L'électronique moléculaire est l'un des domaines les plus intrigants de la recherche moderne. Ce domaine pourrait produire un système de construction modulaire et évolutif pour des applications spintroniques à l'échelle nanométrique. Un exemple particulièrement prometteur est celui des aimants à une seule molécule, qui se sont déjà avérés être appropriés pour des la réalisation de spin valve et de qubit de spin. L'un des plus grands défis du domaine est l'intégration de ces objets de taille nanométrique dans des circuits complexes afin de permettre la détection et la manipulation d'états de spin moléculaires. Comme l'ont montré ces dernières années le groupe NanoSpin, les nanotubes de carbone (CNTs) peuvent servir de support pour les aimants à une seule molécule, en combinant les caractéristiques des deux constituants.Une pierre angulaire de ce projet de thèse a donc été le développement d'une technique de fabrication fiable pour des dispositifs de CNTs de haute qualité, contrôlables par de multiples électrodes de grille locales afin de permettre le contrôle local des systèmes hybrides moléculaires. Un procédé basé sur la fabrication conventionnelle à un substrat a été développé à partir de zéro, pour lequel l'optimisation de la conception des échantillons, les techniques de lithographie et de dépôt ainsi que les choix de matériaux ont dû être soigneusement incorporés afin de respecter les restrictions imposées par les conditions de croissance. Nous avons d'abord réussi à produire des échantillons CNT propres, permettant de mettre en évidence une configuration à double boite quantique, tout en ajustant des caractéristiques de type p à n. Les segments créés de cette manière peuvent être contrôlés de manière stable sur toute la longueur du dispositif et devraient donc constituer une base appropriée pour l'étude de la physique moléculaire.La matière topologique non triviale constitue une plate-forme séduisante pour étudier à la fois les principes fondamentaux et les applications possibles de la spintronique au calcul quantique. Les isolants cristallins topologiques, avec tellurure d'étain (SnTe) comme exemple principal, représentent un nouvel état au sein de ce zoo des matériaux topologiques 3D. Peu de temps après les premières réalisations expérimentales, des suggestions ont été faites sur la possibilité d’un type de supraconductivité non conventionnelle hébergé à l'interface entre la matière topologique et les supraconducteurs classiques. Les implications possibles de ces systèmes comprennent l'appariement de Cooper avec une quantité de mouvement finie dans la phase FFLO ou l’ordinateur quantique topologique, basé sur des excitations particulières, appelé quasi-particule Majorana.Ce projet de thèse visait à participer à l'enquête sur les signes de supraconductivité non conventionnelle dans SnTe. Les expériences de transport sur des couches pures dans les géométries de la barre de Hall et des dispositifs hybrides supraconducteurs, réalisés à la fois comme jonctions Josephson et SQUID, sont discutés. Un couplage étonnamment fort de SnTe au supraconducteur a été trouvé et dépendances de la supraconductivité sur les géométries des échantillons, la température et le champ magnétique ont été étudiées. La relation courant-phase a été analysée dans la limite d’effets cinétiques forts. Le couplage électrostatique et l'exposition à des micro-ondes ont été explorée, mais la physique prédominante dans de telles configurations s'est avéré être de type purement conventionnel, soulignant l’importance des améliorations sur le côté matériaux.Des mesures de champ magnétique dans le plan ont donné lieu à la signature d’un φ0-SQUID avec des transitions 0-π accordables, fournissant des preuves de possibles de transitions contrôlées de la supraconductivité triviale aux régimes de couplage non conventionnels dans SnTe. / Molecular electronics is one of the most intriguing fields of modern research, which could bring forth a modular and scalable building system for nanoscale spintronics applications. A particularly promising example are single-molecule magnets, which have already successfully shown to be suitable for spin valve or spin qubit operations. One of the biggest challenges of the field is the integration of these nanometer-sized objects in complex circuits in order to allow for detection and manipulation of moleculear spin states. As shown in recent years by the NanoSpin group, carbon nanotubes (CNTs) can serve as such type of carrier for the single-molecule magnets, combining features of both constituents.A corner stone of this thesis project was hence the development of a dependable fabrication technique for high-quality CNT devices, controllable by multiple local gate electrodes in order to enable local control of molecular hybrid systems. A process based on conventional one-chip fabrication was developed from scratch, for which optimization of sample design, lithography and deposition techniques as well as material