Ce travail est consacré à l’étude de la diffraction d’atomes rapides (d’énergie cinétiquede l’ordre du keV) en incidence rasante (angles d’incidence ~ 1°) le long ou proche d’unedirection principale d’une surface cristalline. Cette géométrie en incidence rasante permet de(i) récolter, en quelques secondes, la totalité du cliché de diffraction sur un détecteur sensible enposition ; (ii) préserver la cohérence de l’onde de matière en réduisant les sources de décohérencecomme l’excitation électronique et l’agitation thermique. La grande sensibilité des atomes àla forme de la densité électronique de surface (partie répulsive) et au puits attractif de Vander Waals révèle les résonances de Fano et démontre que l’atome voyage, piégé au-dessus de lasurface, de façon cohérente, sur une distance de 0.2μm. Il est également montré que la diffractiond’atomes rapides est une technique robuste pour suivre la dynamique de croissance de semiconducteurs(GaAs) par épitaxie (reconstructions, transitions de phase). Enfin, l’observationde la diffraction sur une feuille de graphène déposé sur 6H-SiC(0001) suggère l’utilisation desatomes rapides comme outil de diagnostic pour le suivi et la caractérisation en temps réel dela croissance du graphène dont les propriétés exceptionnelles dépendent beaucoup des défautsde surface. / This work was devoted to the study of fast atom diffraction (energies in the keV range)at grazing incidence angles (~ 1°) along or close to a low indexed direction of crystalline surfaces.This specific scattering geometry bears two advantages : (i) the diffraction pattern as a wholeis collected within seconds on a position sensitive detector ; (ii) the low energy associated to themotion normal to the surface quenches decoherence due to electronic excitations and stronglyreduces decoherence due to thermal vibrations. The high sensitivity of probe atoms to thesurface electron density (repulsive part) and to the Van der Waals attractive well reveals Fanoresonances where the trapped atoms preserve their coherence over distances as long as 0.2μm.As a complement to these fundamental studies, fast atom diffraction has been proved to be arobust mean to probe the dynamics of epitaxial growth of semiconductors (GaAs). Finally, workperformed on monolayer graphene grown on 6H-SiC(0001) suggest the possibility to use fastatoms to monitor graphene growth in real time, a key process to measure the level of alterationof the intrinsic graphene electronic structure.

L’intégration de matériaux ferromagnétiques dans des hétérostructures semi-conductrices offre aujourd'hui de nouvelles perspectives dans le domaine de l’électronique de spin. Dans ce manuscrit sont présentés les résultats de la croissance par épitaxie par jets moléculaires d’hétérostructures de Mn5Ge3 sur Ge(111). Le Mn5Ge3 est un composé ferromagnétique jusqu'à température ambiante qui a l’avantage de pouvoir s’intégrer directement au Ge, semiconducteur du groupe IV. S'agissant d'un matériau relativement nouveau, un des efforts majeurs a porté sur la maîtrise de la croissance des couches minces de Mn5Ge3 par la technique d'épitaxie en phase solide (SPE). Un fort accent a été mis sur les caractérisations structurales, la détermination des relations d'épitaxie avec le Ge(111), afin de les relier aux propriétés magnétiques des films. La seconde partie de ce travail a été consacrée à l'étude des processus cinétiques d'incorporation de carbone dans les couches minces de Mn5Ge3. La combinaison des différents moyens de caractérisations structurales et magnétiques a permis d'aboutir à une augmentation notable de la température de Curie tout en conservant une excellente qualité structurale de la couche et de l'interface avec le Ge et une stabilité thermique jusqu’à 850°C. Tous ces résultats indiquent que les couches minces de Mn5Ge3épitaxiées sur Ge(111) apparaissent comme des candidats à fort potentiel pour l'injection de spin dans les semi-conducteurs du groupe IV / Spin-electronics based on ferromagnetic metal/semiconductor systems offer a pathway toward integration of information storage and processing in a single material. This emerging fieldaims to create a new generation of electronic devices where two degrees of freedom will be associated: spin and charge of carriers. In this context, the outcome of this thesis is toelaborate a novel ferromagnetic compound, namely Mn5Ge3, on Ge using molecular beamepitaxy method. The interests in this compound are manyfold: it can be stabilized as a uniquephase on Ge(111) in the form of epitaxial thin films, it is ferromagnetic until room temperature and it is compatible with Si-based conventional microelectronics. In this work,one major effort was devoted to the epitaxial growth of Mn5Ge3 on Ge using Solid PhaseEpitaxy method. By combining structural and magnetic characterizations, we demonstrated high quality epitaxial thin Mn5Ge3 films with good magnetic properties. We also studied theeffect carbon incorporation on the structural and magnetic properties of epitaxial Mn5Ge3films. The carbon-doped films exhibit a high Curie temperature with an atomically smoothinterface and a high thermal stability. All these results show that Mn5Ge3 is a promisingcandidate opening up the ways for spin injection via tunnel effect through the Schottky barrierinto Ge

