe the sample fabrication methods and the measurement setups. In the fourth chapter, I will describe a tunneling spectroscopy study of single PbS QDs. Three distinct signatures of strong electron-phonon coupling are observed in the Electron Tunneling Spectrum (ETS) of these QDs. In the shell-filling regime, the 8 times degeneracy of the electronic levels is lifted by the Coulomb interactions and allows the observation of phonon sub-bands that result from the emission of optical phonons. At low bias, a gap is observed in the spectrum that cannot be closed with the gate voltage, which is a distinguishing feature of the Franck-Condon blockade. From the data, a Huang-Rhys factor in the range S~ 1.7 - 2.5 is obtained. Finally, in the shell tunneling regime, the optical phonons appear in the inelastic ETS d2I/dV2. In the fifth chapter, I present a tunnel spectroscopy study of single HgSe QDs. Upon tuning the gate voltage, different occupation levels of the QD can be reached. The gap observed in the ETS changes with the occupation level. A large inter-band gap, 0.9~eV, is observed for the empty QDs, and an intra-band gap 0.2~eV is observed for the doubly occupied QD. Upon illuminating the QD, a photocurrent can be measured using an especially designed demodulation technique. From this measurement, the lifetime τ ~65 μs is extracted for the photogenerated electron-hole in the QD.

L'étude du transport électronique dans des nano-objets métalliques et magnétiques issus de la chimie est un challenge en spintronique. En particulier, le manque de résultats expérimentaux révèle la difficulté à positionner ces nano-objets entre des électrodes de mesures tout en préservant leurs propriétés (magnétisme, intégrité des barrières tunnel organiques...). Ce travail de thèse vise à contourner ces difficultés et à étudier le magnétotransport dans ces systèmes. Pour cela, nous avons conçu et développé à l'intérieur d'une boîte à gants couplée à un bâti de pulvérisation cathodique des systèmes expérimentaux d'assemblages de nano-objets. Nous avons étudié les mécanismes mis en jeu lors de l'assemblage par la technique de dip coating, et réussi à déposer des monocouches de nanoparticules (NPs) de natures différentes (FeCo, Fe, Co) sur des surfaces d'Au, de SiO2 et de résine fine (40 nm). Ces résultats, couplés à une technique de nanoindentation, ont permis de mesurer quelques - voire une- NP(s). Une autre technique, la diélectrophorèse, s'est révélée simple et efficace pour piéger et orienter des nano-objets de taille, de nature, et de forme différentes entre des électrodes. Grâce à cette technique et au dépôt d'une couche protectrice d'alumine, nous avons étudié les propriétés de magnétotransport de plusieurs types de nano-objets sensibles à l'oxydation ou à la vapeur d'eau: NPs de Fe, de Co, FeCo et [Fe(H-trz)2(trz)](BF4)] (composés à transition de spin). Trois jeux de barrières tunnel organiques greffés sur des NPs de fer ont présenté de la magnétorésistance tunnel jusqu'à température ambiante. De plus, des nano-objets de [Fe(H-trz)2(trz)](BF4)] de facteurs de forme variable, ont montré une variation de la conductance liée à la transition de spin. Enfin, nous avons étudié l'influence de la longueur des ligands sur les propriétés de conductions de NPs de Cobalt, qui a validé nos méthodes d'échange de ligands et ont pu être analysées quantitativement. Nos travaux rendent désormais envisageable l'utilisation de NPs issues de la chimie dans différents domaines de la spintronique.

