Afin de permettre de développer un modèle de mémoire non-volatile basée sur le transistor à nanotube de carbone à commande optique qui est utilisée dans des circuits électroniques neuromorphiques, il est nécessaire de comprendre les physiques électroniques et optoélectroniques des nanotubes de carbone, en particulier l'origine de l'effet mémoire que présente ces transistors. C'est dans ce contexte général que cette thèse s'intègre. Le travail est mené sur trois plans : * Caractériser électriquement et optoélectroniquement des structures de test des CNTFETs et des OG-CNTFETs. * Développer un modèle compact pour les contacts Schottky dans les transistors à nanotube de carbone de la façon auto-cohérente basé sur le diamètre et la nature du métal d'électrode en utilisant la méthode de la barrière effective avec les paramètres nécessaires calibrés. * Modéliser l'OG-CNTFET selon les régimes de fonctionnement, lecture, écriture, effacement ou programmation pour application à une mémoire non-volatile en intégrant le mécanisme de piégeage et dépiégeage à l'interface polymère/oxyde.

Les tubes amplificateurs ont été quelque peu oubliés du grand public depuis leur disparition des récepteurs de radio et d'autres équipements à la fin des années 50 et leur remplacement par les composants état solide. Toutefois, il est des régimes de fonctionnement où ils demeurent incontournables, surpassant tous les dispositifs état solide en termes de fréquence de fonctionnement, de puissance, de rendement et de fiabilité. C'est la raison pour laquelle les satellites de télécommunications embarquent à leur bord une centaine de tubes à ondes progressives pourtant lourds et volumineux. Afin de réduire leur poids et leur taille et d'atteindre des rendements encore plus élevés, différents laboratoires étudient des cathodes capables d'émettre un faisceau électronique modulable en hyperfréquence. Les! laboratoires de TRT, de l'Ecole Polytechnique (Nanocarb) et de TED, dans lesquels cette thèse a été préparée, étudient de nouvelles cathodes à émission de champ basées sur des réseaux de nanotubes de carbone. Ce travail de thèse a porté sur l'étude et le développement de méthodes pour moduler directement le faisceau électronique issu de ces cathodes. La croissance de nanotubes de carbone est ici réalisée par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma. Des travaux précédents ont permis de développer et d'optimiser une technologie de croissance de nanotubes individuels orientés verticalement, et d'étudier leurs caractéristiques d'émission en continu. La première partie de cette thèse a consisté à démontrer la modulation de l'émission en utilisant des cavités résonantes qui permettent l'obtention de forts champs électriques hyperfréquence. Nous avons ainsi démontré à une fréquence de 1.5 GHz la modulation d'un courant crête de 30 mA correspondant à une densité de courant de 12 A.cm-2, puis, à 32 GHz, la modulation d'un courant crête de 3.43 mA. Ce sont les premières et les seules modulations hyperfréquence de cathodes à base de nanotubes de carbone publiées à ce jour. Cependant l'utilisation de cavités résonantes limite l'emploi de ces cathodes à des applications bande étroite. La deuxième partie de la thèse a été consacrée au développement d'un nouveau concept de photocathodes basées sur l'association de photodiodes p-i-n et de nanotubes de carbone. L'émission électronique de ces dispositifs est alors commandée par la puissance lumineuse reçue et ne requiert plus de cavité. Le contrôle de la modulation est ainsi rendu compatible large bande. Une première génération de photocathodes à nanotubes de carbone sur p-i-n silicium a permis de montrer la modulation d'un courant de 500 µA avec un taux de modulation de 97% pour une puissance optique absorbée de 12 mW.