choices had to be carefully incorporated, in order to accomodate the restrictions imposed by the CNT growth conditions on the prevention of leakage currents. We succeeded in producing clean CNT devices, which could support a double dot configuration, tunable from p- to n-type characteristics. The segments created in this way can be stabily controlled over the entire device length and should hence provide a suitable backbone to study molecular physics.Topological matter constitutes an enticing platform to investigate both fundamental principles as well as possible applications from spintronics to quantum computation. Topological crystalline insulators, with tin telluride ( SnTe ) as a prime example, represent a new state of matter within this zoo of 3D topological materials. Soon after first experimental realizations, suggestions were made about the possibility of an unconventional type of superconductivity hosted at the interface between topological matter and conventional superconductors. Possible implications of such systems include Cooper pairing with finite momentum, the FFLO phase, or topological quantum computing, based on peculiar excitations, called Majorana bound states.This thesis project aimed to participate in the investigation of signs of unconventional superconductivity in SnTe . Transport experiments on bare films in Hall bar geometries and superconducting hybrid devices, realized as both Josephson junctions and SQUIDs, are discussed. A surprisingly strong coupling of SnTe to Ta superconductor was found and dependencies of superconductivity on sample geometries, temperature and magnetic field were investigated. The current-phase relation was analyzed in the limit of strong kinetic effects. Electrostatic gating and rf exposure was explored, but predominant physics in such configurations turned out to be of purely conventional type, pointing out the importance of improvements on the material side.In-plane magnetic field measurements gave rise to the manifestation of ϕ0-SQUIDs with tunable 0−π-transitions, providing evidence for possible controlled transitions from trivial superconductivity to unconventional coupling regimes in SnTe.

Le sujet principal de cette thèse est l'étude de métallocènes déposés sur une surface de cuivre. Leurs adsorptions et propriétés électroniques sont expérimentalement étudiées par microscopie à effet tunnel (STM) et spectroscopie par effet tunnel (STS). Nos résultats ont été validés par des calculs se basant sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Plus précisément, nous avons étudié la façon dont le ferrocène FeC10H10 et le nickelocène NiC10H10s'adsorbent sur le cuivre. Nous avons découvert que ces métallocènes forment spontanément des réseaux alternant molécules horizontales et verticales. Nous avons ensuite modifié la structure du ferrocène par l'ajout d'un atome de cobalt et caractérisé les propriétés magnétiques de la nouvelle molécule ainsi créée, notamment l'apparition d'un effet Kondo témoignant de l'apparition de propriétés magnétiques au sein de la molécule. L'étude spectroscopique du nickelocène a révélé une excitation de la molécule à basse énergie.Cette excitation se traduit par une réorientation du moment de spin de la molécule, passant d'une orientation perpendiculaire à l'axe principal de la molécule à une orientation parallèle à cet axe.Nous avons finalement transféré un nickelocène sur la pointe STM et utilisé cette pointe moléculaire pour sonder les états d'une seconde molécule. Nous avons alors obtenu une double excitation de spin dans notre jonction tunnel, avec une augmentation significative de la conductance due aux excitations. / The main subject of this PhD thesis is the study of metallocenes deposited on copper surfaces. Their adsorptions and electronic properties are experimentally studied by scanning tunnelling microscopy(STM) and scanning tunnelling spectroscopy (STS). Our results were confirmed by density functional theory (DFT) computations. More precisely, we studied how ferrocene FeC10H10 and nickelocene NiC10H10 are adsorbed on copper. We found that these metallocenes spontaneously create networks alternating horizontal and vertical molecules. We added a cobalt atom to the ferrocene in order to modify its structure and we characterized the magnetic properties of the new molecule we created, in particular the appearance of a Kondo effect showing that magnetic properties appeared in the molecule. The spectroscopic study of nickelocene revealed an excitation of the molecule at low bias. This excitation consist in a change in the spin orientation of the molecule, going from an orientation perpendicular to the main molecule axis to an orientation parallel to this axis. We finally transferred a nickelocene to the STM tip and used this molecular tip to probe the states of a second molecule. We consequently obtained a double spin excitation in our tunnel junction, with a significant increase of the conductance due to excitations.

