Les isolants topologiques constituent une nouvelle classe de matériaux caractérisés par l'association d'un volume isolant et de surfaces conductrices. Avec des propriétés électroniques similaires au graphene, notamment un transport régit par des particules à énergie de dispersion linéaire couramment appelés fermions de Dirac ainsi qu'une protection topologique empêchant tout phénomène de rétrodiffusion, ces matériaux suscitent un intérêt grandissant dans la quête d'une électronique de faible consommation. En effet, la production de courants de spin non-dissipatifs et polarisés ainsi que la formation de courants de spin purs en l'absence de matériaux magnétiques constituent une partie des attentes de ces matériaux topologiques.L'objectif de cette thèse a été de démontrer expérimentalement le potentiel de l'isolant topologique HgTe pour des applications notamment dans le domaine de la l'électronique de spin ou spintronique.Pour ce faire, d'importants efforts ont été mis en œuvre pour améliorer le procédé de croissance par épitaxie par jets moléculaires.La composition chimique, la contrainte ainsi que la qualité des interfaces de la couche de HgTe ont été identifiées comme des axes majeurs de travail et d'optimisation afin d'obtenir une structure de bande inversée, l'ouverture d'un gap de volume, ainsi que pour protéger les propriétés électroniques des états de surface topologiques. Fort de ces caractéristiques, notre matériau possède à priori toutes les qualités nécessaires pour permettre de sonder les propriétés topologiques. Accéder à ces propriétés particulières est en particulier possible par des mesures d'effet Hall quantique sur des structures de type barres de Hall. La fabrication de ces dispositifs a néanmoins requis une attention particulière à cause de la forte volatilité du mercure et a nécessité le développement d'un procédé de nanofabrication à basses températures.Des mesures d'effet Hall quantique à très basses températures ont ensuite été réalisées dans un cryostat à dilution. Tout d'abord des couches épaisses de HgTe ont été mesurées et ont démontrées des mécanismes de transport très complexes mêlant les états de surface topologiques à d'autres contributions attribuées au volume et aux états de surface latéraux. La réduction de l'épaisseur des couches de HgTe a permis de limiter l'impact de ces contributions en les rendant négligeable pour les couches les plus fines. Dans ces conditions, ces structures ont affiché les propriétés attendues de l'effet Hall quantique avec notamment une annulation de la résistance. Avec ces propriétés, l'analyse en température de l'effet Hall quantique a permis de démontrer la nature des porteurs circulant sur les états de surface topologiques et de les identifier à des fermions de Dirac.Avec la mise en évidence de la nature topologique de notre système, l'étape suivante a été d'utiliser les propriétés topologiques et plus particulièrement le blocage entre le moment et le spin d'un électron pour tester le potentiel du système 3D HgTe/CdTe pour la spintronique. Premièrement, des mesures de pompage de spin ont été réalisées et ont mis en exergue la puissance de ces structures pour l'injection et la détection de spin. Deuxièmement, ces structures ont été implémentéessous la forme de jonction p-n dans l'idée de réaliser un premier dispositif de spintronique qui présente à ce jour des premiers signes de fonctionnement. / With graphene-like transport properties governed by massless Dirac fermions and a topological protection preventing from backscattering phenomena, topological insulators, characterized by an insulating bulk and conducting surfaces, are of main interest to build low power consumption electronic building-blocks of primary importance for future electronics.Indeed, the absence of disorder, the generation of dissipation-less spin-polarized current or even the possibility to generate pure spin current without magnetic materials are some of the promises of these new materials.The objective of this PhD thesis has been to experimentally demonstrate the eligibility of HgTe three dimensional topological insulator system for applications and especially for spintronics.To do so, strong efforts have been dedicated to the improvement of the growth process by molecular beam epitaxy.Chemical composition, strain, defect density and sharpness of the HgTe interfaces have been identified as the major parameters of study and improvement to ensure HgTe inverted band structure, bulk gap opening and to emphasize the resulting topological surface state electronic properties. Verification of the topological nature of this system has then been performed using low temperature magneto-transport measurements of Hall bars designed with various HgTe thicknesses. It is worth noting that the high desorption rate of Hg has made the nanofabrication process more complex and required the development of a low temperature process adapted to this constraint. While the thicker samples have evidenced very complex transport signatures that need to be further investigated and understood, the thickness reduction has led to the suppression of any additional contributions, such as bulk or even side surfaces, and the demonstration of quantum Hall effect with vanishing resistance. Consequently, we have managed to demonstrate direct evidences of Dirac fermions by temperature dependent analysis of the quantum Hall effect. The next step has been to use the topological properties and especially the locking predicted between momentum and spin to test the HgTe potential for spintronics. Spin pumping experiments have demonstrated the power of these topological structures for spin injection and detection. Moreover, the implementation of HgTe into simple p-n junction has also been investigated to realize a first spin-based logic element.