La miniaturisation des composants, qui s’est engagée depuis l’avènement de l’électronique il y a plus de 50 ans, atteint aujourd’hui la dimension nanométrique, ouvrant la porte aux phénomènes quantiques. Ultime étape de cette miniaturisation, la boîte quantique, dans laquelle les électrons sont confinés dans les trois directions de l’espace, présente des propriétés remarquables, telles que l’augmentation du gap entre la bande de conduction et la bande de valence, ou la discrétisation des niveaux d’énergies. Autre conséquence du confinement, la forte interaction électron-électron régnant au sein de la boîte conduit à une énergie de charge importante, susceptible de bloquer l'entrée d'un électron dans la boîte sans apport d'énergie extérieur. Ce phénomène de blocage des charges est appelé blocage de Coulomb. Le transistor à un électron (SET), dispositif élémentaire tirant profit de ce phénomène, est pressenti pour quelques applications, comme la réalisation de fonctions logiques ou la détection de charge. Parmi les domaines concernés, la thermoélectricité, c’est-à-dire la possibilité de créer du courant électrique à partir d’une différence de température, s’intéresse de près aux dispositifs à un électron en raison de leurs niveaux d’énergie discrets qui conduisent à une très faible conductivité thermique. Ce travail présente le simulateur SENS (Single-Electron Nanodevice Simulation) développé dans l’équipe, et dont j’ai réalisé la partie destinée à la simulation du SET. Il s’appuie sur la résolution des équations couplées de Poisson et Schrödinger, nécessaire à la détermination des fonctions d’onde dans la boîte de silicium, elles-mêmes dépendantes des tensions appliquées aux électrodes. Les fréquences de transition tunnel sont ensuite calculées par la règle d’or de Fermi. L’étude approfondie du courant dans les SET permet d’extraire des diagrammes de stabilité en diamant, et démontre l’importance de paramètres tels que la taille de l’îlot, la dimension des barrières tunnel, la température et le nombre d’électrons occupant la boîte. L’étude du courant électronique et du courant de chaleur en présence d’une différence de température aux électrodes du SET est également faite pour juger de la pertinence de l’utilisation d’un SET en tant que générateur thermoélectrique, mais aussi comme étalon pour déterminer le coefficient Seebeck. Enfin, une étude du bruit de grenaille dans la double-jonction tunnel (SET sans la grille) est faite, démontrant le fort lien entre taux de transfert tunnel et bruit. En particulier, selon l’évolution des taux des transferts tunnel d’entrée et de sortie de l'îlot, pour un nombre d’électrons supérieur 2, il est possible d’observer une augmentation importante du bruit, qui devient alors super-Poissonien. L’étude de l’influence des paramètres géométriques démontre que le bruit de grenaille dépend essentiellement de la différence des épaisseurs de barrière tunnel. / After a continuous reduction which has begun 50 years ago, the feature size of electronic devices has now reached the nanometer scale, opening the door to quantum phenomena. The final stage of this miniaturization, the quantum dot, in which the electrons are confined in all three directions of space, has remarkable properties, such as an increase of the bandgap between the conduction band and the valence band, and the discretization of energy levels. Another consequence of confinement, the strong electron-electron interaction occurring in the dot induces a significant charging energy which may prevent an electron entering the dot if an external energy is not provided to the system. This charge blocking is called Coulomb blockade. The single electron transistor (SET), the elementary device taking advantage of Coulomb blockade, is slated for some applications, such as the realization of digital functions or charge sensors. Among the areas concerned, the thermoelectricity, i.e., the possibility of creating an electrical current from a temperature gradient, is very interested in single-electron devices due to their discrete energy levels which lead to a very low thermal conductivity.This thesis presents the simulator SENS (Single-Electron Nanodevice Simulation) developed in the team and the part I have developed specifically for the simulation of SET. It is based on a 3D solver of Poisson and Schrödinger coupled equations, necessary for the determination of the wave functions in the case of silicon, and dependent on voltages applied to the electrodes. Tunnel transfer rates are then calculated by Fermi's golden rule. In-depth study of the current in the SETs gives access to diamond stability diagrams, and demonstrates the importance of parameters such as dot size, tunnel the barriers thicknesses, the temperature and the number of electrons occupying the dot. The study of the electron current and the heat flow in the presence of a temperature difference at the electrodes of an SET is also made to consider the suitability of the use of an SET as thermoelectric generator, but also as a standard for determining the Seebeck coefficient.Finally, a study of shot noise in double-tunnel junction (SET without the gate) is made, demonstrating the strong link between tunnel transfer rate and shot noise. In particular, according to the evolution of in- and out – tunnel transfer rates, for a number of electrons in the dot greater than 2, it is possible to observe a significant increase in noise, which becomes super-Poissonian. The study of the influence of geometrical parameters shows that the shot noise depends mainly on the difference of the tunnel barrier thicknesses.

