Ce travail de thèse porte sur le développement d'une nouvelle approche pour la localisation et l'organisation de nanocristaux de silicium réalisés par gravure électrochimique. Cette dernière représente une technique simple et peu couteuse [i.e. coûteuse] par rapport aux autres techniques couramment utilisées pour la fabrication de nanocristaux de silicium. L'idée de ce travail a été d'étudier la nanostructuration de minces couches de nitrure de silicium, d'environ 30 nm d'épaisseur pour permettre par la suite un arrangement périodique des nanocristaux de silicium. Cette pré-structuration est obtenue de façon artificielle en imposant un motif périodique via une technique de lithographie par faisceau d'électrons combinée avec une gravure plasma. Une optimisation des conditions de lithographie et de gravure plasma ont permis d'obtenir des réseaux de trous de 30 nm de diamètre débouchant sur le silicium avec un bon contrôle de leur morphologie (taille, profondeur et forme). En ajustant les conditions de gravure électrochimique (concentration d'acide, temps de gravure et densité de courant), nous avons obtenu des réseaux -2D ordonnés de nanocristaux de silicium de 10 nm de diamètre à travers ces masques de nanotrous avec le contrôle parfait de leur localisation, la distance entre les nanocristaux et leur orientation cristalline. Des études électriques préliminaires sur ces nanocristaux ont permis de mettre en évidence des effets de chargement. Ces résultats très prometteurs confirment l'intérêt des nanocristaux de silicium réalisés par gravure électrochimique dans le futur pour la fabrication à grande échelle de dispositifs nanoélectroniques.

Cette thèse est consacrée à l'étude des modes acoustiques de nanostructures en réseaux. Les fréquences de vibration de nanostructures se situent dans la gamme hypersonore (1GHz-1THz). Leur organisation en réseau de pas sub-micronique implique l'existence de modes acoustiques collectifs dans cette même gamme de fréquences. L'objet de ce travail est la mise en évidence de ces modes. Nous avons utilisé la lithographie électronique pour réaliser des réseaux à deux dimensions de nano-cubes métalliques. Leurs vibrations ont été résolues en temps par acoustique picoseconde. Cette technique de pompe-sonde optique permet d'exciter et de détecter des ondes acoustiques de fréquences hypersonores. Deux catégories de modes acoustiques ont été mises en évidence. Les modes individuels de vibration des cubes et les modes collectifs de l'ensemble. Les modes collectifs sont étudiés dans des séries de réseaux de différents pas. Leur propagation a lieu dans le plan des réseaux suivant un ensemble discret de vecteurs d'ondes. Un modèle analytique permet de reproduire leur fréquence en fonction des paramètres géométriques et élastiques du système. Enfin la détection de ces modes relève d'un mécanisme inédit, probablement lié à l'excitation de plasmons de surface dans l'échantillon.

Ce travail de thèse a porté sur la réalisation d'un capteur d'espèces biologiques en solution à partir de réseaux organisés de nanofils de silicium opérant sur le mode d'un transistor à effet de champ à "grille biologique". Cette nouvelle génération de biocapteurs vise à être intégrée dans des systèmes de détection ultrasensibles et compacts destinés à des applications médicales et militaires. Nous proposons la réalisation des transistors à nanofils de silicium suivant une approche dite "top-down". Cette méthode, qui consiste à graver les nanofils dans une couche mince de silicium, permet un contrôle précis de leur positionnement, contrairement à l'approche "bottom-up", qui utilise des nanofils obtenus par croissance CVD. Ceci permet l'obtention de transistors aux caractéristiques électriques reproductibles et facilite leur intégration. La première partie de nos travaux a ainsi concerné le design et la fabrication de transistors à nanofils de silicium suivant une approche top-down. Ce travail de développement technologique a permis la réalisation de composants que nous avons caractérisés à sec puis adaptés à un fonctionnement en milieu liquide. La seconde partie de nos travaux a porté sur la réalisation de mesures en solution. La validation du fonctionnement de notre transistor en mode capteur a été démontrée par le suivi de variations de pH. Notre étude a ensuite eu pour objet la mise en valeur de l'ensemble des paramètres influençant les performances du capteur (choix de la tension de grille, de la force ionique, influence de la microfluidique, ...), la compréhension de ces facteurs étant indispensable à la réalisation de mesures biologiques fiables.

