En 2004, un nouveau matériau, le graphène, a été isolé pour la première fois sur un substrat de SiO2, en utilisant une technique d’exfoliation mécanique par K.S. Novoselov et A.K. Geim – Prix Nobels de Physique 2010. Ce matériau, qui présente des propriétés électriques et mécaniques extraordinaires, a suscité d’importants travaux de recherche. Dès lors, différentes méthodes de synthèse du graphène sur des substrats de plus en plus grands sont développées. C’est dans ce cadre que j’ai commencé mes travaux de recherche en 2007, avec pour objectif de démontrer les potentialités des transistors à base de graphène, pour des applications hyperfréquences. Notre choix s’est orienté sur la synthèse du graphene par graphitisation du SiC. Ces travaux se sont déroulés en étroite collaboration avec le groupe EPIPHY en charge de la synthèse du matériau, dans le cadre du projet ANR XP-Graphene labellisé en 2007, avec le soutien de ST-Microeletronics. Après avoir mis en évidence les propriétés du matériau ayant un impact sur les caractéristiques des transistors à effet de champ sur ce matériau, j’ai développé au cours de ma thèse des procédés technologiques permettant de fabriquer des transistors sur ce type de matériau, ainsi qu’une procédure de caractérisation des différentes étapes technologiques. A titre d’exemple, un travail important a été mené sur les aspects de la nanolithographie, de manière à réaliser de manière courante des réseaux de nano rubans de largeur 20 nm, de longueur 1 µm, et espacés de 40 nm.  A l’issue de ma thèse, j’ai réussi à fabriquer et à caractériser des transistors présentant des performances hyperfréfrences globales au meilleur niveau international. / In 2004, a new material, graphene, was isolated for the first time on a SiO2 substrate, using a technique of mechanical exfoliation by KS Novoselov and AK Geim - Nobel Prize in Physics, 2010. This material, which has extraordinary mechanical and electrical properties, has attracted significant research works. Therefore, different methods of synthesis of graphene on grand surface are developed. It is in this context that I began my research in 2007 with the aim of demonstrating the potential of graphene-based transistors for microwave applications. Our choice was oriented toward to the synthesis of graphene by graphitization of SiC. These studies were conducted in close collaboration with the group EPIPHY, as the part of the ANR project Graphene XP-certified in 2007, with support from ST-Microeletronics. Having identified the material properties that affect the characteristics of field effect transistors on this material, I have developed during my thesis technological process for making transistors on such material, as well as a procedure for characterizing the different technological steps. For example, important work has been conducted on aspects of nanolithography, to achieve networks of nano ribbons of 20 nm width, length 1 m, and spaced 40 nm. The transistors fabricated and characterized during my thesis work having performances at the highest international level.

Le graphène planaire se présente comme un des matériaux les plus prometteurs pour la nanoélectronique de demain, grâce particulièrement à sa conductivité thermique et sa mobilité électronique qui sont les plus élevées jamais mesurées dans un solide. Parmi ses allotropes, le graphène découpé en nanorubans est une des formes les plus intéressantes, notamment pour les possibilités d'ingénierie de bandes qu'il offre. Ses propriétés électroniques et vibrationnelles sont fortement influencées par la présence des bords et s’éloignent de celles du graphène planaire. A ce jour, ses propriétés thermiques et thermoélectriques ont été encore peu explorées. Dans ce travail de thèse, grâce à une modélisation atomistique du réseau cristallin, les modes de vibration caractéristiques de chaque type de ruban ont été identifiés et, dans le cadre du formalisme des fonctions de Green hors équilibre, le transport de ces modes a été simulé. On a ainsi évalué les propriétés thermiques des nanorubans en identifiant les types de rubans offrant la plus forte conductance thermique pour envisager une meilleure gestion de la chaleur dans les dispositifs du futur. Dans la direction opposée, des techniques de nanostructuration du ruban permettent de dégrader le transport des phonons et d’amplifier la figure de mérite thermoélectrique en bénéficiant simultanément d'un phénomène de transport électronique résonant. En exploitant ces techniques, un premier dispositif thermoélectrique basé sur les nanorubans de graphène a été conçu et ses performances ont été évaluées par une approche multi-échelle. La possibilité de très forte densité d’intégration du graphène fait l’intérêt d’un tel dispositif qui pourrait fournir des puissances électriques ou de refroidissement très supérieures à celles des dispositifs thermoélectriques actuels. / 2D graphene is one of the most promising materials for nanoelectronics; its thermal conductivity and electronic mobility are the highest ever measured in solids. Among its allotropes, graphene cut in nanoribbons (GNRs) is one of the most interesting structures because it offers possibilities of bandgap engineering. Electronic and vibrational properties of GNRs are strongly affected by the presence of the edges and can differ significantly from those of 2D graphene. Up to now, their thermal and thermoelectric properties have been rarely explored. In this thesis, using an atomistic model of crystal lattice, the vibrational modes associated to each type of ribbon have been identified and via the formalism of nonequilibrium Green’s functions, the transport of these modes has been simulated. We have evaluated the better ribbon structures in terms of thermal conductance for a better heat management in future devices and circuits. On the other side we have identified some particular nanostructured ribbons where the thermoelectric figure of merit is strongly amplified thanks to both the degradation of phonon conductance and the occurring of resonant electron transport. A first thermoelectric device based on such GNRs has been designed and its performance has been evaluated using a multi-scale approach. This device becomes interesting in the case of high integration density of GNRs.