The increasing miniaturization of electric and mechanical components makes the synthesis and assembly of nanoscale structures an important step in modern technology. Functional materials, such as the ferroelectric perovskites, are vital to the integration and utility value of nanotechnology in the future. In the present work, chemical methods to synthesize one-dimensional (1D) nanostructures of ferroelectric perovskites have been studied. To successfully and controllably make 1D nanostructures by chemical methods it is very important to understand the growth mechanism of these nanostructures, in order to design the structures for use in various applications. For the integration of 1D nanostructures into devices it is also very important to be able to make arrays and large-area designed structures from the building blocks that single nanostructures constitute. As functional materials, it is of course also vital to study the properties of the nanostructures. The characterization of properties of single nanostructures is challenging, but essential to the use of such structures. The aim of this work has been to synthesize high quality single-crystalline 1D nanostructures of ferroelectric perovskites with emphasis on PbTiO3 , to make arrays or hierarchical nanostructures of 1D nanostructures on substrates, to understand the growth mechanisms of the 1D nanostructures, and to investigate the ferroelectric and piezoelectric properties of the 1D nanostructures. In Paper I, a molten salt synthesis route, previously reported to yield BaTiO3 , PbTiO3 and Na2Ti6O13 nanorods, was re-examined in order to elucidate the role of volatile chlorides. A precursor mixture containing barium (or lead) and titaniumwas annealed in the presence of NaCl at 760 °C or 820 °C. The main products were respectively isometric nanocrystalline BaTiO3 and PbTiO3. Nanorods were also detected, but electron diffraction revealed that the composition of the nanorods was respectively BaTi2O5/BaTi5O11 and Na2Ti6O13 for the two different systems, in contradiction to the previous studies. It was shown that NaCl reacted with BaO(PbO) resulting in loss of volatile BaCl2 (PbCl2 ) and formation and preferential growth of titanium oxide-rich nanorods instead of the target phase BaTiO3 (or PbTiO3 ). The molten salt synthesis route may therefore not necessarily yield nanorods of the target ternary oxide as reported previously. In addition, the importance of NaCl(g) for the growth of nanorods below the melting point of NaCl was demonstrated in a special experimental setup, where NaCl and the precursors were physically separated. In Paper II and III, a hydrothermal synthesis method to grow arrays and hierarchical nanostructures of PbTiO3 nanorods and platelets on substrates is presented. Hydrothermal treatment of an amorphous PbTiO3 precursor in the presence of a surfactant and PbTiO3 or SrTiO3 substrates resulted in the growth of PbTiO3 nanorods and platelets aligned in the crystallographic <100> orientations of the SrTiO3 substrates. PbTiO3 nanorods oriented perpendicular to the substrate surface could also be grown directly on the substrate by a modified synthesis method. The hydrothermal method described in Paper II and III was developed on the basis of the method described in Appendices I and II. In Paper IV, a template-assisted method to make PbTiO3 nanotubes is presented. An equimolar Pb-Ti sol was dropped onto porous alumina membranes and penetrated into the channels of the template. Single-phase PbTiO3 perovskite nanotubes were obtained by annealing at 700 °C for 6 h. The nanotubes haddiameters of 200 - 400 nm with a wall thickness of approximately 20 nm. Excess PbO or annealing in a Pb-containing atmosphere was not necessary in order to achieve single phase PbTiO3 nanotubes. The influence of the heating procedure and the sol concentration is discussed. In Paper V, a piezoresponse force microscopy study of single PbTiO3 nanorods is presented. The piezoelectric properties were studied in both vertical and lateral mode. Piezoelectric activity and polarization switching was observed in the vertical mode, demonstrating the ferroelectric nature of the nanorods. The nanorods decomposed after repeated cycling of the dc bias at one spot on the nanorod, which resulted in parts of the nanorod disappearing and/or accumulation of particles on the surface of the nanorod. In Paper VI, a method to contact single nanorods by electron beam induced deposition of platinum is presented. An organometallic compound, (trimethyl)-methylcyclopentadienylplatinum(IV), was used as precursor. A home-made apparatus was constructed for the purpose and was mounted onto a scanning electron microscope. Calculations based on apparatus geometry and molecular flow were used to estimate the deposition time and the height of the deposits. The location and height of the deposits were controlled so that single nanorods could be successfully contacted at the ends of the nanorods. Fabrication of a sample device for piezoresponse force microscopy studies of single nanorods using an axial dc bias setup is described in Appendix IV. A proposed experimental setup for such studies is also presented.

