Les transistors à effet de champ sensibles aux ions (ISFET) sont des composants électroniques conçus pour fonctionner en phase liquide. Pour résumer, ce sont des MOSFET dont la grille métallique est remplacée par une membrane isolante ionosensible. Au début des années 2000, ces composants ont évolué avec l'introduction des premiers dispositifs à base de nanofils de silicium. Grâce à leurs faibles dimensions, ces capteurs ont ouvert de nouvelles perspectives, comme par exemple, l'étude des métabolismes intracellulaires. L'objectif de cette thèse a été de développer et d'étudier un capteur de type ISFET, à base de nanofils de silicium, ayant comme couche sensible l'alumine Al2O3. Les premiers travaux ont porté sur l'intégration de films minces d'alumine Al2O3 dans un procédé de type MOSFET. Ce matériau devant être déposé sur des nanofils de silicium, la technique de dépôt successif de couches moléculaires (Atomic Layer Deposition ALD) a été retenue. Cette méthode offre la possibilité de déposer des films d'épaisseur homogène tout autour des nanofils. Après l'étude de l'ALD-Al2O3, la deuxième grande partie de ce projet a consisté à développer, en utilisant les techniques de la microélectronique, des structures innovantes à base de nanofils de silicium. Des transistors constitués d'un seul nanofil, et d'autres constitués de réseaux parallèles de nanofils ont été réalisés. Ces capteurs ont été intégrés dans des canaux microfluidiques, permettant ainsi de localiser précisément le liquide sur les nanofils, mais aussi de pouvoir travailler en micro/nanovolumes. La dernière partie de ce projet a consisté à caractériser ces capteurs en phase liquide. Les différentes configurations ont montré leurs avantages et inconvénients en termes de transconductance, courants de fuite, pentes sous le seuil, sensibilités au pH et aux ions interférents (Na+ et K+). Les caractérisations se sont avérées excellentes et laissent entrevoir des perspectives intéressantes pour des applications biologiques. Les principales innovations de ces capteurs concernent : l'utilisation de nanofils suspendus, la réalisation d'une gaine isolante ionosensible bicouche SiO2/Al2O3 tout autour des nanofils, la variation du dopage le long des nanofils ce qui a conduit à la réalisation de jonctions N+/P/N+, et l'intégration des capteurs dans des canaux microfluidiques couverts. / Ion-sensitive field effect transistors (ISFET) are electronic components designed to operate in liquid phase. To summarize, they are MOSFET-based devices whose metal gate is replaced by an ionosensitive insulating layer. In the early 2000s, these components evolved with the introduction of the first device based on silicon nanowires. Thanks to their small dimensions, these sensors opened up new perspectives, such as the study of intracellular metabolisms. The aim of this thesis was to develop and study a type of ISFET sensor, based on silicon nanowires, with Al2O3 alumina as sensitive layer. The first part of this work was focused on the integration of thin alumina Al2O3 films in a MOSFET process. This material had to be deposited on silicon nanowires, that is why Atomic Layer Deposition (ALD) was used. This method allows to deposit films with uniform thickness all around nanowires. After the study of ALD-Al2O3, the second major part of this project was to develop innovative structures, based on silicon nanowires, using microelectronics methods. Transistors consisting of a single nanowire, and others consisting of parallel networks of nanowires were fabricated. These sensors were integrated in microfluidic channels, allowing to precisely locate the liquid on nanowires and also to work in micro/nanovolumes. The last part of this project consisted in characterizing these sensors in liquid phase. The different configurations showed their advantages and disadvantages in terms of transconductance, leakage currents, slopes below the threshold, sensitivities to pH and interfering ions (Na+ and K+). The characterizations proved to be excellent and suggest interesting prospects for biological applications. The main innovations of these sensors are: the use of suspended nanowires, the realisation of a bilayer SiO2/Al2O3 ion-sensitive sheath all around the nanowires, the doping variation along the nanowires which led to the realization of N+/P/N+ junctions, and the integration of sensors into covered microfluidic channels.