L'utilisation de systèmes moléculaires individuels pouvant jouer le rôle de composants avec des fonctions électroniques ou logiques requiert des interfaces parfaitement contrôlées. Plus précisément, le support sur lequel ces systèmes sont déposés et les électrodes métalliques qui permettent de contacter une molécule individuelle, sont des interfaces qui nécessitent un soin d'élaboration particulier. La croissance d'îlots bidimensionnels (2d) de métaux sur un isolant monocristallin permet de générer des nano-plots 2d pouvant servir de réservoirs d'électrons en minimisant les courants de fuite en surface. Ainsi, il apparaît capital de bien comprendre les modes de croissance des systèmes métal/isolant qui sont à l'heure actuelle mal connus. Ce travail de thèse s'attache à décrire et à expliquer la croissance de différents métaux sur la surface de l'AlN(0001) polaire, qui est un composé nitrure à grand gap, par des calculs basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT).Dans un premier temps, une description approfondie des différentes surfaces du nitrure d'aluminium est présentée. Des calculs DFT ont permis de rationaliser les reconstructions en fonction des conditions expérimentales. La reconstruction (2 x 2)-Nad est discutée, puisqu'elle a été observée en microscopie à force atomique. Dans un deuxième temps, le cas du dépôt d'atomes d'or est abordé en connexion avec des résultats expérimentaux. Les calculs DFT donnent un aperçu des mécanismes qui conduisent à la stabilisation d'îlots 2d sur l'AlN. L'adsorption d'or s'accompagne, d'une part, d'un transfert de charge vertical provenant du substrat d'AlN, ce qui satisfait au critère de stabilité électrostatique pour un matériau polaire et, deuxièmement, par des transferts de charges horizontaux reliés aux propriétés acido-basiques locales de la reconstruction (2 x 2)-Nad. Enfin, des calculs effectués sur deux autres métaux, le magnésium et l'argent, sont exposés. Ces résultats ouvrent la voie à de nouvelles stratégies utilisant des substrats polaires pour développer des monocouches métalliques sur des substrats isolants. / The use of individual molecular systems that can act as components with electronic or logical functions requires perfectly controlled interfaces. More precisely, the support on which these systems are deposited and the metal electrodes that allow to contact an individual molecule, are interfaces that require special care in preparation. The growth of two-dimensional (2d) islands of metals on a monocrystalline insulator allows to generate 2d nano-pads that can be used as electron reservoirs by minimizing surface leakage currents. Thus, it is essential to understand the growth modes of metal/insulating systems which are at present poorly known. This work aims at describing and explaining the growth of different metals on the surface of the polar AlN (0001), which is a large gap nitride compound, by calculations based on density functional theory (DFT). In a first step, a detailed description of the various surfaces of the aluminum nitride is presented. DFT calculations permit to rationalize the reconstructions according to the experimental conditions. The (2 x 2)-Nad reconstruction is discussed, since it was observed by atomic force microscopy. In a second step, the case of the deposit of gold atoms is tackled in connection with experimental results. DFT calculations give an overview of the mechanisms that lead to the stabilization of 2d islands on AlN. The adsorption of gold is accompanied, on the one hand, by a vertical charge transfer from the AlN substrate, which satisfies the electrostatic stability criterion for a polar material and, on the other hand, by horizontal charge transfers related to the local acid-base properties of the (2 x 2)-Nad reconstruction. Finally, calculations made on two other metals, magnesium and silver, are exposed. These results open the way to new strategies using polar substrates to develop metallic monolayers on insulating substrates.