Depuis l'apparition du premier circuit intégré, le nombre de composants constituant une puce électronique n'a cessé d'augmenter tandis que les dimensions des composants ont continuellement diminué. Pour chaque nouveau nœud technologique, les procédés de fabrication se sont complexifiés pour permettre cette réduction de taille. L'étape de lithographie est une des étapes la plus critique pour permettre la miniaturisation. La technique de lithographie qui permet la production en masse est la lithographie optique par projection. Néanmoins cette technologie approche de ses limites en résolution et l'industrie cherche de nouvelles techniques pour continuer à réduire la taille des composants. Les candidats sont l'écriture en plusieurs passes, la lithographie EUV, l'écriture directe, la nano-impression ou l'auto-organisation dirigée. Même si ces alternatives reposent sur des principes très différents, chacune a en commun l'utilisation de la lithographie électronique à un moment ou à un autre de leur réalisation. La lithographie électronique est sujette à des phénomènes spécifiques qui impactent la résolution finale, tels la diffusion des électrons, le « fogging », la diffusion d'acide, la CMP etc… La solution choisie par l'industrie pour tenir compte de tous ces phénomènes est de les prévoir puis de les compenser. Cette correction nécessite de les prédire à l'aide de modélisation, la précision de ces modèles décrivant les procédés étant primordiale. Dans cette thèse, les concepts de base permettant de développer un modèle sont présentés. L'évaluation de la qualité des données, la méthodologie de choix d'un modèle ainsi que la validation de ce model sont introduites. De plus, les concepts d'analyse de sensibilité locale et globale seront définis. L'état de l'art des stratégies utilisées ou envisagées pour les procédés lithographiques actuels ou futurs sont énoncés, chacune des principales étapes lithographiques étant détaillée. Les modèles tenant compte de la physique et de la chimie impactant sur la résolution après écriture par e-beam sont étudiés. De plus, les modèles compacts permettant de prédire les résultats obtenus par e-beam seront détaillés, pour finalement décrire les limitations des stratégies actuelles. De nouveaux modèles compactes sont proposés en introduisant de nouvelles familles de fonctions telles que les fonctions Gamma ou les fonctions de Voigt. De plus, l'utilisation des fonctions d'interpolations de type Spline sont également proposés. Un modèle résine d'utilisation souple a également été développé pour tenir compte de la plupart des comportements expérimentaux observés en évaluant les dimensions de motifs d'un dessin en utilisant des métriques appropriés. Les résultats obtenus en utilisant de telles méthodes montrent une amélioration de la précision de la modélisation, notamment en ce qui concerne les motifs critiques. D'autres modèles spécifiques permettant de décrire les effets d'extrême longue portée ou permettant de compenser les déviations entre deux procédés sont également décrits dans ce travail. Le choix du jeu de motifs de calibration est critique pour permettre à l'algorithme de calibration d'obtenir des valeurs robustes des paramètres du modèle. Plusieurs stratégies utilisées dans la littérature sont brièvement décrites avant l'introduction d'une technique qui utilise l'analyse de sensibilité globale basée sur la variance afin de sélectionner les types de géométries optimales pour la calibration. Une stratégie permettant la sélection de ces motifs de calibration est détaillée. L'étude de l'impact du procédé et des incertitudes de mesures issue de la métrologie est également abordée, ce qui permet d'énoncer les limites à attendre du modèle sachant que les mesures peuvent être imprécises. Finalement, des techniques permettant de s'assurer de la qualité d'un modèle sont détaillées, telle l'utilisation de la validation croisée. La pertinence de ces techniques est démontrée pour quelques cas réel. / Since the development of the first integrated circuit, the number of components fabricated in a chip continued to grow while the dimensions of each component continued to be reduced. For each new technology node proposed, the fabrication process had to cope with the increasing complexity of its scaling down. The lithography step is one of the most critical for miniaturization due to the tightened requirements in both precision and accuracy of the pattern dimension printed into the wafer. Current mass production lithography technique is optical lithography. This technology is facing its resolution limits and the industry is looking for new approaches, such as Multi-patterning (MP), EUV lithography, Direct Write (DW), Nano-imprint or Direct Self-Assembly (DSA). Although these alternatives present significant differences among each other, they all present something in common: they rely on e-beam writers at some point of their flow. E-beam based lithography is subject to phenomena that impact resolution such as are electron scattering, fogging, acid diffusion, CMP loading, etc. The solution the industry adopted to address these effects is to predict and compensate for them. This correction requires predicting the effects, which is achieved through modeling. Hence the importance of developing accurate models for e-beam process. In this thesis, the basic concepts involving modeling are presented. Topics such as data quality, model selection and model