Reproduction de : Thèse de doctorat : Mathématiques appliquées : Toulouse 3 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. à la fin des chapitres.

Le graphène, un feuillet élémentaire de graphite, est un matériau très étudié par la communauté scientifique car ses propriétés physiques sont nouvelles et uniques. Il apparaît comme un matériau très prometteur pour des applications technologiques. Nous présentons une étude des propriétés structurelles et électroniques du graphène épitaxial sur 6H-SiC(0001) au moyen d'un microscope STM/AFM combiné basé sur un diapason en quartz avec une pointe conductrice en Pt/Ir ou en fibre de carbone. Les pointes fabriquées par attaque électrochimique présentent un rayon d'apex de quelques nanomètres et ont été caractérisées par SEM, TEM et émission électronique par effet de champ. On s'est d'abord focalisé sur les propriétés d'un échantillon qui présente des terrasses partiellement recouvertes de graphène. Dans ce cas, l'image STM ne donne pas la topographie de la surface. Celle-ci est donnée par l'AFM en mode répulsif. Les différentes propriétés électroniques de chaque terrasse sont confirmées par des mesures spectroscopiques I=f(V). Puis, l'étude à haute résolution par FM-AFM sur une terrasse lisse a révélé la structure ondulée et périodique de la reconstruction 6√3x6√3R30° du SiC(0001) recouverte de graphène. Nous montrons que les maxima des nappes d'iso-densité locale d'états électroniques au niveau de Fermi observés dans l'image STM ne se superposent pas avec les zones associées aux maxima des nappes d'iso-densité d'états totaux (Topographie AFM). Ils apparaissent décalés de ~1 nm le long de la direction [11] de la quasi-maille 6x6 de la reconstruction 6√3x6√3R30°. Comme l'amplitude mesurée des ondulations de la surface augmente avec le gradient de force appliqué, on montre que la surface du graphène est déformée par la pointe AFM. Cette déformation qui modifie le couplage électronique entre le graphène et la couche tampon influence fortement le contraste des images STM/AFM. Les conséquences de cette déformation sur les images STM résolvant le réseau du graphène sont aussi discutées.

Une étude théorique que nous avons menée prédit qu'un SQUID-DC, ayant un facteur de qualité égal à 100 dans son régime d'effet tunnel macroscopique, permet une mesure quantique en un coup l'état de charge d'un qubit avec une erreur de l'ordre de 2%. Ce travail de thèse s'inscrit donc dans l'étude et le développement expérimental d'un système de mesure quantIque d'un SQUID. Nous avons étudié la dynamique d'échappement de l'état de tension nulle d'un SQUID-DC inductif en fonction du flux et de la température. Nous avons mis en évidence le régime d'effet tunnel macroscopique et d'activation thermique, dans le cadre de l'échappement d'une particule fictive métastable d'un potentiel bi-dimensionnel. Le temps de vie de l'état de tension nulle d'un SQUID dans son régime d'activation thermique a été mesuré dans la gamme des nano-secondes grâce à une technique d'impulsions en flux. L'utilisation d'impulsions micro-ondes a également permis de mesurer la fréquence plasma d'un SQUID par une technique d'activation résonante, et de mesurer un facteur de qualité de l'ordre de 100.

Dans les supraconducteurs de type II, le champ magnétique pénètre le matériau sous forme de vortex, tourbillon de courants supraconducteurs circulant autour d'un c¿ur normal. Dans les travaux de cette thèse, nous montrons comment le confinement d'un système à une échelle comparable à la longueur de cohérence ? nanométrique modifie sensiblement ses propriétés supraconductrices.Cette étude est menée dans des nanostructures de plomb déposé in-situ sur un substrat de silicium (111), puis mesurées par spectroscopie à effet tunnel, sous UHV, à 300 mK et sous champ magnétique.En confinement extrême (taille latérale D<