Cette thèse porte sur la caractérisation et l'étude du magnéto-transport sur les structures de type HgTe/CdTe sous contraintes développant un transport de surface topologique tout en étant isolant en volume ; on nomme cette nouvelle classe de matériau isolant topologique 3D.Je développerai dans cette thèse la caractérisation et définition d'un isolant topologique 2D/3D pour ensuite me focalise plus particulièrement sur les systèmes II-VI HgTe/CdTe.Une partie de la thèse développe les conditions de croissance réalisées au CEA/Leti ainsi que la caractérisation du matériau par rayon X. La structure de bande des surfaces est caractérisée par ARPES.Une troisième partie traite de la fabrication des barres de Hall nécessaires à la caractérisation du comportement topologique des surfaces. La partie développement expérimentale est également fournie.La dernière partie traite du magnétotransport réalisé avec ces barres de Hall à faible et fort champ magnétique. Le comportement ambipolaire, une phase de Berry non triviale, l'antilocalisation faible et l'effet Hall quantique entier dans ces structures sont abordés tout tentant de fournir une interprétation des résultats obtenus. / This report deal with caracterisation of magnetotransport in HgTe/CdTe structures bulk strained in that a topological surface transport is predicted. This new kind of material is a 3D topological insulator.In this thesis, I will explain what means 3D/2D topological insulator before focusing on II-VI system lijke HgTe/CdTe.Next, I will discuss about growing conditions performed in CEA/Leti and then material caracterisation by X-ray. Surfaces band structures were also, observed by ARPES, underligned in the report.A third part deal with Hall bars design and conception in order to emphasize topological behavior of these surfaces.The last part shows the results obtained on these Hall bars with magnetotransport at low and high magnetic field. Ambipolaire behaviour, non trivial Berry phase, weak antilocalization and the interger quantum hall effect in HgTe/CdTe structures are studied and a possible interpretation of these results are given.

Cette thèse concerne l’étude de l’effet du dopage au chrome sur les propriétés structurales, électriques et optiques des films de dioxyde de vanadium. Ces films V(1-x)CrxO2 (x allant de 0 à 25%) de 110 nm d’épaisseur ont été déposés par dépôt par ablation laser (PLD) multicibles sur substrat saphir c. Ils ont été caractérisés grâce à des techniques d’analyse morphologique, structurale, électrique et optique. Les différentes phases présentes dans les films V(1-x)CrxO2 ont été identifiées par DRX, spectroscopie Raman et comparées au diagramme de phase du matériau massif. Les phases M1, M2 et M3, un mélange M2 + M3 et la phase R ont été identifiées. En revanche la phase M4 n’a pas été détectée pour des dopages supérieurs à 8%, montrant une réelle différence entre diagrammes de phase du matériau massif et des films. Le dopage au chrome a permis d’augmenter la température de transition isolant-métal de 68 à 102°C. En revanche, la dynamique de cette transition, déterminée par mesure de transmission optique ou par mesure de résistivité électrique, est souvent diminuée. Enfin, des dispositifs à deux terminaux à base de films V(1-x)CrxO2 ont été réalisés. Leurs caractérisations courant-tension montrent que le dopage au chrome influence fortement le seuil d’activation de la transition entre les états isolant et métallique. / This thesis presents a study of the effect of chromium doping on structural, electrical and optical properties of thin films of vanadium dioxide. These V(1-x)CrxO2 thin films (x from 0 to 25%) of 110 nm thick have been deposited on c sapphire substrate by multi target Pulsed Laser Deposition method. Their morphological, structural, electrical and optical properties have been studied. Different phases for V(1-x)CrxO2 have been identified by XRD and Raman analysis and compared to those of bulk material. M1, M2, M3, a mixture M2 + M3 and R phases are present. The M4 phase has not been detected for doping above 8%, showing a real difference between phase diagram of bulk and thin films. Chromium doping also increases the metal-insulator transition temperature from 68°C to 102°C. Moreover, the transition dynamics, determined using optical transmission and electrical resistivity measurements, decreases. Finally, two terminal switches based on V(1-x)CrxO2 thin films have been fabricated. Their current-voltage characterization showed that chromium doping affects the activation threshold voltage of the metal to insulator transition.

