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.

Les architectures des dispositifs Silicium-Sur-Isolant (SOI) représentent des alternatives attractives par rapport à celles en Si massif grâce à l'amélioration des performances des transistors et des circuits. Dans ce contexte, les plaquettes SOI doivent être d'excellente qualité.Dans cette thèse nous développons des nouveaux outils de caractérisation électrique et des modèles pour des substrats SOI avancés. La caractérisation classique pseudo-MOSFET (pseudo-MOSFET) pour le SOI a été revisitée et étendue pour des mesures à basses températures. Les variantes enrichies de pseudo-MOSFET, proposées et validées sur des nombreuses géométries, concernent des mesures split C-V et des mesures bruit basse fréquence. A partir des courbes split C-V, une méthode d'extraction de la mobilité effective a été validée. Un modèle expliquant les variations de la capacité avec la fréquence s'accorde bien avec les résultats expérimentaux. Le pseudo-MOSFET a été aussi étendu pour les films SOI fortement dopés et un modèle pour l'extraction des paramètres a été élaboré. En outre, nous avons prouvé la possibilité de caractériser des nanofils de SiGe empilés dans des architectures 3D, en utilisant le concept pseudo-MOSFET. Finalement, le SOI ultra-mince dans la configuration pseudo-MOSFET s'est avéré intéressant pour la détection des nanoparticules d'or.

Du fait de leurs fortes propriétés non-linéaires, les structures photoniques semi-conductrices sont très intéressantes pour le traitement tout-optique du signal. La structuration à petite échelle permet de localiser la lumière et donc d'exalter les phénomènes non-linéaires, mais avec un pouvoir d'exaltation différent suivant l'ordre de la non-linéarité, introduisant ainsi une nouvelle hiérarchie des régimes d'interaction. Après une description théorique présentant le renforcement des processus non- linéaires par la localisation dans les semi-conducteurs, nous démontrons expérimentalement et quantitativement, pour la première fois, l'influence de la localisation sur l'exaltation des non- linéarités telles que l'effet Kerr, l'absorption à deux photons et les effets de porteurs libres, par l'étude d'un guide à cristal photonique de GaAs. Nous résolvons le problème de l'amplification Raman d'impulsions dans un nanoguide de silicium, en développant un modèle analytique permettant de montrer l'influence des effets de modulation de la phase non-linéaire sur la chute du gain Raman effectif dans le silicium. Ce modèle est validé expérimentalement. Finalement, nous abordons l'application de la localisation à la commutation non- linéaire tout-optique. Nous introduisons la notion de longueurs non-linéaire de commutation et d'absorption permettant d'étudier différents matériaux. Nous montrons que la commutation par effet Kerr pur est impossible pour le Si et le GaAs (contrairement à l'AlGaAs et au GaN), mais qu'une commutation par effet de porteurs libres y est envisageable pour certaines géométries de microstructures.

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. / Lamellar cobalt double oxides and vanadium oxides have recently attracted tremendous interestafter the discovery of their interesting thermoelectric properties. Our efforts aimed at synthesizingnovel related compounds using standard solid state, ion exchange and/or hydrothermaltechniques. In order to modulate and optimize their thermoelectric characteristics, we have tunedthe composition of cobalt double oxides by appropriate substitutions. In quasi 1D vanadiumoxides, the interplay between spin, charge and orbital degrees of freedom often leads toremarkable properties. Here we dealt with three different polymorphs of vanadium dioxide,namely M1, A and B. We explored the several novel systems by constructing systematic phasediagrams. We also studied the effect of Mo and Cr:V substitution on the stability of thesepolymorphs and characterized their electronic properties in relation with the structural phasetransition mechanisms. Finally, we explored their potentiality for thermoelectric applications.

