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. / In this manuscript, we will first present the ultimate molecular building block for spintronic devices, so called single-molecule magnets (Chapter 2). In particular we will focus on a TbPc2 complex and various approaches of probing its magnetization using carbon nanotube detectors and different coupling mechanisms (magnetic flux, electronic and mechanical coupling). With the aim of building a supramolecular torque magnetometer capable of probing the magnetic moment of a molecular magnet, we will describe in Chapter 3 a promising candidate, a carbon nanotube nanoelectromechanical system (NEMS). We will first describe the advantages of carbon based NEMS over classical Si based resonators. Subsequently we will present the state of art of carbon nanotube NEMS and focus in particular on two different nanomechanical motions, a transverse bending mode and a longitudinal stretching mode. In Chapter 4, we present the experimental implementation of a supramolecular torque magnetometer based on carbon nanotube NEMS and single molecule magnets. We first describe the ultraclean bottom-up fabrication process and the extensive characterisation steps of carbon nanotube NEMS at room and cryogenic temperatures. We will finally demonstrate a method of grafting a TbPc2 single molecules magnet on such a carbon nanotube NEMS, that conserves both the magnetic properties of the molecule and the mechanical properties of the resonator. In Chapter 5, we will then perform a systematic study of the transverse bending mode vibration in a carbon nanotube NEMS. We demonstrate for instance, that the dissipation of a carbon nanotube's bending mode vibration to single electron tunneling through the carbon nanotube NEMS-quantum dot critically depends on the dot's electronic environment, i.e. the capacitance, the tunnel coupling to the metal leads, the current and temperature. The findings suggest that one could achieve quality factors of 10^6 or higher by choosing appropriate gate dielectrics and/or by improving the tunnel coupling to the leads, which would notably increase the sensitivity of the carbon nanotube NEMS with respect to a magnetic torque generate by a rotating molecular magnet. In Chapter 6, we demonstrate the presence of a quantized longitudinal stretching mode vibration in a carbon nanotube NEMS functionnalized with TbPc2 single molecule quantum magnets. We will in particular demonstrate that the quantum mechanical nature of both systems, results in a strong coupling between the longitudinal stretching mode and the magnetization of an individual TbPc2 single molecule magnet grafted to the carbon nanotube's sidewall. The strong coupling in fact enables the detection of the nuclear spin states in the TbPc2 molecule. Finally, we present in the conclusion of this manuscript some future prospects for the detection and (coherent) manipulation of a single (nuclear) spin using a mechanical quantum system.