Dans cette thèse, j’étudie la compressibilité électronique de deux isolants topologiques tridimensionnels : Le tellurure de mercure (HgTe) sous contrainte et le séléniure de bismuth (Bi2Se3).Je présente des mesures d’admittance électronique à basse température résolues en phase sur une large gamme de fréquence. Cela permet d’extraire la capacité quantique associé à la densité d’états et la résistivité des matériaux étudiés.Nous montrons qu’un isolant topologique intrinsèque présente une réponse dominée par les états de surface topologiques sur une large gamme d’énergie qui s’étend au-delà du gap de transport du matériau massif. Ce régime, appelé « écrantage de Dirac », est caractérisé par une compressibilité électronique proportionnelle à l’énergie de surface et une haute mobilité.Dans la suite, nous nous intéressons à la limite de ce régime. Nous observons qu’à haute énergie et sous l’influence de forts champs électriques perpendiculaires, des états excités massifs de surface sont peuplés ce qui se manifeste expérimentalement de différentes façons : Une chute dans la constante de diffusion électronique, un pic de conductivité ainsi que l’apparition d’un deuxième type de porteurs en magnéto-transport et de métastabilité dans la relation charge-tension.Un modèle théorique basé sur un traitement quasi-relativiste du Hamiltonien de surface est présenté. Il permet d’identifier la dépendance en énergie et champ électrique des états massifs de surface.Cette thèse est complémenté par des résultats expérimentaux sur Bi2Se3 obtenu par croissance sur nitrure de bore mettent en évidence l’importance de la pureté des interfaces d’isolants topologiques. / This thesis discusses the electronic compressibility of two representative three dimensional topological insulators: Strained mercury telluride (HgTe) and bismuth selenide (Bi2Se3).I present low temperature phase-sensitive electron admittance data over a broad frequency range. This allows to extract the quantum capacitance related to the density of states and the resistivity of the investigated materials.We show that the response of an intrinsic topological insulator is dominated by topological surface states over a large energy range exceeding the bulk material’s transport gap. This regime, named “Dirac screening” is characterized by an electron compressibility proportional to the surface Fermi level and a high mobility.Subsequently, we investigate the limits of this regime. At high energy and large perpendicular electric fields we observe the population of excited massive surface states. Experimentally, these manifest themselves in multiple signatures: A drop in the electronic diffusion constant, a peak in the conductivity, appearance of a second carrier type in magneto-transport and meta-stability in the charge-voltage relation.A theoretical model based on a quasi-relativistic treatment of the surface Hamiltonian is presented. It allows to identify the electric field and energy dependence of the massive surface states.This thesis is complemented by experimental results on Bi2Se3 grown on boron nitride, where we demonstrate the importance of clean surfaces for the study of electronic properties in topological insulators.

L'émergence d'une une nouvelle classe de matériaux, des isolants topologiques, a stimulé un vaste champ de recherche. Bismuth, un élément du groupe V du tableau périodique, est un des ingrédients clé d'une famille d'isolants topologiques. Pour des applications dans la technologie des composants électroniques, il est essentiel de maîtriser la préparation des matériaux en couches minces. Dans ce travail de thèse, nous avons étudié la croissance et la structure électronique de bismuth sur les surfaces (100) et (111) de semi-conducteur III-V InAs.Déposition de Bi sur la surface InAs(100) résulte en une auto-organisation de Bi qui forme des lignes de taille atomique. On montre que le bismuth interagit extrêmement faiblement avec la surface car la structure d'origine de la surface propre de l'InA(100) reste intacte. L'étude de la bande valence montre la présence d'états résonants fortement dépendants de l'énergie de photons et de la polarisation de la lumière, en cohérence avec la structure quasi unidimensionnelle de la surface.La spécificité de la surface InAs(111) est qu'elle a deux terminaisons différentes: par In, (face A) et par As, (face B). Les deux faces présentent des reconstructions différentes. Par la photoémission des niveaux de coeur nous avons montré une différence de réactivité chimique entre les faces A et B. La croissance de Bi sur la face A résulte en un monocristal de haute qualité pour les films à partir de 10 monocouches. Par contre, lors du dépôt de premières couches, la face B montre une croissance en îlots et un bon monocristal est obtenu seulement pour des films