Motivées par des données expérimentales sur la magnétisation de réseau de nanofils de plomb, les résolutions numériques des équations stationnaires de Ginzburg-Landau (GL) se sont focalisées sur les géométries à symétrie axiale. L'effet Meissner, les états représentant un vortex d'Abrikosov ou encore des Vortex Géants (``GiantVortex') centrés à l'origine du cylindre ont alors pu être identifiés sous l’hypothèse d’invariance sous rotation selon l’axe de symétrie du cylindre étudié (modèle à une dimension, 1D). En identifiant le type de transition par le caractère continu ou non du paramètre d'ordre autour du changement de phase, une frontière à l'échelle mésoscopique a également pu être identifiée au travers du modèle 1D. Plus spécifiquement, la limite entre les deux types de transitions décrite par le paramètre phénoménologique κ = λ /ξ ( =1/√2 à l’échelle macroscopique) devient une fonction non constante dépendant à la fois du rayon normalisé, u=R/λ, et de la vorticité L: κ =f(u,L). Les deux longueurs caractéristiques λ et ξ représentent respectivement les longueurs de pénétration et de cohérence d’un échantillon supraconducteur. Une comparaison avec les résultats obtenus par Zharkov permet de valider notre démarche numérique employée pour la résolution numérique des équations de GL à une dimension. En employant un modèle à deux dimensions (2D), la symétrie sous rotation des solutions a également été relâchée. Basée sur le principe de moindre action, la résolution propose alors un schéma numérique indépendant du type d'équations du mouvement à solutionner. Les configurations du type MultiVortex ont alors pu être identifiées, et comparées aux solutions du groupe du Professeur F. Peeters. Ces différents accords ont confirmé la démarche développée. Une modélisation de la magnétisation expérimentale d'un réseau de nanofils a également été développée. De par la taille réduite des nanofils, l'interaction magnétique entre ceux-ci a pu être négligée. La magnétisation totale du réseau est alors construite par une sommation incluant la contribution individuelle en magnétisation de chaque fil, pondérée par un poids reflétant une distribution gaussienne pour les rayons des fils constituant le réseau. La magnétisation individuelle est évidemment obtenue par résolution des équations du mouvement de GL précédemment étudiées avec les modèles 1D et 2D. En ajustant les paramètres libres associés à ce modèle décrivant la magnétisation totale du réseau, les données expérimentales ont pu être reproduites endéans 10% de marge d'erreur, l'intervalle d'incertitude caractéristique de la théorie effective de Ginzburg-Landau. Ces variables attachées au modèle de la magnétisation totale, reprennent la valeur moyenne m et l'écart-type s de la distribution gaussienne, ainsi que les longueurs caractéristiques λ(T) et ξ(T) présentes dans la théorie de GL. Un test totalement indépendant de l'analyse des magnétisations a permis de valider les valeurs déterminées pour la distribution des rayons. Les grandeurs ajustées pour les longueurs λ(T) et ξ(T) ont fait l'objet d'une analyse supplémentaire en termes de leur dépendance en température et du libre parcours moyen des électrons. Malgré l'accord entre les données expérimentales et la magnétisation théorique, il est important de mentionner qu'un paramètre libre supplémentaire, associé à l'apparition de configurations décrivant un vortex magnétique, a dû être introduit. Il modifie empiriquement la métastabilité trop longue en mode champ externe décroissant de l'état décrivant un vortex d'Abrikosov. La correction expulse donc le vortex avant sa prédiction théorique liée à la disparition de la barrière de Bean-Linvingston. Une étude plus approfondie de cette barrière de potentiel fut donc également réalisée. Cependant, elle n'est pas concluante en regard des données expérimentales analysées. Il n'en demeure pas moins que la transition apparaît dans un domaine en champ magnétique cohérent vis-à-vis de la description en énergie libre des états de vorticités voisines d'une unité de quantum de flux magnétique. La correspondance entre les longueurs caractéristiques du modèle phénoménologique de GL et les longueurs issues des théories microscopiques de Pippard et BCS a également abordée. Cette étude permet entre autre de comparer les différentes dépendances possibles en température avec les longueurs obtenues de l'analyse de magnétisation des nanofils en plomb. Au delà de l'accord avec le modèle des deux-fluides de Gorter et Casimir, une extrapolation bien en deçà de la température critique Tc est proposée pour les paramètres phénoménologiques λ(T) et ξ(T) de Ginzburg-Landau. Même si la correspondance entre les magnétisations expérimentales et théoriques semblait déjà l'indiquer, il est possible d'appliquer les équations de Ginzburg-Landau pour décrire le comportement magnétique du plomb bien en deçà de sa température critique. De plus, les paramètres associés possèdent une dépendance tout à fait conforme à une autre théorie empirique, le modèle des deux-fluides. Basée sur le modèle de