Avec l'avènement de l'"intelligence artificielle", les ordinateurs, appareils mobiles et objets connectés sont amenés à dépasser les calculs arithmétiques et logiques pour lesquels ils ont été optimisés durant des décennies, afin d'effectuer des tâches "cognitives" telles que la traduction automatique ou la reconnaissance d'images et de voix, et pour lesquelles ils ne sont pas adaptés. Ainsi, un super-calculateur peut-il consommer des mégawatts pour effectuer des tâches que le cerveau humain traite avec 20 watt. Par conséquent, des système de calcul alternatifs inspirés du cerveau font l'objet de recherches importantes. En particulier, les oscillations neurales semblant être liées à certains traitements de données dans le cerveau ont inspiré des approches détournant la physique complexe des réseaux d'oscillateurs couplés pour effectuer des tâches cognitives efficacement. Cette thèse se fonde sur les avancées récentes en nano-technologies permettant la fabrication de nano-oscillateurs hautement intégrables pour proposer et étudier de nouvelles architectures neuro-inspirées de classification de motifs exploitant la dynamique des oscillateurs couplés et pouvant être implémentées sur puce. / With the advent of "artificial intelligence", computers, mobile devices and other connected objects are being pushed beyond the realm of arithmetic and logic operations, for which they have been optimized over decades, in order to process "cognitive" tasks such as automatic translation and image or voice recognition, for which they are not the ideal substrate. As a result, supercomputers may require megawatts to process tasks for which the human brain only needs 20 watt. This has revived interest into the design of alternative computing schemes inspired by the brain. In particular, neural oscillations that appear to be linked to computational activity in the brain have inspired approaches leveraging the complex physics of networks of coupled oscillators in order to process cognitive tasks efficiently. In the light of recent advances in nano-technology allowing the fabrication of highly integrable nano-oscillators, this thesis proposes and studies novel neuro-inspired oscillator-based pattern classification architectures that could be implemented on chip.

L'introduction du transistor à un électron (SET) a secoué l'industrie des semi-conducteurs, avec des promesses d'efficacité inégalée. Cependant, le coût et la complexité associés à la réalisation d'un fonctionnement stable ont fortement entravé leur adoption. Après être tombé en dehors des grâces de l'industrie, la recherche universitaire a continué à pousser, démontrant des techniques novatrices pour la création de SET. Au cœur de ce problème de stabilité, il y a le besoin de construire de manière contrôlable des nanoislands de moins de 10 nm. Parmi les méthodes disponibles pour cette formation nanoisland, le dépôt de couche atomique (ALD) se distingue comme un processus hautement contrôlable industriellement. La deuxième barrière à l'entrée est la création d'électrodes nanogap, utilisées pour injecter du courant à travers ces nanoislands, pour lesquelles les chercheurs se sont largement appuyés sur des techniques de fabrication non évolutives comme la lithographie par faisceau d'électrons et le faisceau ionique focalisé. La technique d'évaporation de bord d'ombre surmonte les problèmes de complexité et d'échelle de la fabrication de nanogap, ouvrant de nouvelles possibilités. Dans ce travail, ALD sera démontré comme une superbe technique pour la culture de vastes réseaux 3D de nanoparticules de platine sous 2nm encapsulées dans Al2O3. ALD a fourni un moyen de faire croître ces matrices de nanoparticules en un seul processus, sous vide et à basse température. Grâce à l'évaporation du bord d'ombre, la lithographie UV a ensuite été utilisée pour former des électrodes nanogap avec des largeurs latérales élevées (100μm), avec des écarts démontrés au-dessous de 7 nm. La combinaison de ces techniques aboutit à un procédé de fabrication à haut rendement et à faible besoin pour la construction de SET complets. A partir des transistors résultants, de fines lamelles ont été préparées à l'aide de FIB et des modèles 3D ont été reconstruits par tomographie TEM pour analyse. La caractérisation électrique a été effectuée jusqu'à 77K, avec une modélisation révélant le transport