CETTE THESE A EU POUR OBJET DE REALISER EXPERIMENTALEMENT L'INTEGRATION DE CIRCUITS DE BOITE QUANTIQUE (QD) DANS UNE ARCHITECTURE D'ELECTRODYNAMIQUE QUANTIQUE EN CAVITE SUR CIRCUIT (CQED). L'INTERET DE CES SYSTEMES HYBRIDES RESIDE DANS L'INTERACTION LUMIERE-MATIERE QUI S'OPERE ENTRE LES PHOTONS DE LA CAVITE MICROONDE ET LES ELECTRONS DU QD. DANS CE TRAVAIL DE THESE, IL A ETE CHOISI D'UTILISER DES NANOTUBES DE CARBONE COMME MATERIAU POUR LES QDS. EN EFFET, ILS PERMETTENT L'OBSERVATION DE DIFFERENTS REGIMES DE TRANSPORT ELECTRONIQUE (FABRY-PEROT, BLOCAGE DE COULOMB ET KONDO) ET ILS SONT EGALEMENT POLYVALENTS VIS-A-VIS DES MATERIAUX AVEC LESQUELS IL EST POSSIBLE DE LES CONTACTER (METAL NORMAL, SUPRACONDUCTEUR, FERROMAGNETIQUE). LA REALISATION EXPERIMENTALE DE CES DISPOSITIFS A PERMIS DE MESURER UN COUPLAGE ELECTRON-PHOTON DE L'ORDRE DE 100MHZ, COMPARABLE AUX COUPLAGES OBTENUS EN CQED TRADITIONNELLE. CE COUPLAGE EST REGLABLE PAR DES MOYEN PUREMENT ELECTRIQUES. ENFIN, NOUS AVONS MIS EN EVIDENCE L'INTERACTION A DISTANCE ENTRE DEUX QDS SEPARES DE 80µM, PAR L'INTERMEDIAIRE DES PHOTONS MICROONDES. CES RESULTATS DEMONTRENT LE POTENTIEL DE CES DISPOSITIFS POUR DES APPLICATIONS A LA MANIPULATION DE L'INFORMATION QUANTIQUE AINSI QUE LA SIMULATION SUR PUCE DE PROBLEMES DE MATIERE CONDENSEE. NOUS AVONS PU AINSI MESURER LA CAPACITE QUANTIQUE DES QDS, NOTAMMENT DANS LE REGIME KONDO, ET SIMULER LE DECALAGE POLARONIQUE ELECTRON-PHONON, DANS LE CAS DE L'INTERACTION A DISTANCE ENTRE LES DEUX QDS.

Dans ce manuscrit, nous présentons d'abord le bloc de construction moléculaire ultime pour les dispositifs de spintronique, les aimants à molécule unique (Chapitre 2). En particulier, nous nous concentrerons sur une molecule de TbPc2 et différentes approches pour sonder son aimantation à l'aide de détecteurs a base de nanotubes de carbone et de mécanismes de couplage différents (flux magnétique, couplage électronique et mécanique). Dans le but de construire un detecteur de torque supramoléculaire capable de sonder le moment magnétique d'un aimant moléculaire, nous allons décrire dans le chapitre 3 un candidat très prometteur, un système nanoélectromécanique (NEMS) à base d'un nanotube de carbone. Nous décrirons d'abord les avantages de NEMS à base de carbone par rapport aux résonateurs classiques à base de silicium. Par la suite, nous présenterons l'état de l'art des NEMS à base de nanotubes de carbone, en nous focalisant en particulier sur deux différents mouvements nanomécaniques, un mode de flexion transverse et un mode de compression longitudinal. Dans le chapitre 4, nous présenterons la mise en oeuvre expérimentale d'un detecteur de torque supramoléculaire basé sur NEMS à nanotubes de carbone et des aimants à molécule unique. Nous décrirons d'abord le processus de fabrication ultra propre et les étapes de la caractérisation d'un NEMS à nanotubes de carbone à températures ambiante et cryogénique. Nous allons ensuite démontrer un procédé de greffage d'une molécule aimants de TbPc2 sur un tel NEMS à nanotube de carbone, qui conserve à la fois les propriétés magnétiques de la molécule et les propriétés mécaniques du résonateur. Dans le chapitre 5, nous allons ensuite procéder à une