Les propriétés électroniques et d'autoassemblage de deux composés organiques, le DHTAP et le bis-pyrène, ont été étudiées par microscopie à effet tunnel (STM), sous ultra-vide et à basse température. Les propriétés optiques ont été étudiées par spectroscopie en cavité résonnante (CRD), également sous ultravide.La croissance du DHTAP a été étudiée sur différents métaux nobles. La croissance du bis-pyrène a été étudiée sur Au(111). Dans chaque cas, les conditions de température idéales pour la formation d’une première couche organisée ont été déterminées. Différents modèles sont proposés pour les structures observées en première couche. La formation de la seconde couche moléculaire à également été étudiée.L'évolution des propriétés optiques, étudié par CRD, du bis-pyrène déposé sur du verre borosilicate combinée aux informations obtenues par STM ont permit d’associer ces modifications aux interactions des moments dipolaires de transition des molécules de la première et de la seconde couche et on également permit de déterminer le mode de croissance.Finalement, la possibilité d’induire des modifications chimique de la molécule de DHTAP, intégrée dans une couche auto-assemblée, en utilisant le courant tunnel du STM a été observé. Il s’avère que la molécule de DHTAP intégrée en première couche peut subir une double déshydrogénation pour conduire à la formation d’un composé identifié comme étant le 5,7,12,14-tetraazapentacene (TAP). En seconde couche, la formation de deux radicaux, en plus du TAP, a été observé. La molécule de TAP présente un certain intérêt du fait qu’elle n’est pas synthétisable pas les méthodes conventionnelle de chimie organique. / Electronic and self-assembling properties of two organic compound, the DHTAP and the bis-pyrene, have been studied by the means of low temperature scanning tunnelling microscopy (STM) under ultrahigh vacuum conditions. Optical properties have been studied by cavity ring-down (CRD) spectroscopy, also under ultrahigh vacuum conditions.The growth of DHTAP has been studied on different metallic substrate. The growth of bis-pyrene has been studied on Au(111). In each case, the optimal temperature conditions for the formation of a well-ordered first monolayer have been determined. The formation of second monolayers has also been studied. The evolution of the optical properties, studied by CRD, of bis-pyrene deposited on borosilicate glass combined with information obtained from STM allow us to identify these modifications as interactions between transition dipole moments of molecules in the first and in the second layer, and also determine the growth mode.Finally, the possibility to induce chemical modification of DHTAP molecules embedded in an ordered monolayer using the tunnelling current of the STM has been studied. It appears that the molecule embedded in the first ML can be doubly dehydrogenated which leads to the formation of a compound identified as 5,7,12,14-tetraazapentacene (TAP). In the second layer, the formation of two radicals in addition to the TAP has been observed. The TAP molecule is interesting because of that it cannot be synthesized using common organic chemical methods.

The direct epitaxial growth of multilayer BN by atomic layer deposition is of critical significance forfo two-dimensional device applications. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and low energy electron diffraction (LEED) demonstrate layer-by-layer BN epitaxy on two different substrates. One substrate was a monolayer of RuO2(110) formed on a Ru(0001) substrate, the other was an atomically clean Ni(111) single crystal. Growth was accomplished atomic layer deposition (ALD) cycles of BCl3/NH3 at 600 K substrate temperature and subsequent annealing in ultrahigh vacuum (UHV). This yielded stoichiometric BN layers, and an average BN film thickness linearly proportional to the number of BCl3/NH3 cycles. The BN(0001)/RuO2(110) interface had negligible charge transfer or band bending as indicated by XPS and LEED data indicate a 30° rotation between the coincident BN and oxide lattices. The atomic layer epitaxy of BN on an oxide surface suggests new routes to the direct growth and integration of graphene and BN with industrially important substrates, including Si(100). XPS and LEED indicated epitaxial deposition of h-BN(0001) on the Ni(111) single crystal by ALD, and subsequent epitaxially aligned graphene was deposited by chemical vapor deposition (CVD) of ethylene at 1000 K. Direct multilayer, in situ growth of h-BN on magnetic substrates such as Ni is important for spintronic device applications. Solid-state electrolytes (SSEs) are of significant interest for their promise as lithium-ion conducting materials but are prone to degradation due to lithium carbonate formation on the surface upon exposure to atmosphere, adversely impacting Li ion conduction. In situ XPS monitored changes in the composition of the SSE Li garnet (Li6.5La3Zr1.5Ta0.5O12, LLZTaO) upon annealing in UHV and upon Ar+ ion sputtering. Trends in core level spectra demonstrate that binding energy (BE) calibration of the Li 1s at 56.4 eV, yields a more consistent interpretation of results than the more commonly used standard of the adventitious C 1s at 284.8 eV. Annealing one ambient-exposed sample to >1000 K in UHV effectively reduced surface carbonate and oxygen, leaving significant amounts of carbon in lower oxidation states. A second ambient-exposed sample was subjected to 3 keV Ar+ ion sputtering at 500 K in UHV, which eliminated all surface carbon, and reduced the O 1s intensity and BE. These methods present alternative approaches to lithium carbonate removal than heating or polishing in inert atmospheres and are compatible with fundamental surface science studies. In particular, the data show that sputtering at mildly elevated temperatures yields facile elimination of carbonate and other forms of surface carbon. This is in contrast to annealing in either UHV or in noble gas environments, which result in carbonate reduction, but with significant remnant coverages of other forms of carbon.