de Poole-Frenkel en parallèle à un éventuel cotunneling. Des blocus de Coulomb stables, la signature des SET, ont été observés avec une périodicité régulière et étaient identifiables jusqu'à 170K. L'optimisation de ce processus pourrait produire des SETs de surface élevée capables de fonctionner de manière stable à température ambiante. / The introduction of the single electron transistor (SET) shook the semiconductor industry, with promises of unrivaled efficiency. However, the cost and complexity associated with achieving stable operation have heavily hindered their adoption. Having fallen out of the graces of industry, academic research has continued to push, demonstrating novel techniques for SET creation. At the core of this stability issue is a need to controllably build nanoislands smaller than 10nm. Among the methods available for this nanoisland formation, atomic layer deposition (ALD) sets itself apart as an industrially scalable, highly controllable process. The second barrier to entry is the creation of nanogap electrodes, used to inject current through these nanoislands, for which researchers have leaned heavily on non-scalable fabrication techniques such as electron beam lithography and focused ion beam. The shadow edge evaporation technique overcomes the complexity and scaling issues of nanogap fabrication, opening new possibilities. In this work, ALD will be demonstrated as a superb technique for growing vast 3D arrays of sub 2nm platinum nanoparticles encapsulated in Al2O3. ALD provided a means of growing these nanoparticle matrices in a single process, under vacuum, and at low temperatures. Through shadow edge evaporation, UV lithography was then utilized to form nanogap electrodes with high lateral widths (100µm), with gaps demonstrated below 7nm. The combination of these techniques results in a high yield, low requirement fabrication process for building full SETs. From the resulting transistors, thin lamellas were prepared using FIB and 3D models were reconstructed via TEM tomography for analysis. Electrical characterization was performed down to 77K, with modeling revealing Poole-Frenkel transport alongside possible cotunneling. Stable Coulomb blockades, the signature of SETs, were observed with regular periodicity and were identifiable up to 170K. Optimization of this process could yield high surface area SETs capable of stable operation at room temperature.

L'objectif de cette thèse dans le domaine de la nanoélectronique est de contribuer à l'analyse des phénomènes de transport électronique quantique dans les nanostructures. Nous développons ainsi spécifiquement la théorie de raccordement des champs de phase (PFMT). Cette approche algébrique décrit les propriétés électroniques du système par les liaisons fortes, mais repose fondamentalement sur la technique de raccordement de phase des états électroniques des électrodes avec ceux sur les nanojonctions moléculaires. En comparant certains de nos résultats avec ceux des méthodes de principes premiers, nous avons montré la justesse et fonctionnalité de notre approche. Une alternative pratique et générale aux nombreuses techniques basées sur la fonction de Green, elle est appliquée dans ce travail de thèse pour modéliser le transport électronique à travers de nanojonctions sous forme de fils mono et diatomiques, constitués d'éléments de Na, Cu, Co, C, Si, Ga et As, mono et multivalents. / The aim of this thesis in the nanoelectronics domain is to present a contribution to the analysis of the quantum electronic transport phenomena in nanostructures. For this purpose, we specifically develop the phase field matching theory (PFMT). Within this algebraic approach the electronic properties of the system are described by the tight-binding formalism, whereas the analysis of the transport properties based on the phase matching of the electronic states of the leads to the states of the molecular nanojunctions. By comparing some of our results with those of the first principles methods, we have shown the correctness and fonctionality of our approach. Moreover, our method can be considered as a practical and general alternative to the Green’s function-based techniques, and is applied in this work to model the electronic transport across mono and diatomic nanojunctions, consisting of mono and multivalent Na, Cu, Co, C, Si, Ga and As elements.