Pippard, une détermination de la valeur du libre parcours moyen des normaux a également été isolée. Elle justifie alors une distinction entre les deux échantillons analysés en terme de leur degré d'impureté. Les résultats électrons obtenus étant en accord avec les procédures de fabrication des nanofils de plomb, cette nouvelle constatation, positive avec l'expérience, confirme une fois de plus la cohérence du modèle développé pour la magnétisation totale, et justifie l'emploi des équations de GL à toutes les températures en dessous de Tc. / Mesoscopic superconductors are described within the framework of the nonlinear Ginzburg-Landau theory. The two coupled nonlinear equations are solved numerically and we investigate the properties, in particular the order of the transition and the vortex configurations, of cylinders submitted to an external magnetic field. Meissner state, Abrikosov vortices, GiantVortex and MultiVortex solutions are described. The Bean-Livingston barrier in mesoscopic cylinders is also numerically studied. This theoretical work was applied to understand experimental magnetizations of lead nanowires in an array well below the superconducting transition temperature Tc. By freely adjusting the GL phenomenological lengths λ (T) and ξ (T), the experimental magnetization curves are reproduced to within a 10% error margin. The Meissner and the Abrikosov state were also experimentally observed in this apparently type-I superconductor. This fact is a consequence of the non-trivial behaviour of the critical boundary κ _c ($=1/√2 in bulk materials) between type-I and type-II phase transition at mesoscopic scales. Beyond the experimental-theoretical agreement, the question whether the GL model remains valid far below Tc is also addressed. The temperature dependence of the adjusted characteristic lengths is compared with different theoretical and empirical laws. The best agreement is achieved for the Gorter-Casimir two-fluid model. A comparison between lead nanowire arrays electrodeposited under constant and pulsed voltage conditions allows us to distinguish both samples in terms of their electronic mean free paths. The characterisation of the latter quantities concurs perfectly with the experimental expectation given the different electrodeposition techniques.

Au cours de cette thèse, on étudie les systèmes différents : graphène (une monocouche de carbone), graphène fonctionnalisé et les nanofils de Bismuth en induisant la supraconductivité par l’effet proximité. On montre que l’effet proximité fonctionne comme un probe sensible pour les effets des interactions, de couplage spin-orbite, etc.La structure de band de graphène a une relation dispersion linéaire au niveau de Fermi, et le band de conductance et le band de valence est lié aux six points dans l’espace réciproque, appelé le point Dirac. Autour du point Dirac, graphène occupe d’une densité d’état faible (par rapport aux métaux). Alors le niveau de Fermi dans graphene est modulable. On fabrique les jonctions S/Graphene/S avec les contacts de matériaux différents (Al, ReW, Nb). En comparant avec la théorie, on a complété le diagramme du produit R_N I_c (R_N la résistance d’état normal, I_c le courant critique dans une jonction) vs l’énergie Thouless E_Th (une énergie caractéristique intervient dans la jonction SNS longue et dépend la partie normale). Une réduction de R_N I_c globale de la jonction courte à la jonction longue, surtout dans la limite de la jonction longue, la réduction est 10 fois plus grande que celle de la jonction courte. On l’explique par une réduction d’une énergie Thouless effective à cause l’interface S/G imparfaite. Une suppression du supercourant près du point Dirac dans les jonctions longues est considérée comme une signature de la réflexion Andreev spéculaire sur les « puddles » dans le graphène. Aussi, l’injection des paires de Cooper dans les états de bord de l’effet Hall quantique du graphène est étudiée dans cette thèse.L’interaction du couplage spin-orbite et l’effet proximité peut produire les physiques très intéressantes comme le supra de triplet, jonction π, et récemment la formation des Fermions majoranas. Motivé par ces possibilités d’explorer les nouvelles physiques, on a essayé d’induire le couplage spin-orbite dans graphène dans lequel ce couplage est initialement très faible. En greffant les molécules de Pt-porphyrines, qui tiennent un atome de Pt au milieu, on espère que le couplage spin-orbite fort dans l’atome de Pt peut « diffuser » dans le graphène. Au lieu d’avoir vu le couplage spin-orbite, on a plutôt découvert un magnétisme qui dépend la grille dans le graphène induit par les molécules. Plusieurs échantillons avec les contacts normaux ou supraconducteurs sont mesurés avant et après mettant les molécules. Un transfert de charge dans deux sens (électron ou trou) est observé à la température ambiante. Il est lié à l’alignement des niveaux de Fermi des molécules et le graphène. A basse température (~70mK), les hystérésis dans la magnétorésistance (MR) et une asymétrie en B_(//) et B_⊥ impliquent