Cette thèse porte sur l'étude du transport électronique dans des structures de faibles dimensionnalités en silicium dopé. Elle s'inscrit notamment dans le contexte de la compréhension du transport mésoscopique et de la miniaturisation des dispositifs MOS.<br />Les nanostructures sont réalisées par oxydation localisée sous la pointe d'un microscope à force atomique (AFM), sur des substrats silicium sur isolant (SOI) ultra-minces. Cette technique a été choisie pour sa souplesse, sa résolution (10nm), l'absence d'effet de proximité. Elle permet d'obtenir des nanostructures de quelques centaines de nm2 de section.<br />Tandis qu'à température ambiante le comportement électronique est semblable à celui d'un dispositif MOS/SOI, à basse température des oscillations de courant se superposent à l'effet de champ, pour dominer le transport en dessous de 70K. Ainsi, le transport électronique est dominé par le blocage de Coulomb, qui se traduit par des oscillations de courant, une loi d'activation en température de la conductance et des structures de type « diamant de Coulomb » dans la carte de courant en fonction des tensions de grille et de drain. Nous associons le blocage de Coulomb dans ces structures aux puits de potentiel créés par la présence de dopants à l'intérieur du nanofil. Pour les faibles dopages les nanofils se comportent comme de chaînes unidimensionnelles d'îlots en série, alors que pour les forts dopages leur comportement se modélise par des chaînes bidimensionnelles.<br />La technique originale de nanofabrication utilisée permet la réalisation de nanostructures de test en vue d'explorer les mécanismes de conduction dans le silicium nanostructuré.

La technologie CMOS SOI (« Silicon On Insulator ») a déjà montré son intérêt pour les circuits numériques par rapport à la technologie CMOS sur substrat massif (« bulk »). Avec l'entrée des technologies CMOS dans l'ère des dimensions nanométriques, les transistors atteignent des fréquences de coupures élevées, ouvrant la voie aux applications hyperfréquences et de ce fait à l'intégration sur la même puce des circuits numériques, analogiques et hyperfréquences. Cependant, la piètre qualité des éléments passifs reste le principal verrou des technologies CMOS pour y parvenir.<br />Les travaux effectués lors de cette thèse portaient sur l'étude des aptitudes de la technologie CMOS SOI 130 nm de ST-Microelectronics pour des applications hyperfréquences au-delà de 20 GHz. Ils consistaient plus précisément à concevoir des circuits de démonstration pouvant entrer dans la composition d'une chaîne d'émission/réception. Trois amplificateurs distribués en bande K ont d'abord été conçus et mesurés. Malgré des pertes élevées dans les lignes de transmission limitant ainsi la bande passante et le gain, les performances mesurées montrent l'intérêt de cette technologie pour les hyperfréquences. Ensuite, une nouvelle série de démonstrateurs – amplificateurs distribués, amplificateurs faible bruit et mélangeurs actifs – a été conçue en employant des lignes à plus faibles pertes que celles utilisées précédemment. Les résultats de simulation montrent que le produit gain-bande des amplificateurs distribués a doublé en conservant la même architecture. Les simulations des amplificateurs faible bruit et des mélangeurs actifs montrent des performances à l'état de l'art en CMOS.