Pour augmenter la résolution globale des détecteurs à très basse température, aujourd'hui couramment utilisés dans de nombreux champs de la physique des particules et de l'univers, les expériences à venir ne pourront faire l'économie du développement d'une cryo-électronique performante, à la fois moins bruyante et plus proche du détecteur. Dans ce contexte, ce travail s'intéresse aux possibilités offertes par les gaz d'électrons bidimensionnels (2DEG) GaAlAs/GaAs à travers l'étude expérimentale de deux composants distincts : les QPC (Quantum Point Contact) et les HEMT (High Electron Mobility Transistor). En s'appuyant sur la quantification de la conductance dans les QPC, phénomène issu de la physique mésoscopique, un transistor balistique quantique fonctionnant à 4.2 K a été réalisé. Le transport électronique à travers les bandes 1D permet d'obtenir un gain en tension supérieur à 1 avec une puissance dissipée d'environ 1 nW. En raison de leur très faible capacité d'entrée, ces dispositifs constituent également des candidats idéaux pour multiplexer des matrices de bolomètres haute impédance (collaboration DCMB). Les HEMT présentent des performances compatibles avec une utilisation à basse température, ayant une puissance dissipée de ~ 100 µW et un gain supérieur à 20. Le faible bruit en tension équivalent en entrée (1.2 nV/Hz1/2 à 1 kHz et 0.13 nV/Hz1/2 à 100 kHz) ouvre la voie à leur utilisation dans la lecture de détecteur de forte impédance. Conformément à la loi de Hooge, ces performances sont obtenues au détriment d'une capacité d'entrée élevée estimée à environ 60 pF.

L'effet Kondo naît du couplage tunnel entre une impureté magnétique et une mer de Fermi. L'essence de cet état de fortes corrélations électroniques trouve son origine dans la nature non perturbative du couplage d'échange entre le moment local et les électrons de conduction, et qui conduit à la formation d'un état fondamental non magnétique à température nulle. Dans le régime Kondo, toutes les propriétés physiques du système (impureté+réservoir d'électrons) s'expriment en fonction d'une unique échelle d'énergie, la température Kondo TK . Ce caractère universel a été observé dans des métaux contenant une grande quantité d'impuretés magnétiques ainsi que dans des impuretés artificielles comme les boîtes quantiques. Pour être mis en évidence expérimentalement, l'élément tunnel connectant le moment local et le réservoir de Fermi doit être large et l'on réfère souvent au problème Kondo comme à un problème de couplage fort. Les boîtes quantiques latérales offrent de grandes possibilités d' étudier plus en détail l'effet Kondo. En particulier, contraindre la mer de Fermi à une région finie de l'espace et comprendre comment cela influence l'écrantage du moment local, est une question cruciale du problème Kondo. Nous présenterons des mesures de transport à travers une double boîte quantique où une boîte quantique de petite taille jouant le rôle d'impureté magnétique sera couplée à une boîte quantique de grande taille jouant le rôle de réservoir fini. Différentes expériences effectuées dans le régime de couplage fort entre boîtes nous confronterons à la nature multi-niveaux de la grande boîte quantique et montrerons l'importance de considérer l'hybridation de multiples niveaux d'énergie. De plus, nous présenterons des données où le transport à travers le système est médié par des mécanismes de types Kondo impliquant un niveau hybridé entre boîtes. A la dégénérescence de charge des boîtes quantiques, une amplification de la température Kondo résultant de la réduction de l'énergie de charge du système, permet de révéler un singulet Kondo à température finie. En analysant les différentes configurations de spin possibles, nous discuterons la compétition entre deux singulets pouvant être stabilisés dans le système, un singulet de type Kondo et un singulet entre boîtes où les effets à multiples niveaux jouent un rôle important. Nous pensons que la réduction du couplage d'échange entre boîtes due au faible écart entre niveaux d'énergie dans la grande boite quantique explique l'invariance du phénomène observé en ce qui concerne l'occupation de cette même boîte, et ceci à la température électronique de base de notre expérience.