un magnétisme dans graphène. Plus spectaculaire, une asymétrie en la dépendance de la grille du supercurrent est détectée. Bismuth est un élément très lourd et un matériau avec le couplage Rashba spin-orbite fort. On a connecté les nanofils de Bismuth avec tungstène (H_c∼12T) électrodes par FIB (Focused Ions Beam) et induit l’effet proximité dans les fils. Les résultats les plus étonnants sont : (1) le supercourant se tient au champ magnétique jusqu’à 11 Tesla. (2) Il y a des oscillations dans le courant critique en fonction du champ avec une période de centaine gauss qui ressemble à celui d’une structure de SQUID (composé des deux jonctions Josephson en parallèles. (3) Sur ces oscillations, nous trouvons aussi une modulation quasi-périodique lente de quelque milles gauss. Pour expliquer tous ces phénomènes, nous proposons qu’il y a quelques canaux étroites balistiques 1D se forment aux bords des certaines surfaces qui se tiennent au champ jusqu’à 11T et se construisent une interférence entre eux. L’effet Zeeman cause une modulation de phase entre les quasi-particules dans une paire d’Andreev qui module donc le supercourant en échelle de quelques milles gauss. / In this thesis we investigated graphene and Bi nanowire systems by inducing superconducting proximity effect in them. Typically the samples are realized in the form of S/N/S junction. The special properties of these systems are revealed by observing some unusual proximity effect in them. The interplay of the superconducting proximity effect and other effects (spin-orbit coupling, Zeeman effect, quantum Hall effect, impurities, etc...) at the mesoscopic scale gives rise to new physics. Some of our main results are listed below.GrapheneWe succeeded to induce superconducting proximity effect in the very long junction limit, thus completing the diagram of the superconducting proximity effect in graphene. Since by changing the gate voltage, one changes the carrier density in graphene and eventually the transport characteristic quantities (l_e, E_Th etc...). We could scan a whole range of Thouless energy. We present a diagram of eR_N I_c vs Thouless energy compared to theoretical prediction. The Thouless energy dependence of the eR_N I_c products varies from the long junction limit to the short junction limit. The discrepancy (mainly due to the imperfect S/G interface) between theory and experiment is also limit dependent: in the short junction limit, the eR_N I_c products are smaller than the theoretical prediction (with a perfect interface) by a factor of about 3-4; in the long junction limit, however, the disagreement is increased to about 100. We show that the factor deduced from the junctions in different limits is length dependent. This can be explained by the effect of finite transmission at the S/G interface in both the critical current I_c and the induced mini-gap in the graphene. In another hand, a suppression of supercurrent near the Dirac point is observed in long junctions which is attributed to the indication of the specular Andreev reflection upon the puddles in graphene. Also the injection of the Cooper pairs into the QHE edge states is investigated in this thesis.Graphene grafted with Pt-porphyrinsBy grafting the Pt-porphyrins onto graphene, we observed a charge transfer between molecules and the graphene both for electrons and holes. One of the important consequences of the charge transfer is that when the molecules are ionized, a collective magnetic order can be formed by the long range RKKY interaction: the magnetic moments interact via the carrier in graphene. This effect is detected by a hysteretic magnetoresistance of the graphene in a perpendicular field and the asymmetric magnetoresistance in parallel field. Even more striking, the observation of a unipolar supercurrent in S/G/S junction implies that this magnetism induced by porphyrins is gate dependent. The theoretical calculations by Uchoa et al. using the Anderson model indeed find that the gate voltage should tune the impurities in graphene between non-magnetic state and magnetic state.Bi nanowireThe observation of a SQUID-like oscillations persisting up to 10 T and thousands Gauss range modulation in I_c hints to a complex physic in the W-Bi nanowire-W junctions. The results are consistent with a SQUID structure consisting of 2 edges channels which could have an I_c oscillation with period defined by the area between the two edges, typically the size of the nanowire. The origin of the edge states formation is attributed to the strong spin-orbit coupling in Bi that leads to the quantum spin Hall (QSH) state. The thousands Gauss range modulation is the consequence of the interplay between the Zeeman effect and the proximity effect. The phase accumulation in an Andreev quasiparticle pair is Δϕ=g_eff⋅μ_B⋅B_(//) (ℏv_F/L) which is of the order of few thousands Gauss. In one particular sample, a full modulation of the critical current with about 1 T range is observed. This is similar to the proximity effect in S/F/S junctions which suggests a 0-π junction transition.