validation are introduced as tools for modeling of e-beam lithography. Moreover, the concepts of local and global sensitivity analysis were also presented. Different strategies of global sensitivity analysis were presented and discussed as well as one of the main aspects in its evaluation, which is the space sampling approach. State-of-the-art strategies for todays and future lithography processes were presented and each of their main steps were described. First Principle models that explain the physics and chemistry of the most influential steps in the process resolution were also discussed. Moreover, general Compact models for predicting the results from e-beam lithography were also presented. Finally, some of the limitations of the current approach were described. New compact models described as Point-Spread-Function (PSF) are proposed based on new distributions, such as Gamma and Voigt. Besides, a technique using Splines for describing a PSF is also proposed. Moreover, a flexible resist model able to integrate most of the observed behavior was also proposed, based on evaluating any pattern on the layout using metrics. Results using such method further improved the any of the PSF distribution approach on the critical features that were limiting the future technology nodes. Other specific models and strategies for describing and compensating for extreme-long-range effects and for matching two different fabrication processes are also proposed and described in this work. The calibration layout is a key factor for providing the calibration algorithm with the experimental data necessary to determine the values of each of the parameters of the model. Several strategies from the literature were briefly described before introducing one of the main propositions of this thesis, which is employing variance-based global sensitivity analysis to determine which patterns are more suitable to be used for calibration. A complete flow for selecting patterns for a calibration layout was presented. A study regarding the impact of process and metrology variability over the calibration result was presented, indicating the limits one may expect from the generated model according to the quality of the data used. Finally, techniques for assuring the quality of a model such as cross-validation were also presented and demonstrated in some real-life situations.

Un des défis majeurs auquel la communauté de la nano-optique aura à répondre dans les années à venir sera de concentrer l'énergie lumineuse à l'échelle du nanomètre de façon à créer une nanosource optique ou thermique intense à même d'alimenter de futurs dispositifs. Les nanoparticules métalliques, supportant une résonance plasmon de surface, sont idéales pour de telles applications. Dans ce contexte, cette thèse a pour vocation d'apporter un élément de réponse aux problématiques d'optimisation thermique aux échelles nanométriques et de proposer une nouvelle technique de nanothermométrie. A l'aide de simulations numériques, nous avons pu mettre en évidence les propriétés de génération de chaleur des nitrures de titane et de zirconium, dépassant celle de l'or, qui en font alors des matériaux de choix pour concevoir et fabriquer des nanosources thermiques dans le visible. Nous avons également obtenu une morphologie de particules induisant un échauffement maximal pour une longueur d'onde donnée : une nanoétoile à trois branches. Nous avons ensuite fabriqué des nanostructures d'or par lithographie électronique afin de les caractériser par holographie photothermique. En utilisant les deux types d'informations accessibles avec cette technique, l'amplitude et la phase optique, nous nous sommes alors efforcés à quantifier l'élévation de température de nanobâtonnets d'or. L'holographie photothermique d'amplitude a permis d'obtenir des mesures de température semi-quantitatives et, la technique de phase, encore préliminaire, se révèle intéressante et innovante pour étudier les propriétés thermoplasmoniques de nanostructures plasmoniques. / Focusing light on the nanoscale in order to create intense optical or thermal nanosources is probably the main challenge facing the nano-optics community, in order to power up future devices. Metallic nanoparticles and their surface plasmon resonance are ideal optical or thermal nanosources.In this context, this thesis aims at providing a possible solution to the issues of thermal optimization at the nanoscale and nanothermometry.By carrying out numerical simulations, we were able to highlight the heat generation properties of titanium and zirconium nitrides, exceeding those of gold, which make them ideally suited in order to conceive and fabricate heat nanosources in the visible. We also managed to obtain a particle morphology inducing a maximum heating at a given wavelength : a three-branchs nanostar.We fabricated gold nanostructures by e-beam lithography in order to characterize them with photothermal holography. By exploiting the two kind of informations available with this far-field optical technique, the amplitude and the optical phase, we strove to quantify the temperature variations of gold nanorods. The photothermal holography setup based on amplitude delivered semi-quantitative temperature measurements, and the phase based-technique, still at a preliminary stage of developpement, proves to be a new and promising tool for the study of optical and thermal properties of plasmonic nanostructures.