Cette thèse en mathématiques appliquées à la nanoélectronique aborde le problème de la simulation mathématique et numérique du transport de gaz d'électrons confinés dans certaines directions de l'espace. A l'échelle de la nanoélectronique, les phénomènes ondulatoires liés au transport des électrons ne peuvent plus être négligés et la description classique du transport électronique doit laisser place à une approche quantique. La modélisation de tels phénomènes nécessite la résolution de systèmes couplés de type Schrödinger-Poisson, coûteux numériquement. Cette thèse s'appuie donc sur le confinement fortement anisotrope des électrons dans de telles structures pour obtenir des modèles asymptotiques à dimensionnalité réduite, via une analyse asymptotique "fort confinement". La principale difficulté mathématique provient ici des oscillations rapides dues au confinement. Des méthodes telles que la moyennisation en temps long sont décrites pour y remédier. On s'intéresse dans cette approche à plusieurs situations de confinement différentes. Ainsi, on présente deux modèles asymptotiques pour la modélisation du transport d'électrons confinés sur un plan, ainsi qu'un modèle de confinement sur un plan d'un gaz d'électrons soumis à un champ magnétique fort uniforme. Enfin, on propose un modèle asymptotique mathématique ainsi que des simulations numériques dans le cas du transport d'électrons confinés dans un nanofil quantique. Celles-ci sont obtenues par des méthodes numériques basées sur l'idée de la réduction de dimensionnalité qui font appel notamment à une méthode de décomposition en sous-bandes.

Les transistors mono-électroniques (SETs) sont des dispositifs ayant un grand potentiel d'applications, comme la détection de charge ultra-sensible, la logique à basse consommation de puissance, la mémoire ou la métrologie. De plus, la possibilité de piéger un seul électron et de manipuler son état de spin pourrait permettre des applications en informatique quantique. Le silicium est un matériau intéressant pour fabriquer l'îlot d'un SET. Son gap semi-conducteur permet le fonctionnement du dispositif dans le régime à un seul électron ou trou et pourrait permettre d'étendre la plage d'opération du SET en température en augmentant l'énergie d'addition du diamant central de la valeur du gap. En outre, le silicium bénéficie de plus de quarante années d'expertise en microfabrication et d'une compatibilité avec la technologie métal-oxyde-semi-conducteur complémentaire (CMOS). Cependant, la fabrication de ces dispositifs fait face à de sérieuses limitations à cause de la taille nanométrique requise pour l'îlot. À ce jour, les procédés de fabrication proposés permettant l'opération à la température ambiante sont trop peu reproductibles pour permettre des applications à grande échelle. Dans ce mémoire de maîtrise, la fabrication de transistors mono-électroniques en silicium (Si-SETs) pour le traitement classique et quantique de l'information est réalisée avec un procédé nanodamascène. Le polissage chimico-mécanique (CMP) est introduit comme étape clef de la fabrication du transistor, permettant le contrôle au nanomètre près (nanodamascène) de l'épaisseur du transistor. Cet outil permet la fabrication de dispositifs ayant une géométrie auparavant impossible à réaliser et ouvre la porte à l'innovation technologique. De plus, un procédé de gravure du silicium par plasma à couplage inductif (ICP) est développé pour permettre la fabrication de nanostructures de silicium sur une nanotopographie alliant le nano et le 3D. Les Si-SETs fabriqués sont caractérisés à basse température et démontrent du blocage de Coulomb avec une énergie de charge de plus de 100 meV, soit quatre fois la température ambiante. De plus, le régime à un seul électron et les effets quantiques du confinement dans ce régime sont observés. Pour la première fois, le gap complet du silicium et les premiers diamants sont mesurés sur un dispositif fabriqué avec un procédé reproductible et industrialisable. Le diamant central voit son énergie d'addition augmentée de la valeur du gap du silicium, pour un total de plus de 1200 meV, soit 46 fois la température ambiante. Cette caractéristique pourrait ouvrir la porte à des applications en logique basse puissance dans un mode de transport à plusieurs électrons laissant circuler dix fois plus de courant dans l'état ouvert, tout en conservant le bas courant dans l'état fermé d'un SET.