Dans cette thèse, l'interaction entre les grains colloïdaux avec une ligne de disclinaison dans un cristal liquide nématique est explorée. Deux types de colloïdes ont été utilisés; sphérique (billes de silice) et allongé (nanotubes de carbone). En plus, différents types d'ancrage sur leur surface sont obtenus; planaire, homéotrope, et Janus (moitié planaire - moitié homéotrope). Ces paramètres ont été modifiés dans le but d'examiner et d'évaluer la force nématique agissant entre les grains colloïdaux et la ligne de disclinaison, qui est le résultat de l'interaction élastique entre les deux. Cette force est de l'ordre du pico-Newton et capable d'attirer et de fixer les colloïdes dispersés dans le cristal liquide nématique sur la ligne de disclinaison. Une fois que les colloïdes sont fixés sur la ligne de disclinaison, ils peuvent être collés ensemble par électropolymérisation de pyrrole. Ce qui donne lieu à un nanofil conducteur en 3 dimensions, qui est auto-assemblé et auto-connecté à des électrodes prédéfinies à l'intérieur du cristal liquide nématique. / Throughout this thesis, the interaction between the colloidal grains with a disclination line in a nematic liquid crystal is explored. Two types of colloids were used; spherical (silica beads) and elongated (carbon nanotubes). In addition different types of anchoring conditions on their surface is obtained; planar, homeotropic, and Janus (half planar – half homeotropic). These parameters were varied in the aim to examine and evaluate the nematic force acting between the colloidal grains and the disclination line, which is a result of the elastic interaction between the two respectively. This force is in the order of pico-newton, and capable of attracting and fixing the dispersed colloids, in the nematic liquid crystal, on the disclination line. Once the colloids are fixed on the disclination line, they can be glued together by means of electropolymerization of pyrrole. This gives rise to a 3 dimensional conductive nanowires, which are auto-assembled, and auto-connected to predesigned electrodes inside the nematic liquid crystal.

Les propriétés électro-thermo-mécaniques remarquables qui peuvent apparaître dans les nanofils de silicium font l'objet d'un nombre croissant de travaux de recherche. Ces travaux de thèse de nature fortement expérimentale, visent à donner une meilleure connaissance de ces propriétés dans le cas de nanofils, en silicium monocristallin, fabriqués par approche descendante. Pour caractériser la piézorésistivité, deux méthodes de chargement mécaniques ont été développées : la flexion 4 points de puce et la traction/compression in situ avec un actionneur MEMS. La méthode 3ω a été choisie pour des mesures de conductivité thermiques. Ces propriétés ont été étudiées en fonction de la température et la contrainte dans une station sous pointes cryogénique.Les résultats montrent que les nanofils fabriqués à partir de substrats SOI amincis peuvent, de manière inattendue, être fortement contraints en compression après fabrication. Les nanofils de type p présentent, même en régime de mesure dynamique, des coefficients piézorésistifs élevés qui décroissent fortement avec la température et permettent une détection intégrée de mouvement de MEMS avec une limite de détection inférieure à l'Angström. Les mesures thermiques confirment l’effet d’échelle attendu de la conductivité thermique, la décroissance avec la température est compatible avec les résultats théoriques et expérimentaux précédemment publiés. / Remarkable nanoscale electro-thermo-mechanical properties of silicon nanowires are increasingly studies. This experimental thesis investigates such properties for top-down fabricated monocrystal silicon nanowires.A four points bending set-up and a MEMS actuator are developed to apply ex situ and in situ mechanical stress on nanowires. Those devices are characterised in a cryogenic environment within a microprobe station. Electrical properties and piezoresistivity are studied using those systems. Moreover, the 3ω method measures the thermal conductivity of these nanowires.From buckling of silicon nanowires, unexpected high compressive stress (>100 MPa) was identified in top silicon layers of SOI substrates. Drift-compensated measurements show that p type silicon nanowires present large piezoresistive coefficients which decrease with temperature. Additionally, the MEMS device demonstrates the possibility to detect ample MEMS movements with sub-ångström resolution using the nanowires as piezoresistive nanogauges. The thermal conductivity was found consistent with previously reported values for silicon nanowires, and expectedly decreases with temperature.

