Cette thèse présente une étude du transport électronique à basse température dans des transistors à effet de champ nanométriques en silicium sur isolant. Leur comportement électrique dépend notamment de la constitution des jonctions entre les réservoirs et le canal, qui est déterminée lors de la fabrication par l'utilisation d'espaceurs de part et d'autre de la grille. Cette différence de comportement est exacerbée à basse température. Dans des transistors très courts, de longueur de grille typique égale à 30 nm, compte tenu de la diffusion des dopants lors du recuit d'activation, il est possible d'obtenir sous la grille un unique donneur bien couplé aux deux réservoirs. Sa présence est révélée par de l'effet tunnel résonant à travers les niveaux d'énergie associés à ses orbitales, observé à basse température à des tensions de grille inférieures au seuil du transistor. L'estimation de l'énergie d'ionisation de ce donneur donne une valeur supérieure à la valeur attendue pour un donneur dans du silicium massif, ce qui est attribué à l'effet du confinement diélectrique du donneur. À l'inverse, il est possible de définir des résistances d'accès au canal suffisantes pour y confiner les électrons. Un transistor se comporte alors comme un transistor mono-électronique à basse température, dont l'îlot est situé sous la grille. Ce moyen de créer un transistor mono-électronique est étendu à des systèmes d'îlots couplés, en déposant plusieurs grilles entre la source et le drain. Plusieurs comportements sont obtenus selon l'écart entre les grilles et la longueur des espaceurs. Ces systèmes sont utilisés pour réaliser le transfert d'un électron unique.

Ce travail expérimental et théorique porte sur l'injection tunnel de photoélectrons à partir de GaAs vers des surfaces métalliques et de spin vers des surfaces magnétiques. On y présente la première mise en évidence de la dépendance en spin du courant tunnel vers une surface magnétique. Ce travail comporte deux parties distinctes : 1ere partie : Cette partie est consacrée à l'étude de l'injection de charge et de spin de photoélectrons à partir de microleviers de GaAs (sans pointe) sous pompage optique, vers des surfaces nonmagnétiques d'or et magnétiques de cobalt. La dépendance du courant injecté vers une surface d'or en fonction de la tension appliquée sur le levier et de la distance levier/surface métallique est en accord avec les prédictions d'un modèle original. A l'aide d'une cellule de Pockels, le même montage est utilisé pour moduler la polarisation de spin des électrons tunnel et pour étudier la dépendance en spin du courant tunnel dans des couches de cobalt. Ce travail conduit à la première mise en évidence de la dépendance en spin de l'effet tunnel de photoélectrons vers une couche magnétique. Le retournement de la polarisation de spin des électrons tunnel par rapport à l'aimantation de la couche magnétique induit une variation de 6% du courant tunnel, alors que la valeur maximale observée pour une couche non magnétique est de l'ordre de 0.1%. On observe une diminution de ce signal en fonction de la tension appliquée qui est attribuée à la diminution de la vitesse de recombinaison de surface. Les résultats sont en accord quantitatif avec les prédictions théoriques. 2e partie : Cette partie regroupe deux études distinctes du transport de charge et de spin faisant appel à l'imagerie de luminescence polarisée pour caractériser les propriétés de spin. Cette technique nouvelle d'imagerie a été mise au point dans le cadre de ce travail. La première étude analyse les propriétés de spin de pointes de GaAs qui pourraient être utilisées ultérieurement pour l'imagerie du nanomagnétisme, dans le but de prédire le taux de polarisation de spin des électrons injectés. En utilisant des mesures sur des couches planaires équivalentes et en modélisant la diffusion de charge et de spin dans la pointe, on montre que l'on peut s'attendre à obtenir des polarisations de spin atteignant 40%. Par ailleurs, la microscopie de luminescence polarisée permet d'étudier le transport de charge et de spin dans des couches minces de GaAs, respectivement oxydées et passivées. On montre que la recombinaison de surface joue un rôle crucial pour la diffusion de charge et de spin, car la diminution de la vitesse de recombinaison de surface de 107 cm/s à 103 cm/s induite par la passivation fait passer les longueurs de diffusion de charge et de spin de 21 micron et 1.3 micron respectivement à 1.2 micron and 0.8 micron.