L'objectif de cette thèse est l'étude des échanges et de la dissipation d'énergie aux échelles mésoscopiques, à travers l'étude de nanotubes, de nanofils ou de pointes taillées par exemple. Notre intérêt pour la dissipation d'énergie nous portera vers les NEMS (Nano Electro Mechanical Systems) et leur facteur de qualité. Pour étudier les échanges d'énergie nous nous intéresserons à la thermodynamique aux petites échelles et notamment aux machines thermiques qui exploitent ces échanges d'énergie pour extraire un travail utile (mécanique, électrique...). Ce travail se concentre dans un premier temps sur la dissipation d'énergie et plus particulièrement sur le facteur de qualité de nanotubes de carbone mono-paroi à température ambiante et sur la façon de l'augmenter par application d'une tension électrique. Cette tension électrique induit un fort tirage sur le nanotube et la modification concomitante de la forme du mode résonant modifie la dissipation d’énergie. Ce phénomène, couplé à une modification des propriétés de l’ancrage (effet d’ancrage mou ajustable en tension) résultant également de la tension, diminue drastiquement la dissipation d’énergie et on atteint alors des facteurs de qualité record. Dans un second temps, nous nous intéressons aux machines thermiques : une machine stochastique cyclique et une machine électrique continue. La machine thermique stochastique est réalisée avec un nanofil vibrant sous ultra haut vide. La thermodynamique stochastique permet de redéfinir le travail et la chaleur pour un objet qui stocke des quantités d’énergies similaires aux fluctuations du bain thermique avec lequel il est en contact. Le premier objectif est de réaliser un cycle de Carnot permettant d'atteindre le rendement du même nom, inaccessible pour les machines macroscopiques. Pour la machine thermique continue nous étudions numériquement un prototype de machine thermique électrique basé sur des effets de résonance d'effet tunnel qui pourrait être une amélioration du principe des machines thermoïoniques. L’utilisation de l’effet tunnel permet à priori de réduire la température de la source chaude de la machine puisque l’on a plus besoin de vaincre le travail de sortie des deux électrodes. Les résonances dans l’effet tunnel, obtenues par confinement dans une dimension, permettent un filtrage en énergie des électrons passant d’un réservoir thermique à l’autre, ce qui a pour effet d’améliorer le rendement de la machine / The purpose of this work is the study of energy transfer and dissipation at the mesoscopic scale, through the study of nanotubes, nanowires, or sharp tips for example. Our interest for energy dissipation will lead us to dive into Nano Electro Mechanical Systems (NEMS) and their quality factor. Energy transfers will be studied with small scale thermodynamics and stochastic heat engines which use those energy transfers to produce useful work (mechanical, electrical…). This work is focused in a first time on the energy dissipation and particularly on the quality factor of single wall carbon nanotubes at room temperature and the ways to improve it by applying an electrical voltage. This voltage induces a strong pulling on the nanotube and the resulting vibrating shape modification changes the dissipation. This phenomenon, coupled with a clamping modification (tunable soft clamping) also stemming from the voltage, drastically reduces the dissipation. We can then achieve record high quality factors. In a second time we take interest in heat engines: a stochastic cyclic heat engine and a continuous electrical heat engine. The stochastic heat engine is realized with a vibrating nanowire under high vacuum. The stochastic thermodynamics allow us to redefine work and heat for an object that stores energies of the order of magnitude of thermal fluctuations in the thermal bath it interacts with. The aim is to build a Carnot cycle and achieve the corresponding yield, out of reach for macroscopic engines. Concerning the continuous heat engine we study numerically a prototype for an electrical heat engine based on resonant tunneling which could be an improvement of the thermionic heat engines. Allowing the thermal reservoirs to exchange electrons through tunneling allows in principle to reduce the temperature of the hot source because overcoming the work function of both electrodes is not necessary anymore. The resonances in the tunnel effect, obtained through confinement of one dimension, is useful for filtering the energy of the electrons tunneling from one reservoir to another, thus increasing the yield of the heat engine

Les capteurs M/NEMS résonants, grâce à leur petite taille, faible consommation, et caractère quasi-numérique (leur grandeur de sortie est une fréquence la plupart du temps), sont des outils incontournables dans les systèmes embarqués modernes, des objets connectés simples à l’industrie aérospatiale et militaire.Cependant, ils sont soumis aux dérives environnementales, et malgré la possibilité d’en diminuer l’effet par différentes techniques de conception, parfois l’association de deux capteurs en mode différentiel est nécessaire pour assurer la fiabilité de l’information en environnement difficiles. Dans cette thèse, une technique particulière de mesure différentielle est étudiée, qui consiste à synchroniser deux résonateurs, dont l’un est une référence et l’autre soumis à la grandeur physique à mesurer. Placés dans une seule boucle de rétroaction, les deux résonateurs oscillent à la même fréquence, et un désaccord entre les deux, issu de la grandeurphysique à mesurer entraine un déphasage. La mesure de ce déphasage est un moyen simple de remonter à l’information à mesurer, théoriquement insensible aux variations environnementales identiquement appliquées aux deux résonateurs. Cette technique bénéficie est également peu complexe au niveau de son implémentation, donc adapté à l’intégration à grande échelle. Après avoir étudié le cadre théorique de la synchronisation de résonateurs par verrouillage par injection, on dégage des contraintes d’implémentation, qui servent de ligne directrice dans la fabrication d’un démonstrateur. On dégage également des performances théoriques, qui sont comparées aux performances du démonstrateur. / M/NEMS resonant sensors, due to their small size, consumption and quasi-digital output (a frequency most of the time) are unavoidable tools for on-board systems, from smartphones to aeronautic technology. However, they suffer from environmental drifts, and even though the effect of these drifts can be limited by the design, it is sometimes necessary to use differential architectures to properly remove the drifts from the measurements and ensure the output reliability even in harsh environments. In this work, a special technique for differential measurement is studied, consisting in the synchronization of two resonators, one reference and one sensor. Placed in a single feedback loop, they oscillate at the same frequency and eventual phase shift when the physical quantity to be sensed is applied. This phase shift is a theoretically drift-free way to measure this physical quantity. This technique also benefits from its ease of integration, making it a good candidate for large scale integration. After studying the theoretical framework, several design guidelines are found, which are used in the fabrication of a proof of concept. The theoretical performances are found as well, and compared to the experimental ones.