Cette thèse est consacrée à l'étude du transport électronique dans des modèles désordonnés non ergodiques, dans le cadre de la théorie des opérateurs de Schrödinger aléatoires.Pour commencer, nous reformulons l'outil principal pour notre étude, l'analyse multi-échelles, dans le cadre non ergodique. Nous établissons les conditions d'homogénéité que l'opérateur doit vérifier pour appliquer cette méthode. Ensuite, nous étudions les propriétés spectrales des opérateurs de Delone-Anderson non ergodiques. Ces systèmes modélisent l'énergie d'une particule en interaction avec un milieu dont la structure atomique est quasi-cristalline et la nature des impuretés est désordonnée. Dans le cas où les mesures de probabilité associées au potentiel de simple site sont régulières, en dimension 2 et sous l'effet d'un champ magnétique, nous établissons une transition métal-isolant et l'existence d'une énergie de mobilité qui sépare les régions de localisation et de délocalisation dynamiques. Pour des mesures de simple site régulières et celle de Bernoulli, nous démontrons la localisation dynamique en bas du spectre. De plus, nous obtenons une description quantitative de la région de localisation dynamique en termes de paramètres géométriques de l'ensemble de Delone de base.Nous concluons ce travail avec l'étude de la densité d'états intégrée pour des modèles de Delone-Anderson, en combinaison avec des outils de la théorie des systèmes dynamiques associés aux quasi-cristaux. Sous certaines conditions sur la géométrie de l'ensemble de Delone sous-jacent, nous montrons l'existence de la densité d'états intégrée. De plus, dans le cas d'une perturbation de Delone-Anderson du Laplacien libre, nous démontrons qu'elle a un comportement asymptotique de Lifshitz en bas du spectre. / His thesis is devoted to the study of electronic transport in non ergodic disordered models, in the framework of random Schrödinger operators.We start by reformulating the main tool in our study, the multiscale analysis, in the non ergodic setting. We establish suitable homogeneity conditions on the operator, in order to apply this method.Next, we study the spectral properties of non ergodic Delone-Anderson operators. These models represent a particle interacting with a medium whose atomic structure is quasi-crystalline and the nature of its impurities is disordered. In the case where the probability measures associated to the single-site potential are regular, in dimension 2 and under the effect of a magnetic field, we establish a metal-insulator transition and the existence of a mobility edge that separates the localization and delocalization regions. In arbitrary dimension, for regular and for Bernoulli single-site measures, we show dynamical localization at the bottom of the spectrum. Moreover, we obtain a quantitative lower bound on the size of the localization region in terms of the geometric parameters of the underlying Delone structure.We conclude this essay by studying the integrated density of states for Delone-Anderson models, using tools from the theory of dynamical systems associated to quasicrystals. Under certain conditions on the geometry of the underlying Delone set, we show the existence of the integrated density of states. Furthermore, in the case of a Delone-Anderson perturbation of the free Laplacian, we show it exhibits Lifshitz tails at the bottom of the spectrum.