étude systématique du mode de flexion transverse dans un NEMS à nanotube de carbone. Nous montrerons, que la dissipation de ce mode de vibration induit par l'effet tunnel d'électron unique à travers le nanotube de carbone (considére comme point quantique) dépend essentiellement de l'environnement électronique du nanotube, c'est à dire de la capacité, du couplage entre le nanotube de carbone et les electrodes métalliqes, du courant et de la température. Les résultats indiquent que l'on pourrait atteindre des facteurs de qualité de 10^6 ou plus en choisissant un diélectrique de grille appropriées et/ou en améliorant le couplage entre le nanotube de carbone et les electrodes, ce qui permettrait notamment d'augmenter la sensibilité du NEMS nanotubes de carbone par rapport à un torque magnétique générer par le retournement d'un aimant moléculaire. Dans le chapitre 6, nous démontrons la présence d'un mode de vibration longitudinal quantique dans un NEMS à base de nanotube de carbon fonctionnalisé avec des aimants moléculaires de TbPc2. Nous allons en particulier montrer que la nature quantique des deux systèmes, se traduit par un fort couplage entre le mode de compression longitudinal et l'aimantation d'un aimant moléculaire TbPc2 unique greffé sur la parois du nanotube de carbone. Ce fort couplage permet par la suite de détecter les états de spin nucléaire dans la molécule de TbPc2. Enfin, nous présenterons dans la conclusion de ce manuscrit quelques perspectives pour la détection et la manipulation (coherente) d'un seul spin (nucléaire) à l'aide d'un système mécanique quantique.

La supraconductivité est un ordre électronique fascinant dans lequel les électrons s'apparient par le biais d'une interaction attractive et condensent dans un état quantique macroscopique pouvant porter un courant non dissipatif, i. E. Un supercourant. Dans les structures hybrides où des supraconducteurs (S) sont mis en contact avec des matériaux non supraconducteurs (X), les paires se propageant de S " contaminent " X lui conférant des propriétés supraconductrices à proximité de l'interface, parmi lesquels la possibilité de porter un supercourant. La transmission d'un supercourant à travers n'importe quelle structure S-X-S s'explique par l'interférence constructive de paires d'électrons traversant X. En effet, à la manière d'un résonateur Fabry-Perot, une telle interférence a seulement lieu pour certains états électroniques résonants appelés Etats Liés d'Andreev (ELA). Récemment, il est devenu possible de fabriquer une variété de nanostructures dans lesquelles X peut être par exemple un nanofil, un nanotube de carbone ou même une molécule. Ces dispositifs ont en commun que leur X contient seulement quelques électrons de conduction ce qui implique que les ELA sont aussi en petit nombre. Dans ce cas, pour comprendre quantitativement l'effet de proximité dans ces systèmes, il est nécessaire de comprendre en détail la formation des ELA individuellement. Ceci peut être vu comme la question centrale du développement d'électronique supraconductrice à l'échelle nanométrique. Dans cette thèse, nous avons observé des ELA résolus individuellement par spectroscopie tunnel dans un nanotube de carbone.