Ce travail de théorie et simulation est consacré a l'étude des propriétés électroniques et des propriétés de transport mésoscopique de nanostructures. Nous utilisons une méthode numérique efficace qui permet le calcul de la conductivité de Kubo-Greenwood dans un formalisme de liaisons fortes. Cette approche offre la possibilité d'étudier avec précision des systèmes de plusieurs millions d'atomes et donc de comprendre les mécanismes de transport mis en ?uvre dans les systèmes désordonnés et de faible dimensionalité. Après une brève description des deux nano-objets auxquels nous nous sommes intéressés, les nanofils de silicium 1D et les plans de graphène 2D, et après un chapitre détaillant la méthodologie numérique et les concepts liés à l'approche de Kubo-Greenwood en espace réel, nous étudions l'impact de la rugosité de surface sur le transport électronique dans les nanofils de silicium. Nous montrons que les performances en terme de transport peuvent être directement reliées a la structure électronique sous-jacente. Nous montrons également qu'en fonction de leur orientation cristallographique, de grandes différences apparaissent dans la structure électronique des nanofils de silicium, ce qui conditionne par la suite les propriétés de transport. Puis nous regardons le cas du dopage des nanofils de silicium et nous discutons des effets d'écrantage électronique. Pour finir, le dernier chapitre est consacré à l'impact du désordre d'Anderson et à l'influence des dopants sur le transport dans les plans de graphène. Nous montrons notamment que l'introduction de dopants brise la symétrie électron-trou initialement présente dans les plans de graphène.

Ce travail porte sur la fabrication et la mesure de détecteurs quantiques supraconducteurs. Pour nano-structurer ces dispositifs, nous utilisons une technique de lithographie en champ proche : l'anodisation locale sous la pointe d'un microscope à force atomique (AFM). Nous appliquons cette technique à des films ultra-minces (2-10 nm) à base de niobium (Nb, NbN) épitaxiés sur des substrats de saphir. La résolution ultime que nous obtenons est de 10nm. Elle nous permet de réaliser des nanofils cristallins dont la section est nanométrique (100nm2) et homogène sur de grandes distances ( 40µm). Nous caractérisons en amont la qualité cristalline des films et mesurons leurs propriétés électriques jusqu'aux plus basses températures. Ces expertises sont menées en parallèle, sur des films d'épaisseur variable et nous permettent l'analyse de la transition supraconducteur-isolant dans les films ultra-minces en fonction du désordre mesuré dans les couches. Nous déterminons les régimes dissipatifs des nanofils supraconducteurs à très basses températures. Dans le régime de point chaud, nous montrons que les nanofils permettent la détection rapide d'un photon unique. Les détecteurs sont sensibles au photon unique dans le visible et à deux photons dans l'infrarouge. Ces détecteurs supraconducteurs ont une résolution temporelle inégalée par les détecteurs semiconducteurs. Ils peuvent être utilisés comme des compteurs de photons et être utiles à l'implémentation d'une cryptographie classique et quantique pour la transmission d'information sécurisée.

Cette thèse porte sur l'étude de nanofils silicium réalisés par approche top-down. Elle s'inscrit dans le contexte de la miniaturisation des composants et la compréhension du transport dans les systèmes 1D.<br /><br />Deux voies de fabrication sont envisagées : la lithographie par AFM (Microscope à Force Atomique) et la lithographie électronique. Cette dernière étant plus reproductible, les dispositifs finaux sont fabriqués par cette technique, à partir d'un substrat SOI et plusieurs étapes de gravure et métallisation.<br /><br />L'étude des nanofils par mesures I(V) nous permet de mettre en évidence une zone déplétée à l'interface Si/SiO2 natif. Grâce à l'utilisation de nanofils de largeurs et de longueurs différentes, nous sommes capables de déterminer la largeur de la zone déplétée, la densité d'états d'interface ainsi que le niveau de dopage des nanofils. L'évolution de la résistance des nanofils avec la température est également étudiée et montre une dépendance associée à la diffusion des phonons de surface.<br /><br />Trois applications sont ensuite décrites : un décodeur, un commutateur de courant et un capteur biologique. En effet, la gravure locale des nanofils conduit à une modulation de la bande de conduction, rendant possible la réalisation d'un décodeur. D'autre part, la fabrication de croix à base de nanofils et de grilles latérales à proximité des croix qui contrôlent le passage du courant dans les différentes branches permet de former un commutateur de courant. Enfin, grâce au rapport important de la surface par rapport au volume des nanofils et leur bonne fonctionnalisation chimique, ceux-ci sont utilisés pour détecter électriquement des interactions biologiques (détection de l'ovalbumine).