Tunnel à effet de champ (TFET) et un nouveau composant MOS à rétroaction que nous avons nommé le Z2-FET.Le Z2-FET est envisagé pour la logique faible consommation et pour les applications mémoire compatibles avecles technologies CMOS avancées. Nous avons étudié de manière systématique des TFETs avec différents oxydesde grille, matériaux et structures de canal, fabriqués sur silicium sur isolant totalement déserté (FDSOI). Lesmesures de bruit à basse fréquence (LFN) sur TFETs montrent la prédominance d'un signal aléatoiretélégraphique (RTS), qui révèle sans ambiguïté le mécanisme d’effet tunnel. Un modèle analytique combinantl’effet tunnel et le transport dans le canal a été développé, montrant un bon accord entre les résultatsexpérimentaux et les simulations.Nous avons conçu et démontré un nouveau dispositif (Z2-FET, pour pente sous le seuil verticale et zéroionisation par impact), qui présente une commutation extrêmement abrupte (moins de 1 mV par décade decourant), avec un rapport ION / IOFF >109, un large effet de hystérésis et un potentiel de miniaturisation jusqu'à 20nm. La simulation TCAD a été utilisée pour confirmer que la commutation électrique du Z2-FET fonctionne parl'intermédiaire de rétroaction entre les flux des électrons et trous et leurs barrières d'injection respectives. LeZ2-FET est idéalement adapté pour des applications mémoire à un transistor. La mémoire DRAM basée sur leZ2-FET montre des performances très bonnes, avec des tensions d'alimentation jusqu'à 1,1 V, des temps derétention jusqu'à 5,5 s et des vitesses d'accès atteignant 1 ns. Une mémoire SRAM utilisant un seul Z²-FET estégalement démontrée sans nécessité de rafraichissement de l’information stockée.Notre travail sur le courant GIDL intervenant dans les MOSFETs de type FDSOI a été combiné avec leTFET afin de proposer une nouvelle structure de TFETs optimisés, basée sur l'amplification bipolaire du couranttunnel. Les simulations de nouveau dispostif à injection tunnel amélioré par effet bipolaire (BET-FET) montrentdes résultats prometteurs, avec des ION supérierus à 4mA/��m et des pentes sous le seuil SS inférieures à 60mV/dec sur plus de sept décades de courant, surpassant tous les TFETs silicium rapportés à ce jour.La thèse se conclut par les directions de recherche futures dans le domaine des dispositifs à pente sous leseuil abrupte. / This thesis is dedicated to studying sharp switching devices, including the tunneling field-effect-transistor(TFET) and a new feedback device we have named the Z2-FET, for low power logic and memory applicationscompatible with modern silicon technology. We have extensively investigated TFETs with various gate oxides,channel materials and structures, fabricated on fully-depleted silicon-on-insulator (FD-SOI) substrates.Low-frequency noise (LFN) measurements were performed on TFETs, showing the dominance of randomtelegraphy signal (RTS) noise, which reveals the tunneling mechanism. An analytical TFET model combiningtunneling and channel transport has been developed, showing agreement with the experimental and simulationresults.We also conceived and demonstrated a new device named the Z2-FET (for zero subthreshold swing andzero impact ionization), which exhibits extremely sharp switching with subthreshold swing SS < 1 mV/dec,ION/IOFF current ratio reaching 109, gate-controlled hysteresis and scalability down to 20 nm. The Z2-FEToperates with feedback between carriers flow and their injection barriers. The Z2-FET is used for one-transistordynamic random access memory (DRAM) with supply voltage down to 1.1 V, retention time up to 5.5 s andaccess speed reaching 1 ns. The static RAM (SRAM) application is also demonstrated without the need ofrefreshing stored data.Following our work on gate-induced drain leakage (GIDL) current in short-channel FD-SOI MOSFETs andon TFET operating mechanisms, we propose a new class of optimized TFETs with enhanced ION, based on thebipolar amplification of the tunneling current. Simulations of the bipolar-enhanced tunneling FET (BET-FET),combining the TFET with a heterojunction bipolar transistor, show promising results, with ION > 4×10-3 A/��mand SS < 60 mV/dec over 7 decades of current, outperforming all silicon-compatible TFETs reported to date.The thesis concludes with future research directions in the sharp-switching device arena.

Des spécificités de la technologie SOI partiellement désertée (PD-SOI), comme son gain en vitesse, et l'isolation diélectrique des transistors, sont intéressantes pour la conception d'interfaces entrées/sorties. Toutefois, l'emploi de cette technologie conduit à des phénomènes indésirables tels que l'effet d'histoire, une consommation statique accrue et l'effet d'auto-échauffement. Dans ce travail, une analyse de ces effets a été menée. L'influence de l'auto-échauffement s'est révélée négligeable. Un schéma électrique employant un mécanisme de polarisation active a été proposé afin de supprimer l'effet d'histoire et de contrôler la consommation statique tout en conservant un gain en vitesse. Le circuit de test, en 65nm PDSOI de STMicroelectronics, montre que la solution proposée permet d'améliorer la gigue du temps de propagation lors d'une transmission. La deuxième partie de ce travail s'intéresse à la technologie SOI totalement désertée (FDSOI). Cette dernière apporte un meilleur contrôle électrostatique des transistors et un degré de liberté supplémentaire en conception par le contrôle de leurs tensions de seuil via la face arrière. Dans un premier temps, cette caractéristique a été validée pour les entrées/sorties sur un circuit fabriqué en 28nm FDSOI de STMicroelectronics. Elle a été ensuite exploitée pour la calibration de l'impédance de sortie d'une interface LPDDR2 et la compensation des fluctuations environnementales. La solution proposée dans ce travail tire profit de la modulation par face arrière pour réaliser la calibration durant la transmission, contrairement à l'état de l'art, ce qui a pour effet d'augmenter la bande passante. / The characteristics of Partially-Depleted SOI (PD-SOI) technology, as its speed improvement and the dielectric isolation of the transistors, turn to be interesting for input/output interface. However, using this technology leads to side effects, such as history effect, higher static consumption and self-heating effect. In this work, an analysis of these effects was carried out. Self-heating appears to be negligible. To address the two other effects, a solution with active body control has been proposed in order to suppress the history effect and to reduce the static consumption while keeping the speed improvement. The test chip, processed in PDSOI 65nm from STMicroelectronics, shows that the proposed solution improves the jitter during transmission. The second part of this work involves Fully-Depleted SOI (FD-SOI) technology. This technology brings a better electrostatic control of transistors and an additional degree of freedom for circuit design, thanks to threshold voltage control through back biasing. First, this feature has been validated on input/output circuit processed in FD-SOI 28nm from STMicroelectronics. Then, back biasing has been exploited for output impedance calibration and for environmental fluctuation compensation, based on LPDDR2 standard. The proposed solution in this work takes benefit of the impedance modulation through back biasing in order to perform the calibration during transmission, as opposed to the state-of-the-art techniques. Thus, the overall communication data rate increases.