d'au moins de 50 monocouches.Pour la même face, A ou B, nous avons observé des différences de croissance plus subtiles entre les surfaces préparées soit par le bombardement ionique et des recuits soit par l'épitaxie par jets moléculaires.La photoémission résolue en angle a permit de caractériser la dispersion des bandes dans les films de Bi. La dispersion est tout à fait comparable au cristal massif de Bi. La dernière étape consistait à étudier la structure électronique d'un monocristal de Sb déposé sur le film de Bi.Les surfaces propres de InAs(111)A et InAs(111)B présentent une courbure de bande qui résulte en formation d'une couche d'accumulation d'électrons. En déposant le Bi sur ces surfaces, la couche d'accumulation est préservée, elle est même amplifié, car Bi agit comme le donneur dans l'InAs.La couche d'accumulation se traduit par un confinement quantique des électrons, mesurable par la photoémission résolue en angle.Mots clés :Structure électronique de surface, ARPES, semimétal, courbure de bande, Gaz-2D, Bismuth, Sb, InAs(111)A, InAs(111)B, puits quantique, surface Fermi, couches minces. / A new class of material is coming up, Topological Insulators, have opened a wide field of research. Bismuth, an element of group V of periodic table, is one of the key ingredient of this Topological Insulators family. With the aim of improving technological applications, especially the electronic compounds, it is of most importance to control the preparation of thin films materials. Within this Phd work, we studied the growth and Bismuth electronic structure on (100) and (111) semiconductor III-V InAs surfaces.Bi deposition on InAs(100) surface result of a Bi self-assembly which forms lines at atomic scale. We show Bi interact extremely weakly with the surface because the beginning structure of clean InAs(100) surface stay unharmed. The study of valence band sheds light on the existence of resonant states strongly photon energy dependent and also depend on the light polarization, consistent with almost one dimensional structure surface.InAs(111) surface specific feature is that it has both surface ending different : In ending, (face A) and As ending, (face B). The both faces pointed out distinguishable reconstructions. By the core-level photoemission we identified a chemical reactivity difference taking place between A and B faces. Bi growth on A-face tend to be a high quality monocrystal for those films from a thickness of 10 monolayers. On the other hand, during the deposition of first layers, the B-face show an island growth and a good monocrystal is obtained only available for films with 50 monolayers at least.For the same face, A or B, we have seen some growth discrepancies more subtle between prepared surfaces either by ionic bombardment and annealing (IBA) either by molecular beam epitaxy (MBE).The angular resolved photoemission allowed to identify the band dispersion inside of this Bi films. The dispersion is absolutely relative to the bulk Bi crystal. The final step involved the study of Sb monocrystal electronic structure deposited onto Bi film.Clean InAs(111)A and InAs(111)B surfaces indicate a band bending which result in the accumulation electron charge formation. With depositing Bi onto these surfaces, the accumulation layer would be kept, it is also increased, given that Bi acts as a donor-like in InAs. The accumulation layer is characterized by an electron quantum confinement, measurable by angle resolved photoemission.Keywords:Electronic structure surface, ARPES, semimetal, band bending effect, 2DEG, Bismuth, Sb, InAs(111)A, InAs(111)B, quatum wells, Fermi surface, thin films.

Afin de mieux comprendre les différents processus qui apparaissent à la transition supraconducteur-isolant (SIT), nous avons sondé simultanément les propriétés électroniques globales et locales de films minces de NbN, élaborés ex-situ sur un substrat de saphir. La transition a été approchée en réduisant l'épaisseur des échantillons, augmentant la résistance par carré de l'état normal à plusieurs kiloOhms. Les Tc correspondant aux films étudiés varient de Tc≈15K qui est proche de TC-bulk à Tc≈3.8K (Tc/TC-bulk≈0.23). Dans la gamme 0.4TC-bulk<Tc<TC-bulk, les mesures de résistances sont en accord avec la loi de Finkelstein pour la réduction de Tc induite par le désordre et les interactions électron-électron. Les mesures de spectroscopie tunnel locale (STS) montrent l'émergence d'une granularité dans les propriétés supraconductrices en réduisant la Tc, ainsi que le développement d'un fort fond Altshuler-Aronov dans les spectres tunnel dI/dV(V), ce qui est en accord avec le scenario de Finkelstein. Pour l'échantillon le plus désordonné (Tc≈3.8K), des mesures de résistance in-situ et de STS en simultané nous ont permis de suivre sur la même zone de