Novel technology which can provide new solutions and enable augmented capabilities to CMOS based technology is highly desired. Piezotronic nanodevices and integrated systems exhibit potential in achieving these application goals. By combining laser interference lithography and low temperature hydrothermal method, an effective approach for ordered growth of vertically aligned ZnO NWs array with high-throughput and low-cost at wafer-scale has been developed, without using catalyst and with a superior control over orientation, location/density and morphology of as-synthesized ZnO NWs. Beyond the materials synthesis, by utilizing the gating effect produced by the piezopotential in a ZnO NW under externally applied deformation, strain-gated transistors (SGTs) and universal logic operations such as NAND, NOR, XOR gates have been demonstrated for performing piezotronic logic operations for the first time. In addition, the first piezoelectrically-modulated resistive switching device based on piezotronic ZnO NWs has also been presented, through which the write/read access of the memory cell is programmed via electromechanical modulation and the logic levels of the strain applied on the memory cell can be recorded and read out for the first time. Furthermore, the first and by far the largest 3D array integration of vertical NW piezotronic transistors circuitry as active pixel-addressable pressure-sensor matrix for tactile imaging has been demonstrated, paving innovative routes towards industrial-scale integration of NW piezotronic devices for sensing, micro/nano-systems and human-electronics interfacing. The presented concepts and results in this thesis exhibit the potential for implementing novel nanoelectromechanical devices and integrating with MEMS/NEMS technology to achieve augmented functionalities to state-of-the-art CMOS technology such as active interfacing between machines and human/ambient as well as micro/nano-systems capable of intelligent and self-sufficient multi-dimensional operations.

As a result of recent advances in micro and nanotechnology, the tiny movements of nanoscale active and passive objects in fluids can be probed with ultrahigh sensitivity and time resolution. The overarching theme of this dissertation is to harness these movements in fluids in order to study fundamental fluid dynamics and develop novel biomedical devices. First, we use the oscillatory movements of nanocantilevers to investigate the scaling behavior of unsteady fluid flow. Here, our expansive experimental data and rigorous theoretical analysis suggest that a generalized scaling parameter combining the length and time scales of the flow governs the scaling. Second, we turn our attention to nanoscale movements of bacteria in a buffer. We develop a simple, robust and sensitive experimental method to detect and track the random movements of bacteria. Using this method, we show evidence that these random movements of bacteria correlate with their antibiotic susceptibility. In the first part of this thesis, we explore, through experimental and theoretical work, the breakdown of the Navier-Stokes equations in oscillatory fluid flows. The Navier-Stokes equations of hydrodynamics are based on two crucial assumptions. First, the fluid is approximated as a continuum, with a well-defined ``fluid particle." Second, the stress in the fluid is assumed to be a linear function of the rate-of-strain, resulting in a so-called Newtonian fluid. If a fluid such as an ideal gas is gradually rarefied, the Navier-Stokes equations begin to fail and a kinetic description of the flow becomes appropriate. The failure of the Navier-Stokes equations can be thought to take place via two different physical mechanisms: either the continuum hypothesis breaks down as a result of a finite size effect; or the local equilibrium is violated due to the high rate of strain. Our experimental approach is to create an unsteady flow by oscillating a finite-sized body in a gas and to measure the dissipation (or the drag force) acting on the body. By using micro and nanofabrication techniques, we independently tune the relevant linear dimensions and the frequencies of the oscillating bodies. We then measure the pressure-dependent dissipation of these micro/nano oscillators in three different gases, Helium, Nitrogen, and Argon. We observe that the scaling of the fluidic dissipation is governed by a subtle interplay between the length scale and the frequency, embodied respectively in the dimensionless Knudsen (Kn) and the Weissenberg ( Wi) numbers. We collapse all the experimental data using a single scaling parameter: Wi + Kn. This new dimensionless parameter, which can be regarded as a generalized Knudsen number, combines the relevant linear dimension and the frequency of the body; it is rooted in Galilean invariance and can be obtained rigorously from the Chapman-Enskog expansion of the Boltzmann equation. In the second part of the thesis, we turn to the movements of active micro-swimmers in a buffer. This portion of the work is motivated by a serious global public health problem: the rise of multi-drug resistant bacteria. One way to prevent this threat from growing is to treat bacterial infections with effective antibiotics using the minimum dosage. However, currently-used antibiotic susceptibility tests (ASTs), which determine whether or not bacterial isolates from a patient are susceptible to administered antibiotics, take too long. Here, we aim to develop a robust and rapid AST by exploiting a recently-observed microbiological phenomenon: various nanomechanical movements of bacteria subside promptly (within minutes) when the bacteria are exposed to an effective antibiotic. Our approach is to transduce bacterial movements into electrical voltage fluctuations in a microchannel filled with a buffer solution. When a small but constant current is driven through the microchannel, bacterial movements are converted into strong voltage fluctuations due to the fact that they modulate the effective microchannel diameter. Our experiments with E. coli show that the proposed detection method can provide antibiotic susceptibility results in ~1 hour, making it a promising rapid AST. Because this approach is based on a simple electrical measurement and does not require delicate process steps and instrumentation, it may eventually be used at the point of care. / 2019-03-09T00:00:00Z