Nous avons étudié la croissance et les caractéristiques de boîtes quantiques InAs(P)/InP(001) fabriquées par épitaxie en phase vapeur aux organo-métalliques, avec pour objectif la réalisation d'une source de photons uniques à 1.55 µm. D'une part, l'étude des boîtes quantiques clivées par microscopie et spectroscopie à effet tunnel, sous ultra-vide à T=4K, montrent que ces nanostructures présentent jusqu'à 12 niveaux électroniques discrets. En raison de la grande hauteur des boîtes quantiques, certains niveaux présentent un nœud dans la direction de croissance. Des simulations par éléments finis montrent la pertinence d'un potentiel parabolique pour décrire le confinement latéral des boîtes quantiques. Les effets de courbures de bandes sont détaillés, mettant en évidence la contribution des niveaux de trous au courant tunnel. D'autre part, les propriétés structurales des boîtes quantiques auto-assemblées, étudiées en microscopie électronique en transmission, sont corrélées aux conditions de croissance. L'impact des précurseurs d'éléments V sur la densité de boîtes quantiques et les échanges entre les boîtes quantiques et la couche de mouillage, sont analysés. La croissance sélective de boîtes localisées dans des nano-ouvertures de diamètre inférieur à 100 nm a également été mise en œuvre afin d'obtenir un couplage spatial déterministe entre une boîte quantique et une microcavité optique. Nous montrons que la formation de boîtes quantiques par croissance sélective n'est pas régie par le mode de croissance Stranski-Krastanov, ce qui permet d'envisager de nouvelles possibilités quant au contrôle de la hauteur, de la taille latérale et de la composition des boîtes quantiques.

L'interface entre le silicium amorphe (a-Si:H) et le silicium cristallin (c-Si) est un constituent clés de cellules solaires à haut rendement reposant sur des procédés à basse température. Trois propriétés de l'interface déterminent le rendement des cellules solaires à hétérojonction de silicium: les décalages de bandes entre a-Si:H et c-Si, les défauts d'interface et la courbure de bande dans c-Si. Ces trois aspects sont traités dans ces travaux de thèse.Dans un premier un temps, un calcul analytique de la courbure de bande dans c-Si est développé. Il repose sur l'approximation d'une densité d'état (DE) constante dans la bande interdite de a-Si:H. L'influence des principaux paramètres de la structure sur la courbure de bande est étudiée : décalage de bande, densité d'état dans a-Si:H, défaut d'interface, etc. La présence d'un effet de confinement quantique est discutée. Grâce à une comparaison entre ces calculs et des mesures de conductance planaire en fonction de la température sur des structures (p)a-Si:H/(n)c-Si et (n)a-Si:H/(p)c-Si, les décalages de bande de valence et de conduction ont pu être estimés à 0.36 eV et 0.15 eV respectivement. En outre, il est montré que le décalage de la bande de valence est indépendant de la température, alors que le décalage de la bande de conduction suit les évolutions des bandes interdites de c-Si et a-Si:H. Ces mesures tendent à prouver que le 'branch point' dans a-Si:H est indépendant du dopage.Ensuite, les calculs analytiques sont approfondis pour prendre en compte différents aspects de la structure complète incorporée dans les cellules : contact avec un oxyde transparent conducteur, présence d'une couche de a-Si:H non-dopée à l'interface. A l'aide de simulations numériques et à la lumière de mesures de conductance planaire conjuguées à des mesures de la qualité de passivation de l'interface, des pistes pour optimiser les cellules à hétérojonction sont commentées. En particulier, il est montré qu'un optimum doit être trouvé entre une bonne passivation et une courbure de bande suffisante. Ceci peut être accompli par un réglage fin des propriétés de la couche tampon (épaisseur, dopage), du contact (travail de sortie élevé) et de l'émetteur (p)a-Si:H (densité de défauts et épaisseur). En particulier, un émetteur avec une DE importante conduit paradoxalement à de meilleures performances.Enfin, un nouveau type d'interface a été développé. La surface de c-Si a été oxydée volontairement dans de l'eau pure dé-ionisée à 80 °C avant le dépôt de (p)a-Si:H afin d'obtenir une structure (p)a-Si:H/SiO2/(n)c-Si. A l'aide d'un modèle de courant par effet tunnel implémenté dans le logiciel de simulation numérique AFORS-HET, l'effet d'une couche à grande bande interdite (comme c'est le cas pour SiO2) sur les performances de cellules est étudié : le facteur de forme et le courant de court-circuit sont extrêmement réduits. En revanche, une couche de SiO2 n'a que peu d'impact sur les propriétés optiques de la structure. Expérimentalement, les échantillons réalisés montrent une qualité de passivation à mi-chemin entre le cas sans couche tampon et le cas avec (i)a-Si:H : ceci est expliqué par la présence d'une charge fixe négative dans l'oxyde. La courbure de bande dans c-Si est moins affectée par la présence d'une couche d'oxyde que d'une couche de (i)a-Si:H. Les cellules solaires réalisées démontrent que le concept a le potentiel d'aboutir à de hauts rendements : sur des structures non-optimisées, une tension de court-circuit supérieure à 650 mV a été démontrée, alors que l'oxyde ne semble pas limiter le transport de charge.