Ces dernières années ont été marquées par de grandes évolutions technologiques à travers notamment une course à la miniaturisation. De gros efforts de recherche se concentrent en particulier sur le domaine de l’électronique organique mais aussi sur de nouveaux matériaux bidimensionnels comme le graphène. Ces matériaux 2D présentent des propriétés physiques exceptionnelles et sont des candidats prometteurs pour le développement de futurs dispositifs électroniques. Au cours de cette thèse, l’approche ascendante, qui consiste à assembler ensemble des petites briques élémentaires, a été utilisée pour élaborer des nanostructures bidimensionnelles originales sur des surfaces. Des états électroniques localisés dus à un couplage électronique latéral particulier entre les molécules ont été observés. Quatre nanoarchitectures hybrides ioniques-organiques différentes ont été réalisées en faisant varier la température de la surface. Des nanostructures organiques covalentes ont aussi été élaborées par une réaction de couplage d’Ullmann sur la surface. Deux précurseurs différents en forme d’étoile avec des substituants iodés et bromés respectivement, ont été étudiés. De grandes nanostructures carbonées hexagonales poreuses ont notamment été synthétisées en faisant varier la température du substrat. Ces travaux ouvrent de nouvelles perspectives pour la réalisation de matériaux organiques bidimensionnels aux propriétés contrôlées. / Over the last few years, important technological developments were made following a trend towards miniaturization. In particular, lots of research efforts are put into the research on organic electronics and on 2D materials like graphene. Such 2D materials show great physical properties and are promising candidates for the development of future electronic devices.In this project, bottom-up approach consisting in assembling elementary building blocks together, was used to engineer novel twodimensional nanostructures on metal surfaces. The properties of these two-dimensional nanostructures were investigated using Scanning Tunneling Microscopy (STM) and X-ray Photoemission Spectroscopy (XPS). Two-dimensional nanostructures based on the self-assembly of organic building blocks stabilized by intermolecular interactions were engineered. In particular, nanostructures stabilized by hydrogen bonds, halogen bonds and ionic-organic interactions were investigated. Localized electronic states due to specific molecular lateral electronic coupling were observed. Four different ionic-organic nanoarchitectures were engineered varying the substrate temperature. Covalent organic nanostructures were also engineered by onsurface Ullmann coupling reaction. Two different star-shaped precursors with iodine and bromine substituents respectively, were investigated. Large periodic porous 2D covalent hexagonal carbon nanostructures weresuccessfully engineered by temperature driven hierarchal Ullmann coupling. These results open new perspectives for the development of 2D organic materials with controlled structures and properties.