In this work, gadolinium-based carbon nanocapsules are developed as a novel nanotechnology that addresses the shortcomings of current diagnostic and therapeutic methods of stem cell-based cardiomyoplasty. With cardiovascular disease (CVD) responsible for approximately 30% of deaths worldwide, the growing need for improved cardiomyoplasty has spurred efforts in nanomedicine to develop innovative techniques to enhance the therapeutic retention and diagnostic tracking of transplanted cells. Having previously been demonstrated as a high-performance T1-weighted magnetic resonance imaging (MRI) contrast agent, Gadonanotubes (GNTs) are shown for the first time to intracellularly label pig bone marrow-derived mesenchymal stem cells (MSCs). Without the use of a transfection agent, micromolar concentrations of GNTs deliver up to 10^9 Gd(III) ions per cell, allowing for MSCs to be visualized in a 1.5 T clinical MRI scanner. The cellular response to the intracellular incorporation of GNTs is also assessed, revealing that GNTs do not compromise the viability, differentiation potential, or phenotype characteristics of the MSCs. However, it is also found that GNT-labeled MSCs exhibit a decreased response to select cell adhesion proteins and experience a non-apoptotic, non-proliferative cell cycle arrest, from which the cells recover 48 h after GNT internalization. In tandem with developing GNTs as a new stem cell diagnostic agent, this current work also explores for the first time the therapeutic application of the magnetically-active GNTs as a magnetic facilitator to increase the retention of transplanted stem cells during cardiomyoplasty. In vitro flow chamber assays, ex vivo perfusion experiments, and in vivo porcine injection procedures all demonstrate the increased magnetic-assisted retention of GNT-labeled MSCs in the presence of an external magnetic field. These studies prove that GNTs are a powerful ‘theranostic’ agent that provides a novel platform to simultaneously monitor and improve the therapeutic nature of stem cells for the treatment of CVD. It is expected that this new nanotechnology will further catalyze the development of cellular cardiomyoplasty and other stem cell-based therapies for the prevention, detection, and treatment of human diseases.

Quasicrystalline compounds (QC) have been shown to have lower friction compared to other structures of the same constituents. The abscence of structural interlocking when two QC surfaces slide against one another yields the low friction. To use QC as low-friction coatings in combustion engines where hydrocarbon-based oil lubricant is commonly used, knowledge of how a film of lubricant forms on the coating is required. Any adsorbed films having non-quasicrystalline structure will reduce the self-lubricity of the coatings. In this manuscript, we report the results of simulations on thin films growth of selected hydrocarbons and rare gases on a decagonal Al$_{73}$Ni$_{10}$Co$_{17}$ quasicrystal (d-AlNiCo). Grand canonical Monte Carlo method is used to perform the simulations. We develop a set of classical interatomic many-body potentials which are based on the embedded-atom method to study the adsorption processes for hydrocarbons. Methane, propane, hexane, octane, and benzene are simulated and show complete wetting and layered films. Methane monolayer forms a pentagonal order commensurate with the d-AlNiCo. Propane forms disordered monolayer. Hexane and octane adsorb in a close-packed manner consistent with their bulk structure. The results of hexane and octane are expected to represent those of longer alkanes which constitute typical lubricants. Benzene monolayer has pentagonal order at low temperatures which transforms into triangular lattice at high temperatures. The effects of size mismatch and relative strength of the competing interactions (adsorbate-substrate and between adsorbates) on the film growth and structure are systematically studied using rare gases with Lennard-Jones pair potentials. It is found that the relative strength of the interactions determines the growth mode, while the structure of the film is affected mostly by the size mismatch between adsorbate and substrate's characteristic length. On d-AlNiCo, xenon monolayer undergoes a first-order structural transition from quasiperiodic pentagonal to periodic triangular. Smaller gases such as Ne, Ar, Kr do not show such transition. A simple rule is proposed to predict the existence of the transition which will be useful in the search of the appropriate quasicrystalline coatings for certain oil lubricants. Another part of this thesis is the calculation of phase diagram of Fe-Mo-C system under pressure for studying the effects of Mo on the thermodynamics of Fe:Mo nanoparticles as catalysts for growing single-walled carbon nanotubes (SWCNTs). Adding an appropriate amount of Mo to Fe particles avoids the formation of stable binary Fe$_3$C carbide that can terminate SWCNTs growth. Eventhough the formation of ternary carbides in Fe-Mo-C system might also reduce the activity of the catalyst, there are regions in the Fe:Mo which contain enough free Fe and excess carbon to yield nanotubes. Furthermore, the ternary carbides become stable at a smaller size of particle as compared to Fe$_3$C indicating that Fe:Mo particles can be used to grow smaller SWCNTs. / Dissertation