Les travaux de la thèse ont porté sur l'étude, la réalisation, la caractérisation et la modélisation de films 2D à base de nanotubes de carbone. Dans le premier chapitre nous avons présenté des généralités sur les nanotubes de carbone. Ensuite, nous nous sommes intéressés aux jonctions nanotube-nanotube et plus particulièrement à la modélisation du transport dans les différents types de jonction (M/M), (M/SC) et (SC/SC). Avec le deuxième chapitre nous avons entamé l'étude des films 2D à base de nanotubes de carbone. Dans un premier temps nous nous sommes intéressés au transport électrique dans ces structures fortement inhomogènes, en particulier en décrivant les modèles analytiques rendant compte du phénomène de percolation tant au niveau de la conductance que du bruit en 1/f. La seconde partie du chapitre est entièrement consacrée à la fabrication et la caractérisation physico-chimique des films 2D L'objectif principal du troisième chapitre est la modélisation des films 2D de nanotubes de carbone. Par rapport aux autres modèles utilisés dans la littérature, le modèle développé dans cette partie est le seul à prendre en compte la nature physique de chaque jonction tube-tube : (M/M) ou (M/SC) ou (SC/SC). Notre modèle prend ainsi en compte les non linéarités des jonctions. La résolution numérique de ce système est optimisée : i) en utilisant la technique MNA, technique dont le principe consiste à linéariser chaque dipôle du circuit. ii) en parallélisant les calculs sur un cluster informatique d'une centaine de cœurs. Pour le calcul du bruit la même technique est utilisée mais avec, dans ce cas, l'utilisation de la méthode du réseau adjoint. Dans le quatrième chapitre, nous avons, dans un premier temps, présentés et analysés nos résultats expérimentaux concernant la mesure de la conductance et du bruit en 1/f. Quelles que soient les conditions de dépôt nous avons toujours observé un comportement de type percolation au niveau des grandeurs mesurées, conductance et niveau de bruit en 1/f. Nous avons utilisé les paramètres d'ajustement des lois de percolation pour comparer et analyser nos résultats. Il en ressort que l'impact du surfactant sur l'homogénéité de la solution, se retrouve au niveau des résultats électriques des couches déposées, montrant l'avantage d'utiliser du sel biliaire. Quant à l'influence de la densité des tubes, comme attendu, la conductance augmente avec celle-ci. Par contre nous avons remarqué que le bruit en 1/f était beaucoup plus sensible à ce paramètre, avec en particulier un changement significatif au niveau des paramètres de percolation en bruit mis en évidence à forte densité de nanotubes. La deuxième partie de ce chapitre est dédiée à la simulation des paramètres électriques de nos structures expérimentales. Nous avons paramétré l'énergie et la largeur des barrières de potentiel entre chaque jonction. Ces paramètres sont ajustés à partir des résultats expérimentaux et sont fonction de la nature du surfactant. Les résultats de ces simulations concernant la conductance et le niveau de bruit en 1/f s'accordent avec les mesures et dans tous les cas les lois de percolation macroscopique sont respectées, ce qui valide nos modèles ainsi que la possibilité d'intégrer de façon réaliste la différence structurale des surfactants. Pour rendre compte de la déviation de la loi macroscopique de percolation du bruit en 1/f, observée sur les films déposés à partir de solution à forte densité de surfactant, nous avons au niveau des simulations introduit et modulé le nombre d'amas (clusters) de nanotubes en fonction de la densité des couches. Là encore le bon accord observé avec les résultats expérimentaux nous permet de valider la présence d'inhomogénéités dues aux clusters de nanotubes dans nos dépôts. / In this thesis we have focused on the fabrication, the characterization, and the modeling of 2D films based on carbon nanotubes.In the first chapter, we have presented general informations on carbon nanotubes. Then we are interested in the nanotube-nanotube junctions and particularly the modeling of transport in different types of junction (M/M), (M/SC) and (SC/SC).In the second chapter we have presented a study of 2D films based on carbon