Dans cette thèse, nous proposons et démontrons un nouveau type de nanobiocapteur pour la détection de biomolécules à haute sensibilité et leur intégration à grande échelle (plaquette de 4 pouces). Le principe du nouveau nanobiocapteur électrique est basé sur la variation de conductivité électrique à travers des nano-îlots grâce au phénomène quantique appelé "blocage de Coulomb". Les nano-îlots de nickel (~5nm de diamètre) sont placés entre les nano-électrodes interdigitées (IND) (~45nm de largeur). La conductivité de ces dispositifs à Jonctions Tunnel Multiples (MTJ) est modifiée par l'adsorption de biomarqueurs impliqués dans la tumorogènese. Les oncologues ont récemment isolé et caractérisé un nouveau fragment d'anticorps à chaîne simple (scFv) qui reconnaît sélectivement la forme active de RhoA. Ce biomarqueur potentiel a été trouvé surexprimé dans diverses tumeurs. Les fragments d'anticorps ont été adsorbés, par des liaisons de coordination, sur les nano-îlots de nickel. Ces fragments sont capables de reconnaître spécifiquement la forme active de RhoA. Nous avons étudié ce biomarqueur et validé la chimie de surface à base de nano-'îlots de nickel pour la détection sans marquage, en utilisant une microbalance à quartz (QCM). Puis, nous avons mis au point et adapté à notre dispositif une méthodologie innovatrice pour réaliser, à l'échelle d'une plaquette, des microcanaux basés sur du photoPDMS. La caractérisation électrique finale des dispositifs intégrés a été testée en temps réel et à flux biologique continu. La forme active de RhoA a été détectée en discriminant la forme inactive. En annexe, je présente mon opinion épistémologique et éthique sur la nanotechnologie.

Le travail rapporté dans ce mémoire concerne la caractérisation électrique de nanocristaux de germanium (nc-Ge) élaborés par démouillage sur une couche de dioxyde de silicium. L'étude est réalisée sous deux formes : <br />En premier lieu, des mesures courant – tension (I-V) et capacité (haute fréquence ; 1 MHz) – tension (C-V) ont été effectuées pour caractériser des nanocristaux recouverts par du silicium amorphe. Les résultats ont montré l'apparition du blocage de Coulomb à température ambiante dans des nc-Ge ayant le plus petit (~3.5 nm) diamètre. Les mesures I-V et C-V ont révélé le phénomène de piégeage dans les nanocristaux. Ce dernier est conditionné par leur taille et densité moyennes, dont les effets ont été séparés grâce aux mesures en température. En conséquence, la variation en température du nombre moyen d'électrons piégés par nanocristal a permis d'accéder à une énergie d'activation thermique qui s'est révélée être dépendante de la taille moyenne (ou du gap) du nanocristal.<br />En deuxième lieu, des caractérisations par microscopie à force atomique en mode conducteur ont été effectuées sur des échantillons contenant des nc-Ge non recouverts. Là aussi, le transport et le piégeage ont été abordés en mettant en évidence l'effet de la taille et la densité moyennes des nc-Ge. Des mesures EBIC (courant induit par faisceau d'électrons) en champ proche (NF-) ont aussi été menées pour cartographier l'activité électrique en surface des échantillons. Elles ont été suivies par des mesures de la longueur effective de diffusion des porteurs minoritaires en excès. Les résultats ont montré que ce paramètre est réduit par la présence de nc-Ge et par l'augmentation de leur densité

Dans le cadre d'une étude sur les dispositifs à nanocristaux (NC) de silicium, tels que les mémoires flash à nanocristaux et le transistor à un électron, ce travail de thèse a pour objectif de modéliser avec précision le transport d'électrons par effet tunnel entre deux nanocristaux ; cela impose de tenir compte de l'élargissement des niveaux d'énergie électronique dans les NC induit par le couplage entre les électrons et les phonons. Les modes de vibration des NC de silicium de tailles variables ont dans un premier temps été calculés en utilisant l'Adiabatic Bond Charge Model (ABCM). Les résultats obtenus présentent une très bonne concordance avec les spectres Raman expérimentaux. Les densités d'états (DOS) des nanocristaux de grande taille ont été comparées avec la DOS du silicium massif. Il apparaît que les DOS sont globalement très proches, excepté dans des gammes de fréquences spécifiques où des modes de surface, inexistants dans le cristal massif, ont été identifiés. L'interaction électron-phonon a alors été prise en compte par un calcul de fonctions spectrales. Les fréquences d'interaction électron-phonon obtenues sont très grandes par rapport aux fréquences de transfert tunnel : l'interaction avec les phonons suffit donc à garantir un transport séquentiel. Le transfert tunnel d'un nanocristal à l'autre a été modélisé grâce à ces fonctions spectrales. Le courant à travers un dispositif comprenant deux nanocristaux a été calculé. L'étude de l'influence des différents paramètres sur ce courant à travers le dispositif montre une évolution conforme aux résultats attendus.