Le transistor à effet tunnel bande à bande (TFET) est une architecture PIN à grille capable d’obtenir une pente sous le seuil inférieure à 60mV/dec à température ambiante, ce qui représente un avantage par rapport au MOSFET dans le cas d’applications basse consommation. L’objectif de cette thèse est d’étudier et de caractériser des TFETs fabriqués au CEA-LETI (sur substrats SOI avec les procédés standards CMOS), afin de comprendre et d’optimiser ces dispositifs. La première génération de TFETs a été réalisée en architecture planaire (FDSOI) et fournit une étude sur l’impact de l’hétérojonction canal source, de l’épaisseur du canal et de la température de recuit sur les performances. La seconde génération a été réalisée en architecture nanofil SiGe planaire, dont l’impact de la géométrie a été étudié en détail. Les mesures ont permis de valider l’injection par effet tunnel bande à bande, et les performances observées ont été comparées à la littérature et aux MOSFET. Par ailleurs, des caractérisations avancées ont également mené à une meilleure compréhension des caractéristiques de sortie courant-tension. Finalement, des mesures basse température nous avons confirmé la présence de défauts proches des jonctions (à l’origine des limitations de pente sous le seuil) et ainsi proposé des voies d’optimisation pour s’en affranchir. / Band to band tunneling field effect transistor (TFET) is a PIN-gated architecture able to reach sub 60mV/dec subthreshold slopes at room temperature, which is an advantage over MOSFET in low power applications. The objective of this thesis is to study and characterize TFETs fabricated in CEA-LETI using MOSFET SOI technology. The first generation of devices is realized on planar FDSOI technology, and studies the impact of source/channel heterojunction, channel thickness and annealing temperature on device performances. The second generation is planar SiGe nanowire architecture, with research focusing on the impact of the wire geometry. Through measurements we were able to prove the band to band tunneling injection, while the reported performances were compared with literature and with MOSFET. Furthermore, advanced characterizations led to a better understanding of the output characteristics. Through low temperature measurements we confirmed existence of defects close to the junctions (which cause slope degradation), as well as on which process steps to improve in the future.

Dans cette thèse, l'étude de la dépostion des molécules de ferrocène sur un substrat de Cu(111) par des simulations de dynamique moléculaire par premiers principes, en particulier, la dynamique moléculaire utilisant l'approche de Born-Oppenheimer (BOMD: Born-Oppenheimer Molecular Dynamics) et celle utilisant la fonctionnelle de l'énergie libre (FEMD: Free Energy Molecular Dynamics), combinées avec les études expérimentales par microscopie à effet tunnel (STM) à basse température et à courant constant ont montré que ces molécules de ferrocène peuvent être physisorbées sur un substrat de cuivre sans donner lieu à une dissociation moléculaire. Ce qui constitue un système idéal pour étudier la dynamique des états d'interfaces et leur réactivité par rapport à la déposition d’atomes métalliques. En particulier, la déposition d'un atome de Cuivre au dessus d'une molécule de ferrocène équilibrée sur le substrat de cuivre, conduit à un transfert de charges de cet atomes vers le substrat de Cu(111). On montre aussi que ces états d'interfaces ont le comportement bidimensionnel d'un gas d'électrons libres. / First-principles simulations studies, in particular Born-Oppenheimer molecular dynamics (BOMD) and free energy molecular dynamics (FEMD), combined with low-temperature scanning tunneling microscopy (STM) and spectroscopy reveal a non dissociative physisorption of ferrocene molecules on a Cu(111) surface, giving rise to ordered molecular layers. At the interface, a 2D-like electronic band is found, which shows an identical dispersion as the Cu(111) Shockley surface-state band. Subsequent deposition of Cu atoms forms charged organometallic compounds that localize interface-state electrons.

La nanostructuration de surfaces par des réseaux supramoléculaires auto-assemblés de briques moléculaires a fait l'objet de nombreuses études au cours de ces dernières années, dans le but d’obtenir à terme des matériaux utilisables dans les nanotechnologies. Cependant, en plus du contrôle du positionnement des briques moléculaires sur la surface, le contrôle des propriétés de surface reste un enjeu important. Dans ce contexte, les réseaux nanoporeux sont intéressants car ils présentent des propriétés d'hôte et de sélectivité vis-à-vis de composés invités, de telles propriétés pouvant conduire à des surfaces fonctionnelles. Les travaux de cette thèse ont donc porté sur le développement de nouveaux réseaux nanoporeux organiques obtenus par auto-assemblage de tectons originaux sur un substrat de graphite afin de permettre la capture de nanoparticules magnétiques. Ce travail a donc consisté en la synthèse de briques moléculaires puis à l’étude de leur auto-assemblage par STM. Ces réseaux 2D ont ensuite permis de capturer des nanoparticules et d'obtenir leur organisation régulière à courte distance. Il a ainsi été démontré qu'en modifiant la morphologie des réseaux nanoporeux il est possible de moduler la distance entre les nanoparticules mais également leurs interactions avec le réseau auto-assemblé. Pour favoriser les interactions entre les nanoparticules et le réseau organique, une autre approche combinant non seulement le contrôle de l'organisation 2D mais également une fonctionnalisation hors du plan a été développée. Un nouveau réseau pseudo-3D composé de briques moléculaires, appelées tectons Janus, fonctionnalisées par des ligands, a ainsi été conçu et étudié par STM. / Surface nanostructuration by supramolecular self-assembly of organic building blocks is an area which is the subject of numerous studies for several years, in view of nanotechnology applications. However, besides the control of the building blocks organization on surface, the surface properties control still remains an important challenge. In this context, nanoporous networks are interesting because they exhibit host properties and selectivity toward guest compounds, such properties leading to functional surfaces. This thesis focus and deals with the development of new 2D or pseudo-3D nanoporous networks, obtained by the self-assembly of original organic building blocks on graphite HOPG (Highly Oriented Pyrolitic Graphite) substrate, to trap magnetic nanoparticles. Therefore, this work consisted in the synthesis of organic building blocks and the study of their self-assembly by STM. Afterwards, such 2D networks allowed the trapping of nanoparticles, leading to their regular organization on short distances. Thus, it was demonstrated that by modifying the morphology (lattice) of such nanoporous networks it is possible to modulate the distance between nanoparticles but also their interactions with the self-assembled network. To favor interactions between nanoparticles and the organic network, another approach combining not only the control of 2D organization but also an out of plane functionalization has been developed. Therefore, a new pseudo-3D network made up of building blocks, called Janus tectons, functionalized by alkyl-acid ligands, has been designed and studied by STM.

