Thèse doctorat : Physique et Chimie de la Matière et des Matériaux : Nancy 1 : 2004. / Titre provenant de l'écran-titre.

Ce manuscrit présente une étude par microscopie à effet tunnel de surfaces de métaux de transition, dont les propriétés électroniques sont remarquables près du niveau de Fermi. Ces surfaces de métaux nobles, de nickel et de fer, possèdent des états électroniques localisés en surface, magnétiques ou non, fortement ou faiblement dispersifs. Pour ce travail nous avons utilisé la grande résolution spatiale du microscope pour analyser la structure atomique de surface, et également pour repérer et/ou créer des objets uniques nanométriques afin d'en étudier les propriétés électroniques par des mesures de conductance tunnel. Les nanostructures qui sont présentées ici sont souvent le siège d'un confinement électronique qui se traduit par la présence d'interférences quantiques observables sous forme d'ondes stationnaires électroniques par un microscope à effet tunnel. Dans un premier temps, nous présentons du point de vue théorique les propriétés physiques des états électroniques de surface dits de « Shockley » des métaux nobles et leur interaction avec les défauts statiques. Ensuite, nous exposons la méthode de mesure locale des propriétés magnétiques qui nous semble très performante et les résultats préliminaires que nous avons obtenus avec un système de film mince de Fe/Ag(001). La recherche d'échantillon magnétique présentant un état de surface nous a conduit à nous intéresser à un autre type de surface : Ni(111). Nous montrons comment nous pouvons nous servir des effets d'interférences quantiques observées dans des nanostructures de nickel créées par nano-indentation pour caractériser les propriétés électroniques de Ni(111). L'étude suivante concerne le dépôt de couches ultra-minces de Ni/Cu(111). Nous y étudions la chimie de la surface, des effets de diffusion d'atomes, et surtout les propriétés électroniques de nanostructures de nickel et de cuivre. Nous y discutons aussi de l'influence de la présence de Ni et Cu dans ces objets sur leurs propriétés électroniques.

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.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Nanophysique : Toulouse 3 : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 123-130.

La recherche actuelle sur les composants électroniques à l'échelle nano s'oriente vers les matériaux organométalliques. Dans ce contexte, le travail présenté ici s'est focalisé sur la molécule de TbPc2 qui a été étudiée sur différents substrats, afin de déterminer l'effet de ses propriétés géométriques, électroniques et magnétiques en fonction de son environnement. Ainsi, il a été observé qu'au-dessus du substrat d'Au (111) la TbPc2 contient un électron excédentaire délocalisé sur le ligand supérieur qui, en intéragissant avec les électrons de surface, produit une résonance Kondo. Lorsqu'il s'agit de domaines moléculaires, une manipulation moléculaire montre qu'une localisation de spin est générée aux intersections produisant une résonance magnétique. Pour aller plus loin dans la détermination de l'effet de voisinage, un second lanthanide (cérium) a été déposé au-dessus de la molécule de TbPc2, la réponse géométrique, électronique et magnétique du nouveau complexe a été examinée sur différents substrats. / Today's research on the best electronic components at the nanoscale has focused on organometallic materials. In this context, the research presented in this thesis has been performed on TbPc2 molecules that were investigated on various substrates, in order to highlight the environment effect on both geometric, electronic and magnetic properties. It has been observed that on Au (111), the TbPc2 has an excedentary electron delocalized over the upper ligand. This electron interacts with the surface electron sea creating a Kondo resonance.When it comes to a molecular domain, it has been demonstrated throughout a molecular manipulation that a spin localization is made at the molecular intersection regions creating also a magnetic resonance. In order to further investigate the environmental modification, a second lanthanide (cerium) has been deposited over the TbPc2 molecule. The properties of the new complex were deeply investigated on various substrates.