l'échantillon, l'évolution des propriétés supraconductrices en fonction de la température et du champ magnétique, qui ont démontré un comportement percolatif de la transition dans l'état normal de mauvais métal. Cette étude locale a été confirmée par le changement de dimensionnalité des fluctuations Aslamasov-Larkin au-dessus de Tc de 2D à 0D. En outre, une telle étude est particulièrement intéressante pour comprendre les différents phénomènes qui limitent le fonctionnement des détecteurs de photon unique basé sur les films de NbN. / In order to better understand the various processes taking place at the superconductor-insulator transition (SIT), we have probed simultaneously the global and local electronic properties of NbN ultrathin films, elaborated ex-situ on sapphire substrate. The transition was approached by reducing the films thickness, increasing the normal state square resistance to several kiloOhms. The corresponding Tc's of the studied films ranged from about Tc≈15K, which is close to TC-bulk, to Tc≈3.8K (Tc/TC-bulk≈0.23). In the range 0.4TC-bulk<Tc<TC-bulk resistivity measurements are consistent with Finkelstein's reduction of Tc induced by disorder and electron-electron repulsion. Local scanning tunneling spectroscopy (STS) measurements show the emergence of granularity in the superconducting properties upon Tc reduction, as well as the progressive development of a strong Altshuler-Aronov background in the dI/dV(V) tunneling spectra, in agreement with Finkelstein scenario. For the most disordered film (Tc≈3.8K), simultaneous in-situ resistivity and STS measurements allowed us to follow at the same sample area the evolution of these emergent granular superconducting properties as a function of temperature and magnetic field, which demonstrate a percolative behavior of the transition to the bad-metal normal state. This local picture finds an interesting signature in the change of the dimensionality of the Aslamasov-Larkin fluctuations above Tc from 2D to 0D. Besides, such a study is particularly interesting to better understand the various phenomena occurring in and limiting the behavior of single-photon detectors patterned out of NbN films.

Grâce à leur propriétés uniques, les nanofils d'InAs et de Bi1-xSbx sont important pour les domaines de la nanoélectronique et de l'informatique quantique. Alors que la mobilité électronique de l'InAs est intéressante pour les nanoélectroniques; l'aspect isolant topologique du Bi1-xSbx peut être utilisé pour la réalisation de Qubits basés sur les fermions de Majorana. Dans les deux cas, l'amélioration de la qualité du matériau est obligatoire et ceci est l'objectif principal cette thèse ou` nous étudions l'intégration des nanofils InAs sur silicium (compatibles CMOS) et où nous développons un nouvel isolant topologique nanométrique: le Bi1-xSbx. Pour une compatibilité CMOS complète, la croissance d'InAs sur Silicium nécessite d'être auto- catalysée, entièrement verticale et uniforme sans dépasser la limite thermique de 450 ° C. Ces normes CMOS, combineés à la différence de paramètre de maille entre l'InAs et le silicium, ont empêché l'intégration de nanofils InAs pour les dispositifs nanoélectroniques. Dans cette thèse, deux nouvelles préparations de surface du Si ont été étudiées impliquant des traitements Hydrogène in situ et conduisant à la croissance verticale et auto-catalysée de nanofils InAs compatible avec les limitations CMOS. Les différents mécanismes de croissance résultant de ces préparations de surface sont discutés en détail et un passage du mécanisme Vapor-Solid (VS) au mécanisme Vapor- Liquid-Solid (VLS) est rapporté. Les rapports d'aspect très élevé des nanofils d'InAs sont obtenus en condition VLS: jusqu'à 50 nm de diamètre et 3 microns de longueur. D'autre part, le Bi1-xSbx est le premier isolant topologique 3D confirmé expérimentalement. Dans ces nouveaux matériaux, la présence d'états surfacique conducteurs, entourant le coeur isolant, peut héberger les fermions de Majorana utilisés comme Qubits. Cependant, la composition du Bi1-xSbx doit être comprise entre 0,08 et 0,24 pour que le matériau se comporte comme un isolant topologique. Nous rapportons pour la première fois la croissance de nanofils Bi1-xSbx sans défaut et à composition contrôlée sur Si. Différentes morphologies sont obtenues, y compris des nanofils, des nanorubans et des nanoflakes. Leur diamètre peut être de 20 nm pour plus de 10 microns de long, ce qui en fait des candidats idéaux pour des dispositifs quantiques. Le rôle clé du flux Bi, du flux de Sb et de la température de croissance sur la densité, la composition et la géométrie des structures à l'échelle nanométrique est étudié et discuté en détail. / InAs and Bi1-xSbx nanowires with their distinct material properites hold promises for nanoelec- tronics