En France, le secteur du bâtiment est le plus grand consommateur d'énergie et représente environ 43% de la consommation totale d'énergie. L'isolation thermique dans le bâtiment est nécessaire afin d'améliorer son efficacité énergétique. Dans certains pays dont la France, la rénovation des bâtiments occupe une place essentielle dans la stratégie de transition énergétique. La stratégie mise en place consiste donc à renforcer l'isolation thermique des enveloppes de bâtiment et ceci en perdant le moins de surface habitable possible. Ceci justifie le fait de développer et de mettre en œuvre à l'avenir des matériaux super isolants comme les aérogels. Les objectifs de cette étude sont d'examiner le comportement thermique des bâtiments et d'étudier l'amélioration possible de leur efficacité énergétique en utilisant un nouvel enduit isolant à base d'aérogels de silice et ainsi que l'énergie solaire. Tout d'abord, la performance thermique et hygrothermique des murs extérieurs est étudiée afin de trouver la meilleure structure de ces murs. Deuxièmement, nous étudions l'évolution du confort thermique et du comportement énergétique des maisons en adoptant le nouvel enduit isolant comme isolation extérieure. Cette évolution a aussi été représentée par un modèle mathématique. On a comparé les résultats obtenus à l'aide de ces modèles avec les mesures expérimentales faites sur une maison récemment construite. Enfin, le potentiel de réduction de la charge de chauffage en adoptant un système actif dans la paroi est analysé. Ce système est proposé pour capter une partie de l'énergie solaire qui tombe sur la façade sud et qui est disponible pendant les journées non nuageuses en hiver, et la transférer vers la façade nord par l'intermédiaire de canalisations d'eau intégrées dans l'enduit isolant objet de l'étude. / In France, the building sector is the largest consumer of energy and accounts for about 43% of the total energy consumption. The building sector offers significant potential for improved energy efficiency through the use of high-performance insulation and energy-efficient systems. For existing buildings, renovation has a high priority in France because these buildings represent a high proportion of energy consumption and they will be present for decades to come. Nowadays, there is a growing interest in the so-called super-insulating materials, such as Aerogels. The objectives of this study are to examine the thermal behavior of buildings and to foster energy efficiency through the use of a newly developed aerogel-based insulating coating as well as the use of renewable energy sources, specifically solar energy. Firstly, the thermal and hygrothermal performance of exterior walls having different layer composition structures are examined. Secondly, the heating energy demand as well as the risk of summer overheating is examined for different construction periods and under different climates. Also, a mathematical model is built and compared to experimental measurement of a recently built full-scale house. Finally, the potential to decrease the heating load by adopting a closed wall loop system is scrutinized. The latter is a proposed system to capture some of the solar energy falling on the south facade available during non-cloudy winter days and transfer it to the north facade through water pipes embedded in the aerogel-based coating.