This work presents membrane development applicable in nanofluidic devices. These membranes can also be termed suspended thin films, supported on two or more edges. I first discuss motivation and background for developing these structures. Then I derive the formative principles for nanofluidic systems. Following the derivation of the Navier-Stokes and Washburn equations, I discuss applying these theories to planar nanofluidic capillaries and finish the derivation by discussing the forces that drive liquid flow in nanochannels. I next discuss the membrane development process, starting with my work in static height traps, and develop the concept of analyzing nanoparticles using suspended membranes. After reviewing the lessons learned from the double-nanopore project I discuss developing an oxide layer tuned to the needs of a membrane and present the design of an adjustable membrane structure. Afterward, I discuss modeling and simulating the structure, and present a procedure for fabricating robust membranes. I then explain applying the membrane structure to form a nanofluidic pump and document the process for recording and analyzing the pumping characteristics for nanodevices. As part of the pump section I propose a theory and model for predicting the behavior of the pumps. I next present applying active membranes as nanoparticle traps. I document a quick-turn optical profilometry method for charicterizing the devices, then present experimental data involving trapping. Early results show that the device functions as a nanoparticle concentrator and may work well as a size-based trap for nanoparticles. I conclude by summarizing the main contributions made during my course of study and by providing supplemental material to guide future research.

Nanostructures were formed on diced specimens of several silicon carbide polytypes and silicon using electron beam lithography. A general introduction to nanostructure synthesis and electron beam lithography,are presented. A scanning electron microscope was retrofitted with a commercially available electron beam lithography package and an electrostatic beam blanker to permit nanoscale lithography to be performed. A process was first developed and optimized on silicon substrates to expose, poly-methyl-methacrylate (PMMA) resist with an electron beam to make nanoscale nickel masks for reactive ion etching. The masks consist of an array of nickel dots that range in size from 20 to 100 nm in diameter. Several nanoscale structures were then fabricated in silicon carbide using electron beam lithography. The structures produced are characterized by field emission Scanning Electron Microscopy.

L'objectif de cette thèse est de réaliser un capteur inertiel à partir d'un substrat SOI utilisé pour le nœud technologique CMOS 130 nm. L'objectif à long terme, afin de pouvoir adresser des applications grand public, est de fabriquer ce capteur comme une partie d'un circuit en utilisant un procédé de co-intégration NEMS « in IC ». Pour réaliser le démonstrateur accélérométrique, nous répondons aux questions relatives à la conception, la fabrication, la caractérisation et aux phénomènes physiques prépondérants à cette échelle. Nous donnons tout d'abord une vue d'ensemble des NEMS et des MEMS en nous basant sur un état de l'art. Celui-ci nous permet d'entreprendre la réduction d'échelle et de choisir un démonstrateur, un accéléromètre résonant, qui nous sert de cas d'étude pour ces travaux. Nous étudions plus en détail, de façon théorique aussi bien qu'expérimentale, le comportement de ces nano-structures. Une des principales difficultés est de caractériser le composant lui-même. A partir d'une étude théorique, nous choisissons le mode de détection capacitif et en montrons sa faisabilité. Nous réalisons en parallèle la conception de la partie mécanique du nano-système et la définition du procédé de co-intégration. Grâce à l'analyse des résultats, nous pouvons présenter quelques perspectives et des axes de travaux à poursuivre pour une meilleure compréhension au niveau de la conception, de la fabrication et de la caractérisation du NEMS. Ces travaux nous permettent de discuter la faisabilité d'un nano-accéléromètre en vue d'une application grand public, avec le choix du procédé de fabrication basé sur le noeud technologique SOI 130 nm. Ces perspectives ont pour objectifs de permettre la réduction des encombrements et la combinaison des performances du NEMS et du circuit afin de faciliter la réalisation de capteurs pour des applications grand public.