and quantum computing. While the high electron mobility of InAs is interesting for na- noelectronics applications, the 3D topological insulator behaviour of Bi1-xSbx can be used for the realization of Majorana Fermions based qubit devices. In both the cases improving the quality of the nanoscale material is mandatory and is the primary goal of the thesis, where we study CMOS compatible InAs nanowire integration on Silicon and where we develop a new nanoscale topological insulator. For a full CMOS compatiblity, the growth of InAs on Silicon requires to be self-catalyzed, fully vertical and uniform without crossing the thermal budge of 450 °C. These CMOS standards, combined with the high lattice mismatch of InAs with Silicon, prevented the integration of InAs nanowires for nanoelectronics devices. In this thesis, two new surface preparations of the Silicon were studied involving in-situ Hydrogen gas and in-situ Hydrogen plasma treatments and leading to the growth of fully vertical and self-catalyzed InAs nanowires compatible with the CMOS limitations. The different growth mechanisms resulting from these surface preparations are discussed in detail and a switch from Vapor-Solid (VS) to Vapor- Liquid-Solid (VLS) mechanism is reported. Very high aspect ratio InAs nanowires are obtained in VLS condition: upto 50 nm in diameter and 3 microns in length. On the other hand, Bi1-xSbx is the first experimentally confirmed 3D topololgical insulator. In this new material, the presence of robust 2D conducting states, surrounding the 3D insulating bulk can be engineered to host Majorana fermions used as Qubits. However, the compostion of Bi1-xSbx should be in the range of 0.08 to 0.24 for the material to behave as a topological insula- tor. We report growth of defect free and composition controlled Bi1-xSbx nanowires on Si for the first time. Different nanoscale morphologies are obtained including nanowires, nanoribbons and nanoflakes. Their diameter can be 20 nm thick for more than 10 microns in length, making them ideal candidates for quantum devices. The key role of the Bi flux, the Sb flux and the growth tem- perature on the density, the composition and the geometry of nanoscale structures is investigated and discussed in detail.

Dans ce travail de thèse, nous proposons dans une première partie l’usage de fibres de la plante marine Posidonia-Oceanica pour la fabrication de matériaux d’isolation thermique de bâtiments. Les caractérisations thermiques effectuées ont permis de mettre en évidence l’effet de la densité des fibres et de traitements chimiques. Il apparaît que ce type de fibres possède une conductivité équivalente à celle d’autres isolants courants et une capacité thermique massique plus élevée. La conductivité thermique en fonction de la masse volumique est comprise entre 0.04 et 0.07 W.m-1.K-1. La capacité thermique massique atteint environ 2500J.kg-1.K-1. Il apparaît également que l’influence du traitement chimique sur les propriétés thermiques n’est pas significative. Les résultats obtenus font de ces fibres un bon candidat pour une utilisation comme isolant thermique dans le domaine du bâtiment. Dans une seconde partie, ces fibres sont utilisées pour le renforcement d’une pâte de ciment. Une gamme de composites a été formulée pour des fractions volumiques en fibres allant de 0 à 20%. Une étude des propriétés hydriques de ces composites a été menée et complétée par des analyses par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) et des mesures des propriétés thermophysiques par la méthode du Hot-Disk durant le cycle de séchage. D’autre part, la quantification de la sensibilité de ces matériaux à l’humidité relative a été réalisée par la mesure de la variation de la teneur en eau dans les échantillons dans des environnements à humidité contrôlée. Ces mesures permettent de déterminer le coefficient de diffusion de l’eau. Celui-ci augmente légèrement avec l’augmentation du taux de fibres dans le composite. Du point de vue thermique, l’ajout de fibres améliore les propriétés isolantes des matériaux. En effet, une diminution de 22% sur la valeur de la conductivité thermique est notée avec l’introduction de 20% de fibres, par comparaison à l’échantillon de ciment témoin. L’influence sur la diffusivité thermique et sur la capacité thermique massique n’est pas significative. Du point de vue mécanique, la résistance à la traction par flexion et la compression augmentent légèrement jusqu’à 5 à 10% en volume de fibres puis diminuent. En revanche, une augmentation notable des valeurs de ténacité a été observée avec l’augmentation du dosage en fibres. Une augmentation de 65% est observée avec l’ajout de 20% de fibres. En s'appuyant sur les observations expérimentales, une modélisation analytique simplifiée a été réalisée. Celle-ci permet