Lorsqu'un supraconducteur (S) est mis en contact électrique avec un métal normal (N), il transfert à ce dernier des propriétés supraconductrices sur une faible épaisseur : ce phénomène s'appelle "l'effet de proximité". L'objectif de cette thèse consiste à étudier la cohérence quantique dans N à travers ce phénomène grâce à un microscope à effet tunnel (STM) fonctionnant à 1.6 K et 50 mK. L'avantage de cette méthode expérimentale est d'être en mesure d'observer l'échantillon et de déterminer ses propriétés électroniques locales simultanément avec une grande résolution spatiale et énergétique. L'effet de proximité a déjà été observé expérimentalement dans le cas où les dimensions du métal normal et du supraconducteur peuvent être considérés comme infinies. En régime diffusif, la densité d'états locale présente un pseudo-gap dans N qui se referme à mesure que l'on s'éloigne de l'interface [S-N]. Cependant, si les dimensions de N sont plus petites que la longueur de cohérence de phase, un mini-gap relié à l'énergie de Thouless se développe, traduisant l'établissement des propriétés supraconductrices dans tout le volume du métal normal. En régime balistique, des conclusions similaires s'appliquent selon le caractère intégrable (pseudo-gap) ou chaotique (mini-gap) des structures métalliques en contact avec le supraconducteur. Afin d'observer expérimentalement ces effets, nous avons fabriqué par lithographie électronique des échantillons où des motifs de métal normal, de taille mésoscopique et de différentes géométries, sont présents à proximité d'un supraconducteur. Nous avons mis en évidence des pics très fins dans les spectres de la conductance tunnel différentielle locale. Nous pensons qu'ils révèlent la présence d'états résonnants d'Andreev, impliquant l'existence de trajectoires électroniques semi-classiques satisfaisant la relation de quantification de De Gennes-St James. Dans le cadre de cette thèse, nous avons aussi saisi l'opportunité d'étudier les propriétés électroniques des films supraconducteurs désordonnés de nitrure de titane. A mesure que l'épaisseur des films est réduite, la diminution du potentiel effectif d'attraction des électrons et les effets de localisation donnent lieu à une transition supraconducteur-isolant (T.S.I.), observée par des études de magnéto-transport. Grâce au STM, la détermination de la densité d'états locale sur ces mêmes films a permis de révéler la co-existence de domaines supraconducteurs et normaux ainsi qu'une évolution spatiale des mesures spectroscopiques très inhabituelle. Ce matériau présente donc des propriétés supraconductrices inhomogènes pouvant jouer un rôle important dans les mécanismes de la T.S.I.

Les cristaux photoniques sont des structures diélectriques périodiques. Ils permettent de contrôler la lumière en interdisant, par exemple, la propagation des photons dans certaines directions et pour certaines fréquences contenues dans ce que l'on appelle le gap photonique. De part leur compatibilité avec la filière silicium et leur relative simplicité de fabrication, les cristaux photoniques bidimensionnels réalisés sur substrats silicium-sur-isolant (SOI) sont particulièrement attractifs pour la fabrication de circuits intégrés photoniques et ils pourraient constituer la base des futures interconnexions optiques en microélectronique. Dans ce cadre, nous nous sommes intéressé à la conception, la fabrication et la caractérisation de guides d'onde, de filtres, de cavités planaires et d'extracteurs de lumière. Dans une première partie, nos efforts se sont portés sur les structures passives. Un banc d'optique original à été monté pour caractériser celles-ci en optique guidé sur un large plage de longueur d'onde (de 1,1 à 1,7 µm). Le guidage dans des guides à cristaux photoniques mono-rangée a été caractérisé spectralement et la transmittance de miroirs et de cavités unidimensionnelles à cristaux photoniques a été étudiée. Des modes résonnants avec des facteurs de qualité jusqu'à 150 ont été mesurés. Ces résultats sont en très bon accord avec les simulations menées par la technique FDTD (Finite Difference Time Domain) et avec les calculs de diagrammes de bandes obtenus par la méthode des ondes planes. Dans un second temps, nous avons regardé les propriétés de photoluminescence hors du plan de certaines structures à cristaux photoniques. Deux voies différentes sont explorées : le confinement des photons dans le plan à l'aide de cavités hexagonales et l'utilisation de propriétés particulières de dispersion de certains modes du cristal photonique pour extraire la lumière. Ces deux approches sont abordées parallèlement sur des substrats SOI et sur de nouveaux substrats, appelés « substrats optiques », développés spécialement pour nos applications et constitués d'un guide planaire en silicium monocristallin déposé sur un miroir diélectrique multicouche. Ainsi, l'influence du confinement dans la direction verticale est abordée. Pour les extracteurs de lumière sur substrat SOI, une efficacité d'extraction de plus de 45 % est mesurée sur une face et dans un angle solide réduit.

L'effet tunnel dépendant du spin dans les structures métal ferromagnétique/isolant/métal ferromagnétique fait l'objet de nombreuses études motivées par de multiples applications (capteurs de champ magnétique, mémoires vives magnétiques non volatiles, têtes de lecture, etc). La résistance de ces dispositifs est liée à l'orientation relative des aimantations de chacune des électrodes. Au cours de ce travail de thèse, l'extrême sensibilité de l'effet tunnel dépendant du spin à la configuration magnétique des électrodes a été utilisée à la fois comme une sonde du comportement micromagnétique des électrodes et pour réaliser des capteurs de champ magnétique. De plus, l'élaboration de doubles jonctions tunnel magnétiques à trois entrées a permis mettre en évidence la présence d'un courant d'électrons chauds qui pourrait être à la base d'un nouveau type de transistor magnétique.