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The underlying motives of the research undertaken here are twofold: to obtain a deeper understanding of the dewatering mechanisms at the forming section of a papermaking machine and to develop numerical models that describe the flow through forming fabrics. More comprehensive knowledge of dewatering in the forming section allows suggestions to be made for improvements that reduce the amount of energy used in the process without affecting the quality of the end product.   The objective of this thesis is to answer the following questions: How and why does rewetting occur at the high vacuum suction boxes? How does the structure of the forming fabric affect dewatering at the forming section? Is it possible to create accurate numerical models for forming fabrics, and can these be used to predict the dewatering behaviour of new types of fabrics?   Laboratory and pilot studies simulating high vacuum suction boxes were performed together with numerical modelling of the flow of air and water through both the forming fabric and the paper sheet.   The conclusion drawn from the pilot study is that rewetting significantly lowers the dryness of the paper sheet exiting the suction boxes. The phenomenon is extremely rapid and is most likely driven by capillary forces. The high speed at which this rewetting occurs makes it difficult to impede by placing the suction boxes closer to the couch pick-up: the solution is more likely to be the use of new and improved designs of the forming fabric. The structure of the forming fabric has been shown to affect the dewatering rate at certain conditions of vacuum dewatering, and can possibly be connected partly to the fact that fibres penetrate the surface of the fabric to varying degrees and partly to the flow resistance of the different fabric structures. Numerical models of high accuracy can be constructed and used to predetermine how new fabric designs would affect dewatering at the forming section.   This thesis quantifies aspects of dewatering such as rewetting and the influence of the forming fabric. Understanding these dewatering aspects further provides for the potential enhancement of energy efficiency in the forming section, and thereby the entire papermaking process. The forming fabric can play an important role in improving energy efficiency: rewetting after the high vacuum suction boxes occurs more rapidly than was previously known, so its design might be the only possible way of impeding it. The forming fabric can also improve the rate of dewatering: it is therefore likely that its design will be important in the next stage of developing energy efficiency and thereby play a part in achieving a more sustainable future. / This thesis quantifies aspects of dewatering such as rewetting and the influence of the forming fabric. Understanding these dewatering aspects further provides for the potential enhancement of energy efficiency in the forming section, and thereby the entire papermaking process. The forming fabric can play an important role in improving energy efficiency: rewetting after the high vacuum suction boxes occurs more rapidly than was previously known, so its design might be the only possible way of impeding it. The forming fabric can also improve the rate of dewatering: it is therefore likely that its design will be important in the next stage of developing energy efficiency and thereby play a part in achieving a more sustainable future.

Ce travail de thèse porte sur l’étude de nouveaux phénomènes vibratoires dans les systèmes Nano-électromécaniques (NEMS) conçus à partir de nanofils (NFs) SiC ou de nanotubes de carbone (NCs) résonants. La configuration encastré-libre permet d'effectuer l'émission de champ (EC) pour caractériser nos échantillons et notamment mesurer le module de Young et le facteur de qualité (Q) de nos NEMS. Le chauffage du résonateur permet d'accroître fortement la valeur de Q des nanofils SiC (Qmax = 159 000). Les auto-oscillations observées sous EC sont obtenues seulement par l'application d'une tension continue et permettent un taux de conversion AC/DC de l'ordre de 50%. L'utilisation de NFs très résistifs couplée au courant d'EC est indispensable pour engendrer ces oscillations spontanées. La réalisation d'une nanoradio sous EC permet la démodulation d'un signal AM ou FM grâce à la résonance d'un NC. Nous décrivons une méthode originale pour exciter les vibrations d'un NF à partir du faisceau d'électrons d'un microscope électronique. L'évolution de la charge au bout du NF est la principale cause de ces auto-oscillations. La configuration encastré-encastré consiste à obtenir un transistor à base de NCs suspendus. Les composants sont caractérisés électriquement et mécaniquement dans un testeur sous pointe sous ultra vide à partir de techniques dites de mixing. La fréquence de résonance de ces échantillons est de l'ordre de 100 MHz et la démodulation d'un signal FM est réalisée pour la première fois dans cette configuration de NEMS. Pour l'ensemble des phénomènes découverts et traités dans ce manuscrit, un modèle et les simulations qui en découlent sont présentés et commentés / This thesis focuses on new phenomena in the mechanical resonances of SiC nanowires (NWs) and carbon nanotubes (CNs) of interest for the emerging field of nano-electro-mechanical systems (NEMS). The clamped-free confiuration allowed the study of our nanowire and nanotube samples by field emission (FE), including measuring the Young's modulus and the quality factor (Q). Heating NW resonators significantly increased their Q factor (Qmax = 159 000). Self-oscillations were observed during FE where only a DC voltage was applied, thus allowing DC/AC conversion with a rate of up to » 50%. Using highly resistive NWs coupled with FE current was required to generate these spontaneous oscillations. Achieving a nanoradio under FE allowed the demodulation of AM or FM signals through the mechanical resonance of CNs. We describe a new method to excite vibrations of a NW from the electron beam of an electron microscope. The evolution of the charge at the end of NW is the main source of these self-oscillations. The clamped-clamped configuration consists of a transistor based on suspended CNs. The devices are characterized electrically and mechanically in a probe station under ultrahigh vacuum with mixing techniques. The resonance frequencies of these samples was around 100 MHz. The demodulation of an FM signal was achieved for the first time in this NEMS configuration. For all the phenomena discovered and treated in this manuscript, a model and derived simulations are described and discussed