d'obtenir des modèles de prédiction des valeurs de la conductivité thermique, de la résistance à la traction par flexion, de la résistance à la compression et de la ténacité en fonction de la quantité de fibres dans le matériau / In this work, we have firstly studied the use of fibers extracted from the marine plant Posidonia-Oceanica as loose-fill thermal insulation material for buildings. Measurements were conducted and allowed the determination of the effect of fibers density and chemical treatments on thermal properties. Thermal conductivities were lying between 0.04 and 0.07 W.m-1.K-1, whereas the heat capacity is about 2500 J.kg-1.K-1. Thus, it was found that fibers thermal conductivity is close to the one of commonly used thermal insulation materials and that their heat capacity is significantly higher. It was also found that the influence of chemical treatment on the thermal properties is not significant. Measurement results showed that these fibers could be a promising ecological loose-fill insulation material in the construction field. Secondly, fibers were used as reinforcement for cement paste. A set of composite samples were formulated by varying fibers volume fractions from 0 to 20%. Their hygroscopic, thermal and mechanical properties were evaluated. Composites were analyzed by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and their thermophysical properties were measured with a Hot Disk thermal constants analyzer during the drying cycle. Sensitivity of these materials to relative humidity was examined by measuring the water content variation in controlled humidity environments. These measurements allowed the quantification of the water diffusion coefficient. This coefficient increased slightly with the increase of fibers content in composite samples. Concerning thermal properties, the addition of Posidonia-Oceanica fibers improved the material insulating properties. In fact, a decrease of about 22% on thermal conductivity values was found with the introduction of 20% of fibers compared to the unfilled cement paste. For Posidonia-Oceanica fibers volume fractions considered in this study (0 to 20 Vol.%), the effect of the presence of fibers on thermal diffusivity and on heat capacity is not significant, regarding the measurement uncertainties. Concerning mechanical properties, flexural and compressive strengths increased for about fiber volume fractions in the range of 5 to 10%. Moreover, a noticeable increase of toughness was observed with increasing fibers amount: for instance, an increase of about 65% was observed with the introduction of 20% of fibers in the composite. Based on the experimental observations, simplified analytical models were developed to predict thermal conductivity, flexural strength, compressive strength and toughness as a function of fibers volume fraction in the material

Nous étudions dans cet ouvrage les effets conjugués de l'interaction et du désordre sur la localisation de particules fermioniques. Nous montrons que l'établissement au-dessus du niveau de Fermi d'une interaction attractive de Hubbard entre deux particules évoluant sur un réseau désordonné d'Anderson (bi ou tridimensionnel) mène, dans l'état fondamental, à la création d'une paire de particules localisées. Cette phase biparticulaire apparaît dans un régime de désordre où les particules sans interaction ne sont pas encore localisées (phase métallique du modèle d'Anderson). Cette localisation persiste également pour les états excités tant que ceux-ci décrivent un état où les deux particules liées forment une paire. Cette phase de biparticules localisées par interaction attractive (phase BLS) disparaît néanmoins au profit d'une phase de paires de Cooper délocalisées lorsque les fluctuations du désordre sur le réseau sont suffisamment faibles. Un champ magnétique permet également, en altérant la structure des paires, de délocaliser les particules menant ainsi à la disparition de la phase BLS. Ce modèle quantique de deux particules constitue, pour les systèmes désordonnés, une généralisation du problème de Cooper. Nous montrons alors qu'il est nécessaire d'aller au-delà de l'approximation que constitue l'ansatz de Cooper pour décrire correctement la phase BLS. Ce résultat traduit le fait que, pour les systèmes à N-corps, les techniques de champs moyen utilisant l'appariement des particules suggéré par l'ansatz de Cooper ne permettent pas de traiter de manière correcte les influences conjuguées du désordre et de l'attraction dans les supraconducteurs fortement désordonnés. Une extension de notre modèle, au cas de N>2 fermions en interaction, est envisagé, montrant que l'état fondamental à N-corps entreprends une transition d'un état délocalisé (supraconducteur) vers un état localisé (isolant) lorsque le désordre augmente dans le système.