L’objectif globale de cette thèse est l’étude de la croissance de plots de siliciure de cobalt (CoSi2) individuels combinés à une surface semi-isolante de silicium hydrogénée (Si(100):H) afin de créer un environnement propice à l’interconnexion de molécules fonctionnalisées, prémisse des circuits moléculaires. Cette étude, liée au contexte de l’électronique moléculaire ascendante, est réalisée à l’aide d’un microscope à effet tunnel (STM) à basse température (9 K) sous ultra-vide. Ce travail de thèse débute par l’étude de l’adsorption d’atomes de Co, à basse température (12 K) sur la surface de Si(100)-2x1. Nos investigations nous ont permis d’observer, pour la première fois, des sites d’adsorption à la surface et des sites interstitiels métastables en surface et subsurface. Grâce aux excitations électroniques induites par les électrons tunnels, certains sites d’adsorption ont pu être manipulés sur la surface de Si(100). Cette étude préliminaire est suivie par la croissance de plots de siliciure de cobalt individuels sur le Si(100) dont les propriétés électroniques ont été étudiées à basse température (9 K). Ceci nous a permis d’identifier deux géométries de plot de CoSi2 de tailles nanométriques dont le caractère métallique est démontré et ayant de faibles barrières de Schottky à l’interface métal/semi-conducteur. Dans un second temps, nous avons examiné les propriétés de molécules de Co-TPP individuelles et de leurs interactions avec les surfaces de Si(100) et de Si(100) hydrogénées. Les topographies STM révèlent différentes conformations d’adsorption ayant des propriétés physico-chimiques particulières telles qu’une fonction bistable intramoléculaire, ainsi que des propriétés électroniques surprenantes permettant de sonder la physisorption totale ou partielle de l’adsorbat. Un troisième volet de cette thèse adresse la possibilité d’exploiter les propriétés intrinsèques de la surface de Si(100):H afin de créer des ponts moléculaires grâce au couplage successif de liaisons pendantes créées sur la surface du Si(100):H. Les mesures de spectroscopie tunnel effectuées sur ces structures exhibent des états inoccupés caractéristiques du couplage orbitalaire entre les liaisons pendantes dont l’énergie est fonction de l’orientation de la ligne déshydrogénée sur la surface. Finalement, après avoir vérifié que le processus d’hydrogénation ne perturbe pas le caractère métallique des plots de CoSi2, nous avons pu exploiter nos connaissances acquises lors des chapitres précédents. Ceci nous a permis d’étudier, pour la première fois, le contact entre molécules de Co-TPP et plots métalliques. Grâce aux techniques de manipulation latérale, les molécules de Co-TPP ont pu être déplacées et contactées aux plots métalliques. La spectroscopie tunnel effectuée sur différentes molécules montre, d’une part, qu’en fonction de leur orientation par rapport à l’îlot de CoSi2, la structure électronique de chaque molécule est modifiée de manière spécifique. D’autre part, nous avons observé que la position de la mesure des spectres tunnels influe sur le gap de la molécule associé, révélant probablement une signature du transport électronique entre la molécule et le plot métallique. L’ensemble de ces résultats ouvre de nouvelles perspectives extrêmement riches et prometteuses pour la réalisation de circuits moléculaires planaires comme prototype d’études fondamentales. / For the fabrication of molecular circuitsThe overall objective of this thesis is to study the growth of individual cobalt silicide (CoSi2) dots combined with a semi-insulating hydrogenated silicon surface (Si(100):H) to create a controlled and suitable environment for the interconnection of functionalized molecules, the premises to molecular circuits. This study, related to the context of the bottom-up molecular electronics, is performed using a scanning tunneling microscope (STM) at low temperature (9 K) under ultrahigh vacuum. This thesis begins with the study of the adsorption of Co atoms on the surface of Si (100)-2x1 kept at low temperature (12 K). Our investigations have led us to observe, for the first time, adsorption sites that are either stable or metastable interstitial sites on the surface and/or subsurface. With electronically induced excitations, some of the Co adsorption sites have been modified or manipulated on the Si(100) surface. This preliminary study is followed by the growth of individual cobalt silicide dots on the Si(100) while their properties are investigated at low temperature (9 K). This allowed us to identify two different types of silicide dots of nanometric sizes whose metallic character is demonstrated while low Schottky barriers at the metal/semiconductor interface are identified. In a second step, we examined the properties of individual Co-TPP molecules and their interactions with the Si(100) and hydrogenated Si(100) surfaces. The STM topographies reveal various conformations with specific properties such as an intra-molecular bistable function, as well as surprising electronic properties that allow probing the physisorbed parts of the adsorbate. A third part of this thesis addresses the possibility of exploiting the intrinsic properties of the Si(100):H surface to create molecular bridges through successive coupling of dangling bonds created at the surface of Si(100):H. Tunnel spectroscopy measurements carried out on these structures exhibit unoccupied states orbitals, signature of the coupling between dangling bonds, whose energy depends on the orientation of the dangling bond lines across the hydrogenated surface. Finally, after checking that the hydrogenation process of the Si(100) surface does not disturb the metallic character of the CoSi2 dots, we used our knowledge gained in previous chapters. This allowed us to study, for the first time, the contact between molecules of Co-TPP and metal dots. With lateral manipulation techniques, the Co-TPP molecules have been displaced and contacted to metallic pads. The tunneling spectroscopy performed on different molecules shows, firstly, that depending on their orientation relative to the CoSi2 dot, the electronic structure of each molecule is modified in a specific manner. On the other hand, we observed that the conductance spectrum influences the gap of the associated molecule, indicating a signature of electron transport between the molecule and the metal pad. Taken together, these results open new extremely rich and promising perspectives for the realization of planar molecular circuit as a prototype for fundamental studies.