Ce mémoire d'Habilitation à Diriger des Recherches présente de<br /> façon<br />synthétique mon activité professionnelle s'étalant sur une période qui<br />couvre mon activité de recherche au Laboratoire de Mathématiques et de<br />Physique Théorique depuis le printemps \oldstyle{1997} en tant que ma\^{\i}tre de conférences<br />de l'université François Rabelais de Tours.<br /><br />Après une fiche signalétique qui décrit surtout mon activité<br />d'enseignement, d'administration et d'animation au sein du département<br />de physique et du laboratoire, ce mémoire s'articule autour de deux<br />axes qui en constituent les deux chapitres et s'accompagne d'une<br />bibliographie détaillée.<br /><br />Le premier, intitulé << Effet tunnel chaotique >> est consacré à <br />l'étude de processus quantiques interdits à la physique classique<br />réelle. Pourtant, paradoxalement, le caractère intégrable ou chaotique<br />de la dynamique hamiltonienne influence considérablement l'effet<br />tunnel, sur plusieurs ordres de grandeurs. Après un rappel du contexte<br />historique dans lequel s'inscrit l'effet tunnel en général et l'effet<br />tunnel chaotique en particulier, je reproduis cinq de mes articles<br />publiés sur ce sujet et les accompagne tous d'une présentation en<br />soulignant leurs contributions originales. Il s'agit d'un travail<br />théorique qui s'appuie souvent sur des expériences numériques et qui,<br />pour trois articles, est explicitement<br /> relié à des expériences sur des atomes<br />froids. Ce chapitre se clôt sur un programme de recherche étayé par<br />des arguments précis.<br /><br /><br />Le second chapitre intitulé << Méthode différentielle >><br />porte sur un<br />thème et des motivations complètement distincts du précédent. Il s'agit<br />ici, de mettre en {\oe}uvre une stratégie qui vise à donner un encadrement<br />de l'énergie fondamentale d'un système en s'appuyant sur une man{\oe}uvre<br />radicalement différente des méthodes éprouvées comme l'approche<br />perturbative ou l'approche variationnelle. Je reproduis les trois<br />articles que j'ai publiés sur ce sujet, proche de la physique<br />mathématique et, comme dans le chapitre précédent, ils sont<br />accompagnés d'une présentation ainsi que d'un tableau des<br />perspectives qu'ils suscitent.

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.

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.

Les fluctuations de point zéro de la charge sur la capacité d'une jonction tunnel connectée à un circuit de polarisation sont, dans quasiment toutes les situations expérimentales, supérieures à la charge de l'électron. De ce fait, les effets de la granularité de l'électricité sont masqués, sauf dans les circuits qui contiennent une «île», électrode connectée au reste du circuit seulement par des jonctions tunnel et des capacités. La charge de l'île étant quantifiée, ses fluctuations sont bloquées. Si la capacité de l'île est suffisamment petite et la température suffisamment basse, aucun électron ne peut pénétrer sur l'île par effet tunnel à cause de l'accroissement d'énergie électrostatique que cela entraînerait. Nous avons observé cet effet, appelé «blocage de Coulomb», dans la «boîte à électrons», où une île est délimitée par une jonction tunnel et une capacité. Une source de tension couplée à l'île à travers la capacité permet d'y contrôler le nombre d'électrons. Nous avons conçu et fait fonctionner deux dispositifs à jonctions tunnel nanométriques basés sur ce principe, le «tourniquet» et la «pompe», à travers lesquels le courant est contrôlé électron par électron. Dans nos expériences, la précision du transfert est de l'ordre du pourcent. Elle devrait être un million de fois plus grande dans des versions de ces dispositifs comportant plus de jonctions. On pourrait alors les utiliser pour une nouvelle mesure de la constante de structure fine alpha.