nanotubes. At first we present the electrical transport in these structures strongly inhomogeneous, especially in describing the analytical models accounting for the percolation phenomenon both in the conductance and 1/f noise. The second part of the chapter is devoted entirely to the manufacture and physico-chemical characterization of 2D films.The main objective of the third chapter is the modeling of 2D films of carbon nanotubes. Compared to other models described in the literature, the model developed in this section is the only one that take into account the physical nature of each tube-tube junction (M/M) or (M/SC) or (SC/SC). Our model takes into account the junction nonlinearity. The numerical solution of the system is optimized: i) using the MNA technique whose principle is to linearize each dipole in the circuit. ii) parallelizing computations on a computer cluster of a hundred core. For the noise simulation, the same technique is used but in this case, we have used the adjoint network method. In the fourth chapter, we have, at first, presented and analyzed our experimental results for conductance and 1/f noise. Whatever the deposition conditions we always observed a percolation-like behavior of our results. We used the fitting parameters of the percolation laws to compare and analyze our results. It appears that the impact of the surfactant on the homogeneity of the solution is found in the electrical measurement results of deposited films. As for the influence of the density of the tubes, as expected, the conductance increases with the increase of nanotubes density. We noticed that the 1/f noise was much more sensitive to this parameter, with in particular a significant change in the noise percolation parameters revealed at high density of nanotubes. The second part of this chapter is dedicated to the simulation of the electrical parameters of our experimental structures. These parameters are adjusted on the basis of experimental results and are based on the nature of the surfactant. The results of these simulations for the conductance and 1/f noise agree with measurements and in all cases the macroscopic percolation laws are respected, which validate our models. To bring to the fore the deviation from the noise percolation law observed in films deposited from solution with a high density of surfactant, we have introduced in our simulated structures a number of clusters of nanotubes according to the density of the deposited layers. Once again we observed a good agreement with the experimental results allowing us to validate the presence of clusters of nanotubes in our deposited films.

Une étude de l'induction d'une anisotropie magnétique d'origine magnétostatique dans une couche mince magnétique (Ni81Fe19) à topologie modulée a été effectuée grâce aux observations réalisées à l'aide de mesures de magnéto-transport (AMR). La modulation à l'échelle nanométrique est obtenue avec une nouvelle approche basée sur la lithographie électronique. La présence d'une anisotropie uniaxiale orientée parallèlement à la modulation a été mise en évidence. Ce denier a permis la définition de deux axes orthogonaux d'anisotropie dans un même substrat et l'exploration de la faisabilité d'un capteur de champ magnétique bidimensionnel. Une géométrie de capteur à Effet Hall Planaire est proposée.<br />Le développement et la fabrication d'un dispositif permettant l'étude de la propagation d'une paroi de domaines dans une piste submicronique effectué sur une vanne de spin ont été accomplis. Dans ces dispositifs, la position de la paroi est déterminée par la mesure de la magnétorésistance géante (GMR). L'étude systématique des champs d'injection et de dépiégeage a montré l'existence une asymétrie de la propagation de la paroi entre les transitions P -> AP et AP -> P. Il a été montré, grâce à une série de simulations micro magnétiques, que cette asymétrie résulte de l'influence du champ dipolaire créé par la couche fixe sur les configurations adoptées par la paroi dans la couche libre. Des mesures de relaxation de temps ont permis d'obtenir la probabilité cumulée de dépiégeage de la paroi à partir de la constriction. Une variété de comportements a été ainsi mise en évidence.