Ces travaux de recherche portent sur la conception et la réalisation de commutateurs RF basées sur l’intégration de matériaux innovants fonctionnels tels que le dioxyde de vanadium (VO2) et les alliages de chalcogénures de types Ge2Sb2Te5 (GST) et GeTe. Le principe de fonctionnement de ces composants repose sur le changement de résistivité que présentent ces matériaux. Le VO2 possède une transition Isolant-Métal (MIT) autour de 68°C à travers laquelle le matériau passe d’un état isolant (forte résistivité) à un état métallique (faible résistivité). La transition MIT présente l’intérêt de pouvoir être initiée sous l’effet de plusieurs types de stimuli externes (thermique, électrique et optique) avec de faibles temps de commutation. Les alliages de types GST et GeTe ont la particularité de commuter réversiblement entre un état amorphe à forte résistivité à un état cristallin à faible résistivité suite à un traitement thermique spécifique. Les commutateurs à base de GST ou de GeTe présentent l'avantage de pouvoir opérer en mode bistable car le changement de résistivité présenté par ces matériaux est de type non volatile. Les composants réalisés ont de bonnes performances électriques (isolation et pertes d’insertion) sur une large bande. Nos travaux de recherche visent à proposer une solution alternative aux solutions classiques (semi-conducteurs et MEMS-RF) pour réaliser des commutateurs RF qui peuvent être par la suite utilisés dans la conception des dispositifs reconfigurables (filtres, Antennes). / This research work focuses on the design and realization of RF switches based on the integration of new materials such as vanadium dioxide (VO2), Ge2Sb2Te5 (GST) and GeTe chalcogenides alloys. The operating principle of these devices is based on the resistivity change presented by these materials. VO2 exhibits a Metal-Insulator transition (MIT) around 68°C for which the material changes from an insulating state (high resistivity) to a metallic one (low resistivity). The MIT transition can be triggered in different ways (thermally, electrically and optically) with low switching time. GST and GeTe alloys have the particularity to be reversibly switched between a high resistive-amorphous state to low resistive-crystalline state, under a specific heat treatment. Thanks to the non-volatile resistivity change presented by these materials, GST/GeTe-based switches are able to operate in bistable mode. The fabricated devices exhibit good electrical performances (insertion loss and isolation) over a broadband. The aim of our work is to propose an alternative solution to conventional technologies (semiconductors and RF-MEMS), to design RF switches that can be used afterward in the design of reconfigurable devices (filters, antennas).

Ce travail décrit la synthèse et les propriétés gélifiantes de nouveaux dérivés d’acides aminés de faible poids moléculaire dans des solvants organiques ainsi que l’élaboration d’aérogels correspondants par séchage au CO2 supercritique. Nous avons pu montrer, dans notre cas, que seuls les dérivés de la leucine et de la phénylalanine étaient nécessaires au phénomène de gélation. L’étude des paramètres des solvants a permis de montrer que les paramètres de Hansen h des solvants gélifiés s’inscrivaient dans un domaine étroit de valeurs faibles ; il inclut des solvants aromatiques et des solvants chlorés. L’usage de spectroscopies diverses (IR, RMN, dichroïsme circulaire et fluorescence) a permis de mettre en évidence les interactions responsables du phénomène de gélation. Les liaisons hydrogène permettent l’empilement unidimensionnel des molécules gélatrices, ces empilements s’associent ensuite grâce à des interactions de - stacking intercolonnaires. Des aérogels monolithiques ont pu être obtenus. Ils présentent des propriétés remarquables parmi lesquelles une conductivité thermique sous vide extrêmement faible / This work describes the synthesis and the gelation properties of new amino-acid-based low-molecular-weight derivatives in organic solvents as well as the development of the corresponding aerogels by supercritical CO2 drying. We have proved that in our case the presence of phenylalanine or leucine lateral chains were necessary for gelation. A solvent parameters study led us to define a favourable narrow h Hansen parameter domain for gelation including aromatic and chlorinated solvents. The use of several spectroscopy methods (IR, NMR, circular dihroism and fluorescence) allowed to settle the interactions accountable for gelation phenomenon. Hydrogen bonds enable the unidimensional stacking-up of gelator molecules; next, the stacking-up are associated through intercolumnar - stacking interactions. Monolithic aerogels were obtained. They display noteworthy properties among them an extremely low thermal conductivity under vacuum