La construction de circuits électroniques de section atomique est l'un des grands défis de la nanoélectronique ultime. Pour construire un circuit électronique atomique, il faut d'abord mettre au point l'instrument de construction puis choisir la surface-support stabilisant ce circuit. Sur la surface d'Au(111) préparée en ultra vide, nous avons mis en œuvre et stabilisé le tout premier LT-UHV-4 STM. Ce microscope à 4 pointes STM balayant en même temps et indépendamment une même surface a été construit pour le CEMES par la société ScientaOmicron. Sur l'Au(111), nous avons reproduit tous les résultats expérimentaux obtenus sur les meilleurs LT-UHV-STM à une pointe comme la précision en rugosité de 2 pm, les caractéristiques I-V sans moyenne sur un seul atome pendant plusieurs dizaines de minutes et la manipulation atomique suivant les modes de tiré, glissé et poussé d'un seul atome d'or sur la surface. Une fois cette optimisation réalisée, nous avons appliqué notre LT-UHV-4 STM à la surface de Si(100):H, support probable des futurs circuits atomiques électroniques. Le choix de ce support est discuté en détail avant l'enregistrement et l'analyse des images STM. Les échantillons utilisés proviennent, soit du procédé semi-industriel pleine-plaque de silicium mis au point au CEA-LETI, soit de leur préparation in situ se déroulant directement dans la chambre de préparation du LT-UHV-4 STM. Nous avons pris soin de bien interpréter les images STM de la surface Si(100):H afin par exemple de déterminer la position de chaque atome d'hydrogène. La lithographie atomique par STM a été exploitée, par pointe, sur le LT-UHV-4 STM, en mode manipulation verticale atome-par-atome et mode balayage plus rapide mais rendant l'écriture atomique moins précise. Nous avons construit nos propres fils atomiques puis des plots de contact atomiques, petits carrés de Si(100)H dépassivés de quelques nm de côté. Les courants de fuite à 2 pointes et à l'échelle atomique ont ainsi pu être mesurés sur la surface de Si(100):H entre deux de ces plots. Pour préparer les contacts atomiques à au moins 2 pointes sur un fil atomique ou sur des plots de contact nanométrique, nous avons étudié en détail les différents types de contact pointe STM-liaison pendante unique montrant la difficulté d'atteindre un quantum de conductance au contact, de par un effet de courbure de bandes. Il est donc difficile sans une mesure de force complémentaire de déterminer en partant du contact tunnel les différentes étapes du contact mécanique, électronique au contact chimique. Nos résultats ouvrent la voie à la caractérisation des circuits électroniques construits atome par atome et à l'échelle atomique à la surface d'un semi-conducteur. / The construction of electronic circuits of atomic section is one of the great challenges of the ultimate nanoelectronics. To build an atomic electronic circuit, it is necessary first to develop the dedicated instrument to build up and then to choose the support surface stabilizing this circuit. On the Au(111) surface prepared in ultra-vacuum, we implemented and stabilized the very first LT-UHV-4 STM. This STM 4-probes microscopes scanning at the same time and independently the same surface was built for the CEMES by the ScientaOmicron company. On Au(111), we reproduced all the experimental results obtained on the best LT-UHV-STM with one probe such as the precision in roughness of 2 pm, the IV characteristics recording without any average on a single atom for several tens of minutes and the atomic manipulation following the pulling, sliding and pushing modes of a single gold atom on the surface. Once this optimization was carried out, we applied our LT-UHV-4 STM to the surface of Si(100):H, probable support of the future electronic atomic circuits. The choice of this medium is discussed in detail before recording and analysis of the STM images. The samples used come either from the semi-industrial full-wafer silicon process developed at CEA-LETI or from their in-situ preparation, which takes place directly in the preparation chamber of the LT-UHV-4 STM. We have taken care to interpret the STM images of the surface Si(100):H in order to locate the position of each hydrogen atom. The atomic lithography by STM has been exploited, by using one tip from our LT-UHV-4 STM, by atom-per-atom vertical mode and faster scanning mode. The last makes atomic writing less accurate. We have constructed our own atomic wires and then atomic contact pads, small squares of Si(100)H defeated by a few nm sides. The leakage currents with 2 probes at the atomic scale have thus been able to be measured on the surface of Si(100):H between two of these pads. To prepare the atomic contacts at least 2 probes on an atomic wire or on nanometric contact pads, we studied in detail the different types of contact points STM-single dangling bond showing the difficulty of reaching a quantum of conductance at contact, due to a possible bands bending. It is therefore difficult without a complementary force measurement to determine, starting from the tunnel contact, the different steps of the mechanical, electronic contact at the chemical contact. Our results open the way to the characterization of electronic circuits constructed atom-by-atom and at atomic scale on the surface of a semiconductor.