La physique mésoscopique est actuellement dominée par des mesures de transport permettant d'extraire les propriétés électroniques globales des systèmes étudiés. La spectroscopie tunnel permet d'avoir un accès direct à la densité d'états locale (LDOS). Nous pouvons donc sonder les évolutions spatiale des propriétés électroniques notamment à l'interface entre 2 matériaux possédant des propriétés différentes. Au cours de cette thèse, nous avons développé un microscope à sonde locale qui combine microscopie à force atomique (AFM) et microscopie à effet tunnel (STM) et qui fonctionne à 100mK. L'AFM permet de localiser un nanocircuit unique sur un substrat isolant grâce à un Length Extension Resonator (LER). Nous pouvons ensuite mesurer la spectroscopie tunnel locale du nanocircuit conducteur. La résolution énergétique obtenue avec ce système est de 70µeV. Nous avons montré la faisabilité expérimentale d'une telle étude en mesurant l'effet de proximité sur un îlot de cuivre (métal normal) connecté par deux électrodes supraconductrices en aluminium à l'équilibre, hors-équilibre et sous champ magnétique. Nous avons également mesuré la LDOS du graphène sur Ir(111) qui présente des propriétés proches du graphène intrinsèque avec un dopage de type p de l'ordre de 0.34eV. Nous avons observé que ce dopage fluctue spatialement avec la présence de poches de charges avec une taille typique de l'ordre de 9nm. Ces observations sont similaires à des résultats déjà reportés sur des systèmes graphène sur SiO2. Cependant, le profil des poches que nous avons mesuré montre une forte corrélation avec la topographie due à une modulation du potentiel électrostatique induit par le métal sous le graphène. Une analyse plus fine a permis également de réveler la présence d'interférences de quasiparticules se traduisant par une inhomogénéité de la DOS. La taille typique des structures est de l'ordre de la longueur d'onde de Fermi avec une dépendance linéaire avec l'énergie selon E=ħvFk avec vF = 8.3±0.7x10^5m/s proche de la vitesse de Fermi théorique de 1x10^6m/s. Cela met évidence la présence de diffusion intravallée et prouve le caractère de fermions de Dirac sans masse des particules du graphène sur Ir(111). / Mesoscopic physic is currently dominated by transport measurements that extract overall electronic properties of the studied sytstems. Tunneling spectroscopy gives access to the local density of states (LDOS). Hence, we can probe the spatial evolution of the electronic properties especially at the interface between two materials with different properties. During this thesis, we built-up a scanning probe microscope at 100mK that combine both atomic force microscopy (AFM) and scanning tunneling microscopy (STM). AFM helps to locate a single nanocircuit on insulating substrate thanks to a Length Extension Resonator (LER). We can then measure the tunneling spectroscopy on the conductive nanocircuit. The energy resolution of the system is of 70µeV. We show the experimental proof of such a system by measuring the proximity effect in copper island (normal island) connected by two superconducting leads in aluminum at equilibrium, out of equilibrium and with a magnetic field. We also measured the LDOS of graphene on Ir(111) that displays electronic properties close to the one of intrinsic graphene with p-doping of about 0.34eV. We observe spatial inhomogeneities of this doping forming charge puddles with a typical size af about 9nm. Those observations are close to previous results reported on graphene on SiO2. However, the profile of the measured puddles shows a strong correlation with the topography due to the modulation of the electrostatic potential induced by the metal below the graphene. A closer look to the DOS shows quasiparticles interferences forming DOS inhomogeneities. The typical size of the DOS structures is of the order of the Fermi wavelength with a linear dependence with energy as E=ħvFk with vF = 8.3±0.7x10^5m/s which is close to the theoretical Fermi velocity of 1x10^6m/s. This point out the presence intravalley scattering and demonstrate the fact that particles in graphene on Ir(111) are Dirac fermions without mass.

Depuis l'avènement des nanotechnologies, une grande quantité de matériaux sont façonnés à l'échelle du nanomètre par des techniques diverses et l'intégration de ces nanostructures demande une caractérisation de leur structure électronique. La microscopie à effet tunnel est adaptée à ces études car elle permet l'adressage de nanostructures uniques pour mesurer leur structure électronique. <br>Nous rapportons ici l'étude du transport électronique dans deux types de nanostructures: des nanotubes de carbone simple paroi déposés sur une surface d'or et des atomes uniques de silicium sur un substrat de silicium. <br>Dans la première étude, le couplage faible entre un nanotube et le substrat permet d'accéder à la densité d'états unidimensionnelle des nanotubes et autorise la formation de défauts ponctuels, ayant des états localisés dans la bande interdite des nanotubes. Cette modification, réversible, de la structure atomique des nanotubes de carbone amène des opportunités concernant la modification controlée et à volonté de leurs propriétés électroniques. <br>La deuxième étude vise à caractériser la dynamique des porteurs dans une liaison pendante de silicium énergétiquement isolée de tout autre état électronique sur une surface Si(111). L'analyse du transport révèle un courant inélastique mettant en oeuvre la recombinaison non radiative des électrons de la pointe avec des trous capturés par l'état de la liaison pendante, grâce à l'émission de vibrations. La spectroscopie à effet tunnel montre de plus que l'on peut caractériser l'efficacité de capture d'un état quantique unique, en connaissant son niveau d'énergie, sa fonction d'onde, sa section de capture et le couplage électron-phonon.

Lorsqu'un ion projectile inertagit avec une surface, il dépose son énergie tout au long de son trajet. L'énergie déposée conduit à la création d'endommagements et à l'émission de particules secondaires, neutres et chargées. Dans cette thèse, nous avons étudié l'endommagement de surfaces cristallines induit par irradiation aux ions lents et rapides. Nous avons également étudié la pulvérisation d'ions secondaires durant l'irradiation aux ions rapides. Dans le cas d'irradiation aux ions lents multichargés, nous avons déterminé les sections efficaces d'endommagement par ion incident sur les surfaces cristallines de TiO2 et de graphite. Nous avons mis en évidence que l'énergie potentielle du projectile joue un rôle improtant dans l'endommagement de la surface. Par contre, l'étude d'endommagement surfacique du silicium cristallin s'est révelé insensible à l'irradiation aux ions (Xe, Ec = 0,92 MeV), où la perte d'énergie électronique est 12 keV/nm. L'efficacité maximale pour qu'un ion produise une modification à la surface est 0,3 %. Par irradiation aux ions rapides, l'émission d'ions de CaF+ par rapport à l'émission de Ca+ est plus grande dans le cas d'irradiation d'un cristal massif que dans le cas de couches minces de CaF2.

Reproduction de : Habilitation à diriger des recherches : Sciences physiques. Sciences des Matériaux : Lille 1 : 2005. / Mémoire de travaux. Recueil de publications en anglais non reproduit dans la version électronique. N° d'ordre (Lille 1) : 453. Résumé en français. Curriculum vitae. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Notes bibliogr. Liste des publications et communications.

Ce mémoire regroupe des travaux sur la supraconductivité de systèmes métalliques hybrides métal/supraconducteur par microscopie tunnel à très basse température et mesure de transport.