Nous avons étudié la synthèse, la structure et l'évolution sous gaz de nanoparticules (NPs) bimétalliques Au-Cu sur la surface (110) du rutile TiO2. Les NPs ont été obtenues par évaporation sous UHV. Pendant la croissance, la nature des sites de nucléation et l'évolution des densités et distributions de taille des NPs ont été suivies par microscopie à effet tunnel (STM), tandis que la structure et les relations d'épitaxies avec le substrat ont été suivies par diffraction de rayons X en incidence rasante (GIXD). Ces caractéristiques ont été mesurées sous oxygène, sous monoxyde de carbone ou sous mélange CO+O2 jusqu'à des pressions de 10-5 mbar.Nous montrons par STM que les défauts de la surface de type cluster de TiOx sont des sites de nucléation préférentiels pour les NPs. Par ailleurs, des NPs Au-Cu sont obtenues lors de l'évaporation séquentielle d'Au suivi de Cu. Les résultats de GIXD montrent que le Cu diffuse dans le volume des NPs d'Au initiales et forme une solution solide cfc. Les relations d'épitaxies entre les NPs alliées et le substrat indiquent que l'axe <110> des NPs est parallèle à l'axe [001] du substrat, mais que différentes orientations du plan interfacial sont possibles.En fonction de leur composition, la morphologie et à la structure des NPs sont modifiées sous faible pression d'oxygène. Tandis que les NPs de Cu pur disparaissent progressivement sous gaz, une faible proportion d'Au (de l'ordre de 5%) permet de les stabiliser. Cependant, les mesures de diffraction montrent que le Cu migre à la surface des NPs. Un recuit des NPs sous UHV permet de retrouver leur structure initiale. / We have studied the synthesis, the structure and the evolution in reactive environment of Au-Cu bimetallic nanoparticles (NPs) deposited under UHV on a (110) surface of rutile TiO2. During the growth, the type of the nucleation sites and the evolution of both density and size distribution of the NPs were followed with Scanning Tunneling Microscopy (STM), whereas the structure and the epitaxial relations with the substrate were determined using Grazing Incidence X-ray Diffraction (GIXD). These features were measured under oxygen, carbon monoxide and a mix of CO+O2 for pressures bellow 10-5 mbar.We show trough STM imaging that TiOx type of surface defects are a preferential nucleation site for NPs. Moreover GIXD results show that the Cu is able to diffuse inside the initial Au NPs to form a solid solution of fcc structure. The epitaxial relations between alloyed NPs and substrate indicate that the <110> axis of the NPs is parallel to the [001] axis of the substrate, but several orientations for the interfacial plan are possible.According to their composition, the structure and the morphology of the NPs can be modified in the presence of a low pressure of oxygen. Whereas Cu NPs progressively disappear in reactive environment, a small proportion of Au (around 5%) is enough to stabilize the morphology of the NPs. However, diffraction measurements show that in these conditions, the Cu segregates to the surface of the NP. A thermal annealing of the NPs under UHV allow to recover their initial structure.