Dans ce travail de thèse, nous avons cherché d'une part, à répondre à la question du dimensionnement des nanosystèmes électromécaniques (NEMS) à base de nanotube de carbone (NTC) multiparois, à la fois théoriquement et expérimentalement, et d'autre part, à appliquer le savoir-faire développé à la réalisation de composants de types interrupteurs.<br /> Nous avons développé un modèle théorique pour décrire la déflexion d'un nanotube de carbone suspendu soumis à une force d'attraction électrostatique. Notre modèle montre qu'il existe une loi d'échelle reliant la déflexion électrostatique aux paramètres géométriques, électriques, et physiques des NEMS à base de NTC. Ce résultat constitue, en soi, un outil de dimensionnement pour la conception de ces dispositifs, car il permet de prédire leur comportement électromécanique sur une « large » gamme de paramètres opérationnels.<br /> Parallèlement, nous avons mis au point des procédés de fabrication pour réaliser des nanostructures intégrant un NTC suspendu actionnable électrostatiquement. Parmi ces différentes structures, la plus simple a été utilisée pour sonder les propriétés électromécaniques des NTC multiparois. Nous avons développé une méthode basée sur l'utilisation d'un microscope à force atomique pour mesurer la déflexion en fonction de la tension électrique d'actionnement. Les résultats de ces mesures, pour différents NTC (différents diamètre et longueur), montrent clairement, et sans paramètre ajustable, l'existence de la loi d'échelle prédite par notre modèle théorique. À partir de ces mesures, nous avons extrait le module d'Young des NTC. Pour des diamètres inférieurs à 30 nm, celui-ci est constant et vaut en moyenne 400 GPa. Au-delà, nous observons une forte diminution qui pourrait s'expliquer par l'entrée dans un régime de déformation non-linéaire.<br /> Enfin, nous montrons la réalisation d'un interrupteur électromécanique à base de NTC qui présente de bonnes caractéristiques de commutation.

Cette thèse présente un nouveau système d'actionnement à l'échelle nanométrique, basé sur l'intégration de multicouches antiferromagnétiques/ferromagnétiques avec une nano-structure mécanique. Ces multicouches, utilisées dans les mémoires magnétiques, présentent la particularité de maintenir une forte aimantation lorsqu'on en réduit les dimensions. De plus, le sens de l'aimantation de certains empilements peut être modifié grâce à un système thermoélectrique. Ce principe d'actionnement est illustré par deux dispositifs : le premier est un nano-commutateur bistable, qui met à profit les forces dipolaires qui s'exercent entre deux aimants. La bistabilité est atteinte grâce au retournement de l'aimantation d'un des deux empilements magnétiques. Le second système est un nano-résonateur, mis en mouvement par la force de Laplace. Nous détaillons les modèles théoriques développés pour dimensionner ces deux dispositifs. Nous présentons également les empilements technologiques permettant la réalisation de ces nanosystèmes intégrés à très grande échelle sur des plaques de 200 mm. Un des points originaux est l'utilisation d'un procédé de libération basé sur la gravure d'une couche sacrificielle de titane par du XeF2. Nous abordons également la problématique du changement des paramètres matériaux, notamment de la résistivité, lorsque l'on réduit les dimensions. Cela nous permet de donner une estimation de la résistance de contact du nano-commutateur. Enfin, des mesures effectuées en vibrométrie laser par effet Doppler montrent que le système d'actionnement du nano-résonateur est capable de mettre la poutre en résonance, réalisant la preuve de concept de ce type d'actionnement.