This study presents near-field electrospinning (NFES) on flat and hollow cylindrical process to fabricate permanent piezoelectricity of polyvinylidene fluoride (PVDF)/ multi-walled carbon nanotube (MWCNT) piezoelectric nanofibers. Then the mechanical properties of fibers were measured. PVDF is a potential piezoelectric polymer material combining desirable mechanical, thermal, electrical properties with excellent chemical resistance. The existing researches mostly focused on piezoelectric thin film process. However, the research of characteristic about piezoelectric fiber is little. The methods of measurement of the mechanical properties (Young¡¦s modulus, hardness, and tensile strength¡Belongation) of the electrospun PVDF/MWCN composite nanofiber were carried out by using nano-indention test (MTS Nanoindenter Windows XP System) and tensile test (Microforce Testing System). By setting electric field (1¡Ñ107 V/m), rotating velocity (900 rpm) of the hollow cylindrical glass tube on a motion X-Y stage (2 mm/sec) and PVDF solution concentration (16 wt%), and MWCNT (0.03 wt%), in-situ electric poling, mechanical stretching and morphology of PVDF nanofiber were demonstrated. After the experiments of nano-indention test and tensile strength test, it is suggested that the good mechanical properties in NFES on cylindrical process. The results show that the mechanical properties of composite nanofiber are better than the conventional NFES process. The Young¡¦s modulus of 16% PVDF fiber prepared by cylindrical process is 0.89 GPa and hardness is 26.5 MPa. The mechanical properties were increased 56.2% and 49.4% after adding 0.03% of MWCNT, corresponding to 1.39 GPa and 39.6 MPa. The tensile strength was increased 32.7% and elongation at breaking point was increased 35% after adding 0.03% MWCNT.

The present work provides a micromechanics approach based on the generalized self-consistent composite cylinders method as a non-Eshelby approach towards for assessing the impact of carbon nanotubes on the multi-functional nature of nanocom-posites in which they are a constituent. Emphasis is placed on the effective elastic properties as well as electrical and thermal conductivities of nanocomposites con-sisting of randomly oriented single walled carbon nanotubes in epoxy. The effective elastic properties of aligned, as well as clustered and well-dispersed nanotubes in epoxy are discussed in the context of nanotube bundles using both the generalized self-consistent composite cylinders method as well as using computational microme-chanics techniques. In addition, interphase regions are introduced into the composite cylinders assemblages to account for the varying degrees of load transfer between nanotubes and the epoxy as a result of functionalization or lack thereof. Model pre-dictions for randomly oriented nanotubes both with and without interphase regions are compared to measured data from the literature with emphasis placed on assessing the bounds of the effective nanocomposite properties based on the uncertainty in the model input parameters. The generalized self-consistent composite cylinders model is also applied to model the electrical and thermal conductivity of carbon nanotube-epoxy nanocomposites. Recent experimental observations of the electrical conductivity of carbon nanotube polymer composites have identified extremely low percolation limits as well as a per-ceived double percolation behavior. Explanations for the extremely low percolation limit for the electrical conductivity of these nanocomposites have included both the creation of conductive networks of nanotubes within the matrix and quantum effects such as electron hopping or tunneling. Measurements of the thermal conductivity have also shown a strong dependence on nanoscale effects. However, in contrast, these nanoscale effects strongly limit the ability of the nanotubes to increase the thermal conductivity of the nanocomposite due to the formation of an interfacial thermal resistance layer between the nanotubes and the surrounding polymer. As such, emphasis is placed here on the incorporation of nanoscale effects, such as elec-tron hopping and interfacial thermal resistance, into the generalized self-consistent composite cylinder micromechanics model.