Ce travail de thèse porte sur une étude systématique des mécanismes d'adsorption et d'interaction du chlore avec les surfaces des métaux Au(111), Ag(111) et Cu(111). Pour cette étude nous avons mis en oeuvre une méthode d'élaboration par réaction gaz/surface en conditions ultra-vide. Les systèmes élaborés ont été étudiés d'un point de vue structural par diffraction d'électrons lents et par microscopie à effet tunnel basse température (5K). Les propriétés électroniques on fait l'objet de mesures de spectroscopie locale par effet tunnel. La première partie de ce travail est dédiée aux modifications structurales induites par l'adsorption du chlore dans le régime sub monocouche et au régime de saturation, qui correspond à l'apparition des stades précurseurs de la formation des halogénures métalliques. A partir de nombreux résultats expérimentaux, nous avons réussi à décrire de façon détaillée les mécanismes d'interaction gaz/surfaces et à proposer des modèles de structures à l'échelle atomique jusqu'alors non résolues. Les modèles proposés ont été validés par des calculs DFT. La seconde partie de la thèse est consacrée aux propriétés électroniques originales de réseaux de puits quantiques formés par auto organisation du chlore à la surface (111) de l'or. Nous avons étudié les résonances quantiques qui se forment par confinement des états électroniques de surface dans des pores de quelques nanomètres de diamètre. Les états propres des puits quantiques ainsi constitués ont été caractérisés en fonction de la taille et de la forme des puits et une modélisation numérique des propriétés spectrales par une approche de type "particule dans une boîte" a complété l'étude expérimentale / This work is related to the systematic study of chlorine adsorption mechanism on the metal's surfaces Au(111), Ag(111) and Cu(111). We had used for this study the interaction of chlorine gas with metal surface in ultra-high vacuum conditions. Elaborated systems were characterized from the structural point of view by low-energy electron diffraction and low-temperature scanning tunneling microscopy (5 K). Local electronic properties were probed by scanning tunneling spectroscopy. The first part of the work is devoted to the surface's structural modifications induced by chlorine adsorption from sub-monolayer regime to saturation, which corresponds to the appearance of metal halide precursors. From numerous experimental results we were able to describe in details the mechanism of gas/surface interaction and to propose atomic structural models that remained unresolved up to now. The proposed models were validated by density functional theory calculations. The second part of the thesis is devoted to the study of original electronic properties of the superstructure of quantum wells formed by self-organization of chlorine atoms on (111) surface of gold. We had studied the quantum resonances that appeared due to the confinement of surface electronic states in the pores of few nanometers in diameter. The eigenstates were characterized as a function of the quantum well?s shape and size. This study was completed by numerical modeling of spectroscopic properties of nano-pores in the "particle-in-a-box" limit

Face à la masse croissante de données, le stockage d'informations est devenu un enjeu d'importance capitale. Dans le domaine de l'adressage magnétique de l'information, la découverte de complexes de coordination se comportant comme des aimants classiques a réellement suscité un vif intérêt. Ces aimants moléculaires (Single-Molecule ou Single-Chain Magnet) montrent des hystérésis magnétiques leur conférant un effet de mémoire, laissant entrevoir la possibilité d'adresser un bit d'information à une molécule. Ainsi, la conception et l'étude des propriétés physiques de nouveaux composés à base d'aimants moléculaires sont devenues le centre de nombreux travaux de recherche à travers le monde. La mise en forme de ces objets en vue d'applications futures dans des dispositifs technologiques est également un sujet en plein essor. Dans le contexte actuel, le travail présenté ici reprend ces deux aspects. Une première partie est dédiée à l'organisation unidimensionnelle d'aimants moléculaires dans des silices mésoporeuses de type MCM-41 et SBA-15. Le travail présenté montre clairement toutes les difficultés de conception et d'étude de tels matériaux hybrides magnétiques. Les premiers résultats obtenus indiquent que les molécules-aimants sont détruites lors de l'insertion dans la silice. Toutefois, la mise en place d'un protocole de synthèse et de caractérisation efficace de tels matériaux est très positive et laisse la voie ouverte à de nombreuses nouvelles recherches dans ce domaine. La deuxième partie concerne la synthèse de nouveaux aimants moléculaires et leur utilisation pour former des réseaux de coordination 1D et 2D. La stratégie employée a permis l'obtention de nouvelles molécules-aimants dont l'étude magnétique a révélé des phénomènes quantiques rares tels les interférences de phases ou l'"exchange-bias quantum tunnelling". Egalement sept réseaux unidimensionnels et deux composés bidimensionnels ont été synthétisés. L'étude détaillée des propriétés magnétiques de trois de ces réseaux unidimensionnels composés de molécules-aimants en interaction antiferromagnétique, a montré des comportements très intéressants. D'une part, pour la première fois la relaxation lente de l'aimantation a été mise en évidence dans des composés antiferromagnétiques. D'autre part, fait encore inédit, l'analyse de cette relaxation montre clairement la polydispersité en taille des chaînes. L'étude préliminaire des propriétés magnétiques des autres réseaux de molécules-aimants permet d'ores et déjà de montrer qu'ils possèdent des comportements atypiques.