Le graphène possède un gaz bidimensionnel de porteurs de charge stable et exposé à l'environnement sans aucune protection. Par conséquent, ses performances électriques sont extrêmement sensibles aux conditions environnementales, notamment aux impuretés chargées et aux corrugations imposées par le substrat sous-jacent. Ces éléments ont une contribution majeure dans la dégradation des propriétés de transport électronique du matériau.L'objectif de cette thèse est d'explorer par diverses techniques des méthodes pour atténuer ces effets par optimisation de son environnement direct.La première méthode consiste à reporter le graphènesur une couche neutre d'un cristal de nitrure de bore hexagonal (BN). Diverses techniques de fabrication d'empilement de Graphène sur BN sont présentées, notamment la croissance directe de graphène sur un cristal de BN exfolié sur un substrat catalytique qui aboutit à la formation d'empilements de structure bien contrôlée. Les échantillons sont mesurés à très basse température. Les effets de localisation faible mesurés par magnéto-transport montrent une amélioration nette des performances notamment de la longueur de cohérence et de la mobilité électronique par rapport à un échantillon de référence constitué du même ruban de graphène déposé sur substrat conventionnel de silicium oxydé.La deuxième technique consiste à isoler le graphène de son support par surgravure de la silice et suspension du graphène sous la forme d'une membrane autosupportée et tenue par ses extrémités. Après avoir introduit des techniques de fabrication spécifiques, les mesures de transport et le couplage à des modes de vibration mécanique sont étudiés température variable. Ces données permettent notamment une mesure du coefficient d'expansion thermique du graphène. / Charge carriers in graphene form stable two-dimensional gases which are fully exposed to the environment. As a consequence, the electrical performance of graphene is strongly affected by surface charged impurities as well as topographic perturbations inherited from the underlying substrate.This thesis addresses several methods to circumvent that issue.The first method consists in embedding graphene in an optimized environment by depositing graphene onto some neutral and crystalline material. Novel 2D insulating materials such as hexagonal boron nitride buffer layer (BN) appears as ideal substrates to get rid of detrimental effect of interfacial charges and corrugation. Several fabrication schemes of Graphene/BN stacks are shown including some direct in-situ growth of graphene on BN crystal using an innovative proximity-driven chemical vapour growth based on BN exfoliation on copper. In order to explore the effects of the improved substrate on the transport properties of graphene, we have performed low temperature magneto-transport studies on these stacks. We present a direct comparison of weak localization signals with those acquired on a graphene/silica reference device. A clear increase of the coherence length is shown on Graphene/BN stacks together with improved electronic mobility and charge neutrality.Removing the substrate and suspending graphene is another approach for optimization of the graphene environment which forms the second topic covered in this thesis. After introducing an improved recipe for preserving the quality of graphene throughout an elaborate fabrication process, we probe the room- and low-temperature performance of the nano-electro-mechanical devices based on doubly clamped suspended graphene ribbons. The obtained data are used for characterizing the thermal expansion of CVD graphene.

Le graphène héberge un gaz d'électrons bi-dimensionnel, sujet à un potentiel électrostatique désordonné dû aux impuretés de charge dans le substrat. Ce potentiel désordonné induit des inhomogénéités de la densité de porteurs de charge dans le graphène. Par ailleurs, l'écrantage dans le graphène mono-feuillet de ce potentiel dépend lui-même de la densité de porteurs de charge. L'effet du désordre de charge peut donc être modulé avec un potentiel de grille global, ce qui se manifeste en particulier dans la transconductance de dispositifs à base de graphène. Nous combinons des mesures par Microscopie/Spectroscopie à effet tunnel avec des mesures de transport in situ sur des dispositifs à base de mono-feuillets de graphène sur SiO2, à basse température. Les cartes de la densité locale d'états du graphène, à diverses tensions de grille, mettent en évidence l'augmentation progressive des dimensions latérales ainsi que de l'amplitude des inhomogénéités au voisinage du point de Dirac. Alors que la dépendance en grille de la taille des inhomogénéités est en bon accord avec les prédictions, leur amplitude est plus forte qu'attendue au point de Dirac. Nous expliquons ce désaccord en prenant en compte l'effet de grille local produit par la pointe elle-même, qui a pour effet d'amplifier expérimentalement toute variation de la densité de porteurs de charge lorsque celle-ci elle faible. Cette expérience est ainsi la première mesure qui relie quantitativement les propriétés de désordre de charge à l'échelle microscopique aux propriétés de transport macroscopiques d'un dispositif à base de graphène. / Graphene presents a two-dimensional system whose charge carriers are subjected to a disordered potential created by random charge impurities trapped in the substrate. This impurity potential induces an inhomogeneous carrier concentration. On the other hand, the ability of single-layered graphene to screen this potential strongly depends on the charge carrier density. Thus the effect of the resulting charge disorder can be tuned with the backgate which manifests also in the transport properties of the device. By combining Scanning tunneling microscopy and spectroscopy with in-situ transport at dilution temperature, we probe a system of single-layered graphene on SiO2. Local density of states maps on graphene, acquired at various carrier concentrations show gradual increase of spatial extent and amplitude of inhomogeneities as the Dirac point is approached. While the variations of the spatial extent of the fluctuations with back-gate show very good agreement with predictions, the observed amplitude of inhomogeneities show a larger than expected increase at low densities. We explain this as a result of the local gating effect exerted by the tip on graphene which amplifies any change in the intrinsic doping at low carrier concentrations. This is the first experiment bridging the gap between microscopic disorder and macroscopic transport properties of a graphene device.

