L'interface homme / machine a entraîné de nombreuses recherches en biotechnologie. Une partie de ces recherches portent sur les interconnexions cerveau / machine. En effet, le cerveau dispose de nombreuses connexions cérébrales par le biais de neurones. Ces neurones communiquent entre eux et propagent l'information grâce à un signal bio-électrique appelé potentiel d'action. L'objectif de ma thèse de doctorat est de mesurer ce signal à l'aide de transistors ionosensibles à effet de champ (Ion Sensitive Field Effect Transistor ISFET). Le procédé ISFET a été modifié pour obtenir un nouveau type de capteur baptisé NeuroFET. Les puces contenant les NeuroFETs ont entièrement été fabriquées au sein de la salle blanche du LAAS. La croissance des neurites doit être ensuite orientée pour que celles-ci passent sur les grilles des NeuroFETs. Pour se faire, nous avons choisi de les contraindre mécaniquement à l'aide de canaux microfabriqués en résine SU-8. Après avoir testé différentes méthodes non concluantes, nous avons développé notre propre technique basée sur la photolithographie par projection. En modifiant les paramètres de focalisation et d'exposition, il a été possible d'obtenir des canaux en forme d'arcs brisés en une seule insolation. Grâce à cette méthode nommée " SU-8 3D", nous avons finalement réalisé des réseaux de microcanaux biocompatibles en SU-8 en vue d'analyses neuronales. Notre partenariat avec l'Institut de la Vision à Paris, nous a permis d'utiliser ce réseau de canaux afin d'orienter la croissance des neurites. La puce NeuroFET a été mise en boitier sur un circuit imprimé, isolée électriquement et recouverte d'un cône de culture permettant la culture neuronale à l'échelle de la puce individuelle. Les potentiels d'actions des neurones de rétine de rat n'étant pas assez important pour être mesuré à partir de l'électronique développée, nous avons utilisé des neurones d'escargots d'eau Lymnaea Stagnalis. Après trois jours de culture, nous avons appliqué aux cellules un cycle de différentes toxines permettant d'alterner le déclanchement de potentiels d'actions spontanés et l'état de repos. Ce cycle nous a permis d'observer une activité neuronale et ainsi de valider le bon fonctionnement du système.

Aujourd’hui, les applications de stockage de données utilisent principalement deux types de matériaux : les chalcogénures pour le stockage optique (e.g. Blu-Ray) et le silicium pour le stockage électronique (e.g. mémoires Flash). Malgré le fait qu’ils se soient avérés les plus efficaces pour des applications répandues, ces matériaux ont des limitations. Récemment, avec la montée en puissance du graphene, les allotropes du carbone ont été étudiés à la fois pour leurs propriétés intrinsèques et pour des applications ; ils ont des propriétés électroniques, thermiques et mécaniques très intéressantes qui peuvent rendre ces matériaux plus efficaces que les chalcogénures ou le silicium pour certaines applications. Dans cette thèse, nous étudions la faisabilité et le potentiel du carbone comme matériau pour le stockage de données.Nous nous concentrons d’abord sur le développement de stockage optique. Nous découvrons que les lasers continus et pulsés peuvent être utilisés pour induire des changements de phase réversibles dans des couches minces de carbone, confirmant la possibilité d’utiliser le carbone comme un matériau pour le stockage optique. De plus, nous découvrons plusieurs nouveaux phénomènes, que nous expliquons en utilisant des techniques de caractérisation avancées et de la modélisation par ordinateur de la propagation thermique dans le carbone.Ensuite, nous nous concentrons sur le stockage de données électronique en développant des mémoires à base de graphene qui peuvent être dans deux états de résistance bien séparés pour un grand nombre de cycles. Pour évaluer le potentiel de cette technologie, on caractérise le mécanisme de changement de résistance et on développe un modèle électromécanique qui permet de prédire les meilleures performances atteignables : ces mémoires ont le potentiel de commuter bien plus rapidement que les mémoires Flash tout en étant non-volatiles. / Today, data storage applications rely mainly on two types of materials: chalcogenides for optical storage (e.g. Blu-Ray) and silicon for electronic storage (e.g. Flash memory). While these materials have proven to be the most efficient for widespread applications, both have limitations. Recently, with the rise of graphene, carbon allotropes have been studied both for their intrinsic properties and for applications; graphene and other carbon allotropes have very interesting electronic, thermal and mechanical properties that can make these materials more efficient than either chalcogenides or silicon for certain applications. In this thesis, we study the feasibility and potential of the usage of carbon as a data storage material.Firstly, we focus on developing optical data storage. It is found that both continuous-wave and pulsed lasers can be used to induce reversible phase changes in carbon thin films, thus opening the way toward carbon-based data storage. Along the way, several phenomena are discovered, shown and explained by using advanced characterization techniques and thermal modelling.Secondly, we focus on electronic data storage by developing graphene-based memories that are found to switch reliably between two well-separated resistance states for a large number of cycles. To assess the potential of this new technology, we characterize the switching mechanism and develop an electro-mechanical model enabling to predict the best performances attainable: these memories would potentially be much faster than Flash memories while playing the same role (non-volatile storage).

Les travaux de la présente thèse porteront sur le raffinement du modèle du potentiel source-puits (SSP) proposé par Ernzerhof en 2006. Cette méthode permet de calculer la conductance qualitative de dispositifs électroniques moléculaires (MEDs). Dans la première partie de ce travail, le modèle SSP sera amélioré en y intégrant la description de l’interaction d’un champ électromagnétique fort avec le MED. Des expériences récentes ont démontré que des molécules pouvaient interagir fortement avec des plasmons de polaritons de surface (SPP). Ces interactions créent des états liés électron-SPP qui seront exploités pour contrôler la conductance de MEDs. Des formules analytiques expliqueront l’impact des paramètres physiques de ces circuits optoélectroniques sur la conductance de ceux-ci. Dans le même esprit, la seconde partie de cette thèse inclura les interactions électron-noyau au modèle SSP afin de décrire entre autres le courant décohérent d’un MED. Dans ce modèle les interactions noyau-électron seront décrites à partir de l’approximation harmonique et intégrées à l’hamiltonien de façon non-pertubative. Des formules analytiques seront dérivées afin de décrire la conductance de tels MEDs. Finalement, les conséquences du bris de la symétrie de la parité et du temps de la matrice hamiltonienne de la méthode SSP seront découvertes dans la densité spectrale et les fonctions d’ondes des MEDs. / The purpose of this thesis is to expand the scope of the source-sink potential (SSP) method originally proposed by Ernzerhof in 2006. The SSP model allows the computation of the qualitative conductance of molecular electronics devices (MEDs). In the first part of this work, the SSP model will be improved by including the description of interaction between the strong electromagnetic field and the MED. Recent experiments have shown that molecules could strongly interact with surface plasmon of polaritons (SPPs). These interactions will create so-called dressed states that can be used to control the conductance of MEDs. In the second part of this work, the SSP model will be augmented by including electron-nucleus interactions to describe the inelastic current. In this model, the electron-nuclueus interaction will be account for with the help of the harmonic approximation and incorporated into the hamiltonian non-pertubatively. Analytical formulas will be derived that will allow one to understand the impact of physical parameters on the conductance of MEDs. Lastly, the impact of the parity and time symmetry breaking of the SSP matrix hamiltonian will be studied and related to change in the spectral density and in the eigenfunctions of the MEDs.