Les mémoires non-volatiles magnétiques à effet de couple de transfert de spin - STT-MRAM sont un nouveau type de mémoire pouvant remplacer les mémoires DRAM ou SRAM. Chaque point de mémoire STT-MRAM est une jonction tunnel magnétique sous forme d’un pilier de taille nanométrique, composée de deux couches magnétiques séparées par une barrière d'oxide. L'empilement multicouche doit être élaboré sous ultravide par épitaxie par faisceau moléculaire (M.B.E.) ou par pulvérisation cathodique (P.V.D.). Ces méthodes d’élaboration sont développées par la société Vinci Technologies (finançant ce travail de thèse par une bourse CIFRE). L’amplitude de la magnétorésistance tunnel, utilisée pour lire les informations stockées dans la mémoire, dépend de l'orientation relative des aimantations des deux couches magnétiques. Par ailleurs, l'écriture de l’information dans le dispositif est obtenue grâce à l'effet de couple de transfert de spin, qui permet la manipulation de l’aimantation en utilisant un courant polarisé. Enfin, la stabilité thermique du dispositif est donnée par la barrière en énergie séparant les deux orientations d'aimantation (vers le haut et vers le bas dans le cas d'un dispositif perpendiculaire). Pour que les STT-MRAM soient une technologie compétitive, la tension critique nécessaire au retournement de l’aimantation (tension d'écriture) ainsi que le temps de retournement doivent être réduits, tandis que la stabilité thermique doit rester suffisamment élevée pour assurer la conservation de l'information. Au cours de ma thèse, en collaboration avec Vinci Technologies, les équipements nécessaires à la croissance des couches minces composant les jonctions tunnels (M.B.E. et P.V.D.) ont été optimisées. Grâce à cela, nous avons pu obtenir des couches minces avec une anisotropie perpendiculaire (hors du plan) bien caractérisée. J'ai ensuite concentré mon étude sur les dispositifs STT-MRAM industriels (IBM et STT) présentant une aimantation perpendiculaire pour comprendre le mécanisme de retournement de l’aimantation induite par le courant. J'ai alors pu identifier les paramètres pertinents influençant la valeur de la tension de retournement et proposer des solutions pour l'abaisser tout en préservant la stabilité thermique. Grâce à une étude concernant la probabilité de retournement d'aimantation, comparée à une modélisation macrospin et micromagnétique, j'ai mis en évidence un mécanisme de retournement variable en fonction de la configuration magnétique initiale. En effet, le champ rayonné par une couche magnétique sur une autre et la forme de la jonction tunnel ont un impact important sur la manipulation de l'aimantation / Spin Transfer Torque - Magnetic Random Access Memories – STT-MRAM – are developed as a new type of memory which could replace DRAM or SRAM. In the case of STT- MRAM, each memory point is a nanopillar magnetic tunnel junction composed of two magnetic layers separated by an oxide barrier. The multilayer stack can be grown under ultra-high vacuum using Molecular Beam Epitaxy (MBE) or Physical Vapor Deposition (PVD). Those systems are developed by the company Vinci Technologies (sponsoring this PhD work). The tunnel magnetoresistance signal which depends on the relative orientation of the two magnetizations is used to read the information stored in the device. The writing of the information in the device is realized thanks to the spin transfer torque effect, which allows magnetization manipulation using a spin current. The thermal stability of the device is given by the energy barrier separating the two magnetization orientations (up and down in the case of a perpendicular device). For STT-MRAM to be a competitive technology, the critical voltage needed for magnetization switching (writing voltage) as well as the switching time have to be reduced while the thermal stability remains high enough to ensure the retention of information. During my thesis, in collaboration with Vinci-Technologies several tools to grow thin films have been optimized. With such equipment, we were able to grow thin films with well characterized perpendicular (out-of-plane) anisotropy. I have then focused my study on industrial STT-MRAM devices (from two companies: IBM and STT) with an out-of-plane magnetization direction so as to understand the mechanism of current induced magnetization switching. By doing so, I could identify the relevant parameters influencing the switching voltage value and propose solutions to lower it while preserving thermal stability. Through a probabilistic study of magnetization reversal, coupled with macrospin and micromagnetic modeling studies, I have evidenced different switching mechanisms depending on the initial magnetic configuration. Indeed both the stray field from one magnetic layer to the other and the shape of the nanopillar have a large impact on magnetization manipulation