L’objectif de cette thèse était de synthétiser des multicouches à base de couches ferromagnétiques GeMn qui sont empilées et séparées par des couches de Ge en utilisant la technique d'épitaxie par jets moléculaires.Outre de nombreuses applications en spintronique issues de cette structure de matériaux, la réalisation de capteurs biochimiques dédiés à la détection moléculaire est l’idée directrice de ce travail. Un tel dispositif présenterait les atouts que ses matériaux constituants apportent : haute sensibilité, sélectivité et compatibilité parfaite avec la technologie de Si-Ge. Dans la première partie de ce manuscrit sont présentés les résultats obtenus de la croissance d’hétérostructures Mn5Ge3, Mn5Ge3Cx sur Ge(111) puis la reprise d’épitaxie de la barrière de Ge sur Mn5Ge3, la première étape avant la croissance de la deuxième couche ferromagnétique. Nous avons également analysé les propriétés structurales et magnétiques de ces couches minces ainsi que les dificultés dues à la croissance de la couche de Ge, notamment la diffusion et la ségrégation. Deux approches utilisant le carbone ont été proposées pour réduire la ségrégation : barrière de diffusion en carbone et remplissage des sites interstitiels du réseau Mn5Ge3 par du carbone. Le second axe alternatif pour la synthèse est consacré à la croissance de la structure colonnaire empilée Ge1-xMnx. Les conditions pour obtenir la structure colonnaire ont été déterminées. Les propriétés structurales et mesures magnétiques ont montré que cette phase était particulièrement intéressant dans la famille des semiconducteurs ferromagnétiques dilués à base de Ge-Mn pour les applications en spintronique et croissance de multicouches. La reprise d’épitaxie de plusieurs couches ferromagnétiques séparées par Ge a été effectuée et l’étude du couplage magnétique a été également menée. Enfin, nous présentons les premiers résultats sur le greffage de porphyrines et de protéines sur diverses surfaces hydrophiles et hydrophobes (Si, Ge), permettant d’accéder aux études de la faisabilité des capteurs Ge/GeMn. L’ensemble de ce travail indique que les multicouches de Ge/GeMn apparaissent comme des candidats à fort potentiel pour la spintronique, notamment pour capteurs bio-chimiques dans les semi-conducteurs du groupe IV. / The objective of this thesis is to synthetize the multilayers based on the sandwiched structure of GeMn ferromagnetic layers by mean of Molecular Beam Epitaxy on Ge substrate. Applications in spintronic field from this study are potential such as structures of spin valves, nanoscale sensors devoted to the detection of biochemical molecules. We actually focus on the biochemical sensors based on GMR (or TMR) phenomenon in stacking layered structure. These devices offer many advantages that the constituent materials may provide : high sensibility, selectivity, and especially, compatibility with Si-Ge technology. The first part of this manuscript presents the results obtained of heterostructure growth of Mn5Ge3, Mn5Ge3Cx on Ge(111), then Ge overgrowth on Mn5Ge3, the first step to study multilayers growth. Also, we have discussed about the structural and magnetic properties of these thin films as well as the problems due to the growth of multilayers, especially the diffusion and segregation. The approaches to reduce the diffusion were proposed by introducing carbon atoms as diffusion barrier or by fulfilling insterstial sites of Mn5Ge3 lattice by carbon atoms. The second axis of materials synthesis is devoted to the growth of multilayers Ge1-xMnx nanocolumn structure. The growth condition of Ge1-xMnx nanocolumns has been determined. We have studied structural and magnetic properties of this phase which are of particular interest to spintronic applications and multilayers growth. The Ge/Ge1-xMnx nanocolumns multilayers have been done and the interlayer exchange coupling between ferromagnetic layers has been studied. Finally, we have presented the preliminary results of porphyrin molecules and protein grafting on hydrophilic and hydrophobic surfaces (Si and Ge). This allows accessing to study the feasibility of Ge/GeMn-based sensors. This work indicates that the Ge/GeMn mutilayers appear to be a potential candidate for spintronics and biochemical sensors in the group IV semi-conductors.

L'intégration de matériaux ferromagnétiques dans des hétérostructures semi-conductrices offre aujourd'hui de nouvelles perspectives dans le domaine de l'électronique de spin. Dans ce manuscrit sont présentés les résultats de la croissance par épitaxie par jets moléculaires d' hétérostructures de Mn5Ge3 sur Ge(111). Le Mn5Ge3 est un composé ferromagnétique jusqu'à température ambiante qui a l'avantage de pouvoir s'intégrer directement au Ge, semi-conducteur du groupe IV. S'agissant d'un matériau relativement nouveau, un des efforts majeurs a porté sur la maîtrise de la croissance des couches minces de Mn5Ge3 par la technique d'épitaxie en phase solide (SPE). Un fort accent a été mis sur les caractérisations structurales, la détermination des relations d'épitaxie avec le Ge(111), afin de les relier aux propriétés magnétiques des films. La seconde partie de ce travail a été consacrée à l'étude des processus cinétiques d'incorporation de carbone dans les couches minces de Mn5Ge3. La combinaison des différents moyens de caractérisations structurales et magnétiques a permis d'aboutir à une augmentation notable de la température de Curie tout en conservant une excellente qualité structurale de la couche et de l'interface avec le Ge et une stabilité thermique jusqu'à 850°C. Tous ces résultats indiquent que les couches minces de Mn5Ge3 épitaxiées sur Ge(111) apparaissent comme des candidats à fort potentiel pour l'injection de spin dans les semi-conducteurs du groupe IV.