Motivées par des données expérimentales sur la magnétisation de réseau de nanofils de plomb, les résolutions numériques des équations stationnaires de Ginzburg-Landau (GL) se sont focalisées sur les géométries à symétrie axiale. L'effet Meissner, les états représentant un vortex d'Abrikosov ou encore des Vortex Géants (``GiantVortex') centrés à l'origine du cylindre ont alors pu être identifiés sous l’hypothèse d’invariance sous rotation selon l’axe de symétrie du cylindre étudié (modèle à une dimension, 1D). En identifiant le type de transition par le caractère continu ou non du paramètre d'ordre autour du changement de phase, une frontière à l'échelle mésoscopique a également pu être identifiée au travers du modèle 1D. Plus spécifiquement, la limite entre les deux types de transitions décrite par le paramètre phénoménologique κ = λ /ξ ( =1/√2 à l’échelle macroscopique) devient une fonction non constante dépendant à la fois du rayon normalisé, u=R/λ, et de la vorticité L: κ =f(u,L). Les deux longueurs caractéristiques λ et ξ représentent respectivement les longueurs de pénétration et de cohérence d’un échantillon supraconducteur. Une comparaison avec les résultats obtenus par Zharkov permet de valider notre démarche numérique employée pour la résolution numérique des équations de GL à une dimension. En employant un modèle à deux dimensions (2D), la symétrie sous rotation des solutions a également été relâchée. Basée sur le principe de moindre action, la résolution propose alors un schéma numérique indépendant du type d'équations du mouvement à solutionner. Les configurations du type MultiVortex ont alors pu être identifiées, et comparées aux solutions du groupe du Professeur F. Peeters. Ces différents accords ont confirmé la démarche développée. Une modélisation de la magnétisation expérimentale d'un réseau de nanofils a également été développée. De par la taille réduite des nanofils, l'interaction magnétique entre ceux-ci a pu être négligée. La magnétisation totale du réseau est alors construite par une sommation incluant la contribution individuelle en magnétisation de chaque fil, pondérée par un poids reflétant une distribution gaussienne pour les rayons des fils constituant le réseau. La magnétisation individuelle est évidemment obtenue par résolution des équations du mouvement de GL précédemment étudiées avec les modèles 1D et 2D. En ajustant les paramètres libres associés à ce modèle décrivant la magnétisation totale du réseau, les données expérimentales ont pu être reproduites endéans 10% de marge d'erreur, l'intervalle d'incertitude caractéristique de la théorie effective de Ginzburg-Landau. Ces variables attachées au modèle de la magnétisation totale, reprennent la valeur moyenne m et l'écart-type s de la distribution gaussienne, ainsi que les longueurs caractéristiques λ(T) et ξ(T) présentes dans la théorie de GL. Un test totalement indépendant de l'analyse des magnétisations a permis de valider les valeurs déterminées pour la distribution des rayons. Les grandeurs ajustées pour les longueurs λ(T) et ξ(T) ont fait l'objet d'une analyse supplémentaire en termes de leur dépendance en température et du libre parcours moyen des électrons. Malgré l'accord entre les données expérimentales et la magnétisation théorique, il est important de mentionner qu'un paramètre libre supplémentaire, associé à l'apparition de configurations décrivant un vortex magnétique, a dû être introduit. Il modifie empiriquement la métastabilité trop longue en mode champ externe décroissant de l'état décrivant un vortex d'Abrikosov. La correction expulse donc le vortex avant sa prédiction théorique liée à la disparition de la barrière de Bean-Linvingston. Une étude plus approfondie de cette barrière de potentiel fut donc également réalisée. Cependant, elle n'est pas concluante en regard des données expérimentales analysées. Il n'en demeure pas moins que la transition apparaît dans un domaine en champ magnétique cohérent vis-à-vis de la description en énergie libre des états de vorticités voisines d'une unité de quantum de flux magnétique. La correspondance entre les longueurs caractéristiques du modèle phénoménologique de GL et les longueurs issues des théories microscopiques de Pippard et BCS a également abordée. Cette étude permet entre autre de comparer les différentes dépendances possibles en température avec les longueurs obtenues de l'analyse de magnétisation des nanofils en plomb. Au delà de l'accord avec le modèle des deux-fluides de Gorter et Casimir, une extrapolation bien en deçà de la température critique Tc est proposée pour les paramètres phénoménologiques λ(T) et ξ(T) de Ginzburg-Landau. Même si la correspondance entre les magnétisations expérimentales et théoriques semblait déjà l'indiquer, il est possible d'appliquer