Les spectroscopies de photoémission, d'absorption X –assistées par des calculs DFT d'états de coeur excités – et la microscopie tunnel, ont permis de déterminer avec précision les géométries d'adsorption, sur la surface Si(001)-2×1, de quatre molécules possédant un groupe cyano, monofonctionnelle - comme l'acétonitrile - ou polyfonctionnelles - comme le benzonitrile, l'acrylonitrile et le cyanure de vinyle. La chimie organique fournit le cadre général des réactions possibles à la surface. Ce sont des considérations d'ordre cinétique qui sélectionnent les modes d'adsorption des molécules organiques. Un réglage fin des conditions expérimentales permettrait donc d'obtenir les modes d'adsorption désirés en vue d'application dans le domaine de l'électronique moléculaire.

Transport électronique dans l'ADN Ce travail se situe dans le cadre des recherches en électronique moléculaire. La problématique de la conduction électrique dans l'ADN a été posée en 1962 par Eley et Spivey peu de temps après la découverte de la structure en double hélice de l'ADN par Watson et Crick en 1953. A l'heure actuelle, il n'y a pas de consensus sur les propriétés de conduction à travers l'ADN. Le transfert de charges sur des distances de quelques nanomètres a été étudié en solution et est assez bien compris. En revanche, les mesures directes sur des électrodes donnent des comportements allant de la supraconductivité induite à l'isolant, en passant par semi-conducteur. Notre travail a été motivé par cette controverse. Nous avons étudié les propriétés électroniques de l'ADN déposé sur différentes couches moléculaires auto-assemblées sur des substrats de silicium. La préparation des surfaces et le dépôt d'ADN constituent la première partie de notre étude. La conductivité de l'ADN a ensuite été mesurée entre des électrodes fabriquées sur un support isolant ou par le biais d'un AFM conducteur. Dans ce dernier cas, la pointe de l'AFM permet tout à la fois d'imager la surface et de servir de seconde électrode pendant la mesure électrique. Deux types de résultats ont été obtenus : les comportements vont de l'isolant au conducteur, les résistances s'étalent sur au moins 6 ordres de grandeur, de 109 W à 1015 W, avec toutefois une plus faible fréquence de mesure des conductivités élevées. Deux points permettent d'expliquer cette grande disparité : d'une part, l'obtention d'un contact électrique entre l'électrode et l'ADN et, d'autre part, la méthode de dépôt de l'ADN sur la surface. La formation d'un contact électrique entre l'électrode et l'ADN nécessite des traitements en général destructifs pour la molécule. Ce contact peut être amélioré en utilisant un paquet de molécules d'ADN comme intermédiaire entre l'électrode évaporée et la corde d'ADN que l'on étudie. Cependant, cette méthode ajoute une résistance série importante. Des mesures systématiques ont été réalisées en fonction de la distance de la pointe AFM au paquet d'ADN et du nombre estimé de brins d'ADN dans la corde. Le dépôt de l'ADN étant un facteur primordial, nous concentrons nos efforts sur ce point pour comprendre plus avant le lien entre la structure de l'ADN et ses propriétés de conduction. Mots-clés : Electronique moléculaire, nanobiotechnologie, ADN, dépôt d'ADN, Microscopie à Force Atomique, AFM conducteur, monocouche auto-assemblée