Les récents concepts de la nanophotonique et les progrès considérables des procédés de réalisation de la microélectronique devraient conduire à l'émergence de nouvelles générations de composants optiques. L'objectif de cette thèse est ainsi de proposer des filtres optiques innovants, répondant aux besoins des communications spatiales à 0.85 µm, et susceptibles de lever les limitations des filtres usuels, en particulier en termes de largeur spectrale, sensibilité à la polarisation, fonctionnement en incidence oblique et ajustement spectral. Le travail de thèse porte sur la conception, fabrication et caractérisation de filtres à réseaux résonants associant un empilement multicouche et une nanostructuration de surface bidimensionnelle. A partir de la modélisation électromagnétique de la structure, une méthodologie de conception est développée et permet d'établir les paramètres caractéristiques de la maille photonique. Un procédé de fabrication comportant les étapes de dépôt de couches minces, lithographie électronique et gravure sèche est mis au point. Les composants fabriqués présentent des caractéristiques qui sont à l'état de l'art en incidence normale (largueur spectrale de 0.4 nm, réflexion à la résonance de 55%...) et en incidence oblique à ~60° (largeur spectrale < 0.8 nm, indépendance à la polarisation, accordabilité). L'aspect générique du procédé de réalisation et des performances obtenues permettent de considérer que ces filtres seront d'excellents candidats pour remplacer les filtres multi-couches conventionnels. De plus, la compatibilité de leur procédé de fabrication avec ceux de la microélectronique ouvre la voie à des fonctions optiques intégrées avancées.

Nous présentons une étude expérimentale et théorique sur la nucléation et l'évolution de la supraconductivité au voisinage d'un microtrou dans une couche mince. Sous champ magnétique la température critique d'une couche perforée est plus élevée que celle d'une couche sans trou et montre deux types d'oscillations quan tiques.

Dans cet ouvrage, nous présentons une étude du transport électronique dans un îlot métallique diffusif en contact avec deux électrodes supraconductrices. Nous avons mis au point un nouveau procédé de fabrication qui permet de réaliser ces jonctions niobium – cuivre – niobium avec des interfaces métalliques très transparentes. Les électrodes supraconductrices en niobium présentent alors une température critique proche de celle du supraconducteur massif. En préambule aux mesures de transport nous caractérisons les jonctions longues et diffusives par une étude quantitative théorique et expérimentale du couplage Josephson continu. Quand une tension est appliquée aux bornes de la jonction, la différence de phase entre les deux supraconducteurs oscille à très haute fréquence et la distribution des électrons est portée hors de l'équilibre thermodynamique. Nous mesurons une forte variation de conductance continue de la jonction qui est liée à la relaxation des électrons du métal normal via les collisions inélastiques. Nous avons ensuite réalisé une mesure de la conductance quand la jonction est irradiée avec une onde hyperfréquence. L'ïlot se comporte comme une cavité résonante à la fréquence Josephson. Le couplage de l'onde avec cette cavité fait apparaître les paliers Shapiro quand la tension atteint V=nhw/2e. Ces paliers sont caractéristiques de l'oscillation sinusoïdale du supercourant Josephson. Au-dessus d'une certaine température, il apparaît en plus de nombreux paliers fractionnaires. L'amplitude de ces nouveaux paliers persiste à haut température alors que les paliers Shapiro disparaissent très rapidement. Nous orientons la discussion en terme de contributions hors-équilibre au courant Josephson alternatif.