les équations de Ginzburg-Landau pour décrire le comportement magnétique du plomb bien en deçà de sa température critique. De plus, les paramètres associés possèdent une dépendance tout à fait conforme à une autre théorie empirique, le modèle des deux-fluides. Basée sur le modèle de Pippard, une détermination de la valeur du libre parcours moyen des normaux a également été isolée. Elle justifie alors une distinction entre les deux échantillons analysés en terme de leur degré d'impureté. Les résultats électrons obtenus étant en accord avec les procédures de fabrication des nanofils de plomb, cette nouvelle constatation, positive avec l'expérience, confirme une fois de plus la cohérence du modèle développé pour la magnétisation totale, et justifie l'emploi des équations de GL à toutes les températures en dessous de Tc. / Mesoscopic superconductors are described within the framework of the nonlinear Ginzburg-Landau theory. The two coupled nonlinear equations are solved numerically and we investigate the properties, in particular the order of the transition and the vortex configurations, of cylinders submitted to an external magnetic field. Meissner state, Abrikosov vortices, GiantVortex and MultiVortex solutions are described. The Bean-Livingston barrier in mesoscopic cylinders is also numerically studied. This theoretical work was applied to understand experimental magnetizations of lead nanowires in an array well below the superconducting transition temperature Tc. By freely adjusting the GL phenomenological lengths λ (T) and ξ (T), the experimental magnetization curves are reproduced to within a 10% error margin. The Meissner and the Abrikosov state were also experimentally observed in this apparently type-I superconductor. This fact is a consequence of the non-trivial behaviour of the critical boundary κ _c ($=1/√2 in bulk materials) between type-I and type-II phase transition at mesoscopic scales. Beyond the experimental-theoretical agreement, the question whether the GL model remains valid far below Tc is also addressed. The temperature dependence of the adjusted characteristic lengths is compared with different theoretical and empirical laws. The best agreement is achieved for the Gorter-Casimir two-fluid model. A comparison between lead nanowire arrays electrodeposited under constant and pulsed voltage conditions allows us to distinguish both samples in terms of their electronic mean free paths. The characterisation of the latter quantities concurs perfectly with the experimental expectation given the different electrodeposition techniques.

Ce mémoire de thèse traite de la caractérisation de microfils et nanofils semi-conducteurs dopés individuels par microscopie à émission de photoélectrons X (XPEEM) complétée par des techniques de champ proche : microscopie à sonde Kelvin (KFM) et microscopie capacitive à balayage (SCM). L'objectif est d'évaluer l'apport des méthodes locales de surface " sans contact ", grâce à la mesure du travail de sortie local et de l'énergie de liaison des niveaux de coeur, pour l'étude des phénomènes liés au dopage dans ces objets, comme par exemple l'uniformité longitudinale. Nous mettons d'abord en évidence l'importance de la préparation des échantillons pour la mise en oeuvre des techniques citées: méthodes de transfert des fils, adéquation du substrat, influence des caractérisations pré-analyse. Nous présentons ensuite deux principales études de cas en lien avec une problématique technologique : les microfils de nitrure de gallium dopés Si (diamètre 2 μm) pour applications dans l'éclairage à l'état solide, et les jonctions p-n à nanofils de Si (diamètre 100 nm) pour la nanoélectronique basse puissance. Dans le premier cas, nous avons mis en oeuvre la SCM pour l'identification rapide de l'hétérogénéité axiale du dopage n, puis avons utilisé l'imagerie XPEEM spectroscopique avec excitation synchrotron pour, d'abord, estimer le travail de sortie local et la courbure de bande en surface; puis élucider les modes d'incorporation du silicium en surface qui pointent notamment sur la sensibilité des conditions d'élaboration dans la part du dopage intentionnel (Si en sites Ga) et non intentionnel (Si sur sites lacunaires en azote). Des mesures complémentaires sur sections radiales et longitudinales de fils, par microscopie Auger et spectrométrie ToF-SIMS montrent une incorporation du Si limitée à la surface des microfils. Concernant les jonctions p-n à nanofils de silicium étudiées après retrait partiel de l'oxyde de surface, nous avons mis en relation des résultats obtenus indépendamment par KFM et par XPEEM. Ils mettent en lumière une très faible différence de travail de sortie local entre partie n et partie p, et qui semble en partie expliquée par un ancrage du niveau de Fermi en surface.