Thèse doctorat : Électronique : Lille 1 : 2003. / N° d'ordre (Lille 1) : 3405. Résumé en français et en anglais. Bibliogr. à la suite de chaque chapitre.

Cette thèse porte sur l'étude théorique de nouveaux concepts de transistors en graphène par le formalisme des fonctions de Green dans l'hypothèse du transport balistique. Le graphène est un matériau bidimensionnel composé d'atomes de carbone organisés en nid d'abeille. Cette structure confère des propriétés uniques aux porteurs de charge dans le graphène, comme une masse effective nulle et un comportement ultra-relativiste (fermions de Dirac), ce qui conduit à des mobilités extraordinairement élevées. C'est pourquoi des efforts très importants ont été mis en œuvre dans la communauté scientifique pour la réalisation de transistors en graphène. Cependant, en vue de nombreuses applications, le graphène souffre de l'absence d'une bande d'énergie interdite. De plus, dans le cas des transistors conventionnels à base de graphène (GFET), cette absence de bande interdite, combinée avec l'apparition de l'effet tunnel de Klein, a pour effet de dégrader considérablement le rapport I_ON/I_OFF des GFET. L'absence de gap empêche également toute saturation du courant dans la branche N - là où se trouve le maximum de transconductance pour des sources et drain dopés N - et ne permet donc pas de tirer profit des très bonnes performances fréquentielles que le graphène est susceptible d'offrir grâce aux très hautes mobilités de ses porteurs. Cependant, de précédents travaux théorique et expérimentaux ont montré que la réalisation d'un super-réseau d'anti-dots dans la feuille de graphène - appelée Graphene NanoMesh (GNM) - permettait d'ouvrir une bande interdite dans le graphène. On s'est donc d'abord proposé d'étudier l'apport de l'introduction de ce type de structure pour former canal des transistors - appelés GNMFET - par rapport aux GFET " conventionnels ". La comparaison des résultats obtenus pour un GNM-FET avec un GFET de mêmes dimensions permettent d'affirmer que l'on peut améliorer le rapport I_ON/I_OFF de 3 ordres de grandeurs pour une taille et une périodicité adéquate des trous. Bien que l'introduction d'un réseau de trous réduise légèrement la fréquence de coupure intrinsèque f_T, il est remarquable de constater que la bonne saturation du courant dans la branche N, qui résulte de la présence de la bande interdite dans le GNM, conduit à une fréquence maximale d'oscillation f_max bien supérieure dans le GNM-FET. Le gain en tension dans ce dernier est aussi amélioré d'un ordre de grandeur de grandeur par rapport au GFET conventionnel. Bien que les résultats sur le GNM-FET soient très encourageants, l'introduction d'une bande interdite dans la feuille de graphène induit inévitablement une masse effective non nulle pour les porteurs, et donc une vitesse de groupe plus faible que dans le graphène intrinsèque. C'est pourquoi, en complément de ce travail, nous avons exploré la possibilité de moduler le courant dans un GFET sans ouvrir de bande interdite dans le graphène. La solution que nous avons proposée consiste à utiliser une grille triangulaire à la place d'une grille rectangulaire. Cette solution exploite les propriétés du type "optique géométrique" des fermions de Dirac dans le graphène, qui sont inhérentes à leur nature " Chirale ", pour moduler l'effet tunnel de Klein dans le transistor et bloquer plus efficacement le passage des porteurs dans la branche P quand le dopage des sources et drains sont de type N. C'est pourquoi nous avons choisi d'appeler ce transistor le " Klein Tunneling FET " (KTFET). Nous avons pu montrer que cette géométrie permettrait d'obtenir un courant I_off plus faible que ce qui est obtenu d'habitude, pour la même surface de grille, pour les GFET conventionnels. Cela offre la perspective d'une nouvelle approche de conception de dispositifs permettant d'exploiter pleinement le caractère de fermions de Dirac des porteurs de charges dans le graphène.