L'objectif de ce travail de thèse est d'étudier expérimentalement le transport d'électrons chauds dépendant du spin à travers une jonction métal ferromagnétique / semi-conducteur. En pratique, un faisceau d'électrons polarisés de spin, émis par une photocathode GaAs en condition de pompage optique, est injecté dans la jonction. L'énergie d'injection peut être réglée entre 5 et 3000 eV. Le courant transmis au-dessus de la barrière métal / semi-conducteur montre une asymétrie de spin due à l'effet de filtre à spin de la couche magnétique. Pour la détection directe du courant électrique transmis dans un dispositif métal / semi-conducteur, on a besoin d'une structure ayant un fort caractère redresseur avec une résistance dynamique de jonction très élevée (typiquement quelques MΩ). Ces propriétés sont obtenus par l'introduction d'une couche mince (de quelques nanomètres) interfaciale d'oxyde entre le métal et le semi-conducteur (structure de type MIS). Nous montrons que la transmission d'électrons chands et les effets de filtre à spin à travers les structures MIS dépendent fortement la couche d'oxyde. Afin de surmonter les difficultés relatives à la détection électrique de la transmission d'électrons dans les jonctions MIS, nous avons développé une méthode de détection optique basée sur la mesure de la cathodoluminescence émise par la recombinaison d'électrons transmis dans le collecteur semi-conducteur. Pour ce faire, nous avons conçu la structure Fe / GaAs / InGaAs / GaAs, qui comprend les puits quantiques InGaAs, dans lesquels les électrons transmis à travers la jonction se recombinent avec les trous. L'intensité de la lumière de recombinaison est détectée en face arrière du substrat GaAs. Nous démontrons que cette technique permet en effet la détection optique de la transmission d'électrons et de l'effet de filtre à spin dans les structures métal ferromagnétique / semi-conducteur. Les limites et les perspectives de la spectroscopie de cathodoluminescence sont discutées.

Cette thèse concerne l'étude du rôle des électrons, des phonons et de leur dynamique dans les transitions de phase de deux systèmes fortement corrélés, le composé prototype de Mott (V{1-x}Cr_{x})_2O_3 et le pnicture de fer supraconducteur Ba(Fe_{1-x}Co_{x})_2As_2. Ces systèmes ont été étudiés grâce à deux techniques complémentaires, la spectroscopie de photoélectrons et la réflectivité pompe-sonde. Les mesures de réflectivité transitoire dans (V{1-x}Cr_{x})_2O_3 ont permis de mettre en évidence un durcissement photo-induit du réseau cristallin, dû à la modification ultra-rapide (à l'échelle femtoseconde) de la structure électronique du matériau. La mesure de phonons optiques et acoustiques cohérents a permis de montrer le lien entre excitation électronique, propriétés réticulaires et corrélations électroniques. Des mesures de photoémission résolue spatialement à l'échelle microscopique ont également permis, dans certaines parties du diagramme de phases, la visualisation de domaines isolants de Mott et métalliques. Concernant Ba(Fe_{1-x}Co_{x})_2As_2, la première mesure d'un phonon optique cohérent dans un pnicture de fer a permis d'interpréter la relaxation électronique transitoire de ce système comme gouvernée par un couplage électrons-phonons sélectif. La valeur du couplage électrons-phonons déterminée par cette méthode, lambda=0.12, est trop faible pour que la supraconductivité de ce système soit médiée par les phonons. La structure électronique de Ba(Fe_{1-x}Co_{x})_2As_2 a été mesurée par photoémission résolue en angle à basse énergie de photon, permettant une résolution en énergie et en vecteur d'onde optimales. La dispersion des bandes autour du centre de la zone de Brillouin ainsi que leur symétrie ont ainsi été déterminées, et la modification de structure électronique induite par la transition supraconductrice a été mesurée. Cette dernière consiste en un transfert de poids spectral inter-bandes et l'ouverture de gaps sélectifs, reflétant le caractère complexe de la structure électronique des supraconducteurs multi-bandes.