Les architectures d’ordinateur classiques sont optimisées pour le traitement déterministe d’informations pré-formatées et ont donc des difficultés avec des données naturelles bruitées (images, sons, etc.). Comme celles-ci deviennent nombreuses, de nouveaux circuits neuromorphiques (inspirés par le cerveau) tels que les réseaux de neurones émergent. Des nano-dispositifs, appelés memristors, pourraient permettre leur implémentation sur puce avec une haute efficacité énergétique et en s’approchant de la haute connectivité synaptique du cerveau.Dans ce travail, nous étudions des memristors basés sur des jonctions tunnel ferroélectriques qui sont composées d’une couche ferroélectrique ultramince entre deux électrodes métalliques. Nous montrons que le renversement de la polarisation de BiFeO3 induit des changements de résistance de quatre ordres de grandeurs et établissons un lien direct entre les états de domaines mixtes et les niveaux de résistance intermédiaires.En alternant les matériaux des électrodes, nous révélons leur influence sur la barrière électrostatique et les propriétés dynamiques des memristors. Des expériences d’impulsion unique de tension montrent un retournement de polarisation ultra-rapide. Nous approfondissons l’étude de cette dynamique par des mesures d’impulsions cumulées. La combinaison de leur analyse avec de l’imagerie par microscopie à force piézoélectrique nous permet d’établir un modèle dynamique du memristor. Suite à la démonstration de la spike-timing-dependent plasticity, une règle d’apprentissage importante, nous pouvons prédire le comportement de notre synapse artificielle. Ceci représente une avance majeure vers la réalisation de réseaux de neurones sur puce dotés d’un auto-apprentissage non-supervisé. / Classical computer architectures are optimized to process pre-formatted information in a deterministic way and therefore struggle to treat unorganized natural data (images, sounds, etc.). As these become more and more important, the brain inspires new, neuromorphic computer circuits such as neural networks. Their energy-efficient hardware implementations will greatly benefit from nanodevices, called memristors, whose small size could enable the high synaptic connectivity degree observed in the brain.In this work, we concentrate on memristors based on ferroelectric tunnel junctions that are composed of an ultrathin ferroelectric film between two metallic electrodes. We show that the polarization reversal in BiFeO3 films can induce resistance contrasts as high as 10^4 and how mixed domain states are connected to intermediate resistance levels.Changing the electrode materials provides insights into their influence on the electrostatic barrier and dynamic properties of these memristors. Single-shot switching experiments reveal very fast polarization switching which we further investigate in cumulative measurements. Their analysis in combination with piezoresponse force microscopy finally allows us to establish a model describing the memristor dynamics under arbitrary voltage signals. After the demonstration of an important learning rule for neural networks, called spike-timing-dependent plasticity, we successfully predict new, previously unexplored learning curves. This constitutes an important step towards the realization of unsupervised self-learning hardware neural networks.