Cette thèse présente de nouveaux modes de croissance du graphène, basés sur le dépôt PECVD d'une part et l'implantation ionique d'autre part. En séparant la phase de recuit de la phase d'introduction, l'implantation ionique - que nous fûmes les premiers à employer - nous a permis d'isoler des facteurs importants du traitement thermique. Nous avons ainsi pu obtenir une compréhension profonde de certains des mécanismes de croissance : du fait d'une diffusion très rapide, la distribution finale du carbone dans un film de Ni dépend du détail du traitement thermique qui est appliqué pendant ou après l'introduction de carbone. Nous montrons en particulier que deux espèces de matériaux graphitiques sont obtenues après un traitement donné : constituées de fins monocristaux de graphite d'une part, qui se développentvraisemblablement durant le plateau haute température, et de "few‐layer graphene" nanocristallin d'autre part qui apparaît très certainement durant le refroidissement. Le dépôt PECVD soumet un film métallique à un plasma hautement réactif, introduisant des atomes de carbone dans le voisinage de sa surface.Effectuer cette opération à haute température provoque la diffusion des atomes de carbone à travers le film. Cette technique a délivré notamment des nanotubes de carbone d'excellente qualité. Ici, nous l'avons adaptéeà la croissance de graphèneet en avons obtenu des films de graphène sur Ni, à des températures aussi basses que 450 °C. De plus, cette technique s'est avérée délivrer un deuxième film de graphène, à l'interfaceentre le Ni et son substrat isolant (SiO2ou verre). Ce second film se plaçant directement sur un substrat fonctionnel, nous avons développé un procédé simple pour l'utiliser directement dans undispositif, sans transfert. Nous avons ainsi développé un capteur d'humidité, par simple impression d'électrodes. Au‐delà de cette preuve de concept, nous devons maintenant explorer plus avant les mécanismes de croissance et les conditions de recuit pour le développement d'applications de ce graphène sans‐transfert et basse‐température.

Le composé SmB6 est un exemple typique de la physique étrange qui peut résulter d'un équilibre de valence. La première configuration du Samarium (Sm2+) correspond à un état isolant non magnétique alors que la seconde (Sm3+) donnerait théoriquement un état magnétique et conducteur. Des mesures de microcalorimétrie sous pression ont permis d'établir le diagramme de phase magnétique de SmB6 : une nouvelle phase magnétique ordonnée à longue distance a été mise en évidence pour des pressions supérieures à 10GPa. D'un autre coté, des mesures de transport réalisées sous pression hydrostatique permettent de situer la transition isolant-métal pour la même pression. Le diagramme de phase sous pression est désormais bien établi et l'observation pour la première fois d'une anomalie magnétique dans les courbes de résistivité au delà de 10GPa permet d'affirmer que la coïncidence des deux phénomènes a bien lieu. Ce changement de comportement du système est discuté dans un nouveau cadre théorique prenant en compte la température Kondo du réseau comme paramètre clef pour la renormalisation de la fonction d'onde vers l'une ou l'autre configuration de valence entière alors que la valence mesurée est toujours nettement intermédiaire. Cette idée générale semble par ailleurs s'appliquer à d'autres composés à valence intermédiaire étudiés (SmS, TmSe). En parallèle, des mesures de résistivité sous contraintes uniaxiales ont été réalisées. Elles mettent en évidence un fort effet d'anisotropie dans le composé SmB6. La comparaison de ces expériences avec les résultats obtenus dans des conditions de pression très hydrostatiques permettent de revisiter le problème de la nature du gap de SmB6.

Les oxydes doubles lamellaires de cobalt et les oxydes de vanadium ont récemment suscité un vifintérêt suite à la découverte de leurs propriétés thermoélectriques prometteuses. Nos efforts visentà synthétiser de nouveaux composés dérivés de ces systèmes en utilisant la synthèse à l'étatsolide, l'échange d'ions et/ou les techniques hydrothermales. Afin de moduler et d'optimiser leurscaractéristiques thermoélectriques, nous avons ajusté la composition des oxydes de cobalt grâce àdes substitutions appropriées. Au sein du dioxyde de vanadium quasi-1D, nous avons considérétrois différentes structures polymorphes : M1, A et B. Nous avons exploré les différents systèmesen construisant l'ensemble des diagrammes de phases. Nous avons également étudié l'effet de lasubstitution du vanadium par le molybdène et le chrome sur la stabilité de ces structurespolymorphes et caractérisé leurs propriétés électroniques en relation avec les mécanismes detransition de phase.