Cette thèse démontre le potentiel d'utilisation du graphène pour la fabrication de transistors à effet de champ à couche mince. Celui-ci est préparé par exfoliation en phase liquide et co-déposé avec un polymère semiconducteur du type n. Cette stratégie montre que le graphène améliore le comportement ambipolaire du polymère et plus particulièrement le transport des trous ce qui renforce l'application des matériaux composites au graphène dans les circuits logiques.Par la même approche de mélange, de nouveaux nanorubans de graphène dispersés en solution, ont été utilisés pour améliorer la performance des dispositifs basés sur un polymère amorphe de type p. Ces nanorubans forment une voie de percolation pour les charges améliorant ainsi la performance des dispositifs dans l'obscurité ainsi que sous illumination. Finalement, les dispositifs photosensibles multifonctionnels ont été examinés par l'introduction de molécules photochromiques avec différents substituants au sein des films semi-conducteurs à base de polymère ou de molécules de petite taille qui ont été trouvés influer la photocommutation. / This thesis demonstrates that graphene produced by liquid-phase exfoliation can be co-deposited with a polymerie semiconductor for the fabrication of thin film field-effect transistors. The introduction of graphene to the n-type polymeric matrix enhances not only the electrical characteristics of the devices, but also the ambipolar behavior and the hole transport in particular. This provides a prospective pathway for the application of graphene composites for logic circuits.The same approach of blending was adopted to enhance the electrical characteristics of an amorphous p-type polymer semiconductor by addition of an unprecedented solution processable ultra-narrow graphene nanoribbon. GNRs form percolation pathway for the charges resulting in enhanced deviee performance in daras weil as under illumination therefore paving the way for applications in (opto)electronics.Finally, multifunctional photoresponsive devices were examined by introducing photochromic molecules exposing different substituents into small molecule or polymeric semiconductor films that were found to affect the photoswitching behavior.

Le graphène planaire se présente comme un des matériaux les plus prometteurs pour la nanoélectronique de demain, grâce particulièrement à sa conductivité thermique et sa mobilité électronique qui sont les plus élevées jamais mesurées dans un solide. Parmi ses allotropes, le graphène découpé en nanorubans est une des formes les plus intéressantes, notamment pour les possibilités d'ingénierie de bandes qu'il offre. Ses propriétés électroniques et vibrationnelles sont fortement influencées par la présence des bords et s'éloignent de celles du graphène planaire. A ce jour, ses propriétés thermiques et thermoélectriques ont été encore peu explorées. Dans ce travail de thèse, grâce à une modélisation atomistique du réseau cristallin, les modes de vibration caractéristiques de chaque type de ruban ont été identifiés et, dans le cadre du formalisme des fonctions de Green hors équilibre, le transport de ces modes a été simulé. On a ainsi évalué les propriétés thermiques des nanorubans en identifiant les types de rubans offrant la plus forte conductance thermique pour envisager une meilleure gestion de la chaleur dans les dispositifs du futur. Dans la direction opposée, des techniques de nanostructuration du ruban permettent de dégrader le transport des phonons et d'amplifier la figure de mérite thermoélectrique en bénéficiant simultanément d'un phénomène de transport électronique résonant. En exploitant ces techniques, un premier dispositif thermoélectrique basé sur les nanorubans de graphène a été conçu et ses performances ont été évaluées par une approche multi-échelle. La possibilité de très forte densité d'intégration du graphène fait l'intérêt d'un tel dispositif qui pourrait fournir des puissances électriques ou de refroidissement très supérieures à celles des dispositifs thermoélectriques actuels.

Dans ce travail de thèse, nous étudions les propriétés de transport électronique des nanorubans de graphène sous champs magnétiques intenses (jusqu'à 55 T) pour révéler les effets de confinements électroniques dans la structure de bande de graphène.

Ces travaux de thèse ont pour but de mettre en œuvre un capteur de plomb à base de nanostructures de silicium polycristallin. L'étude physique des structures de type nanorubans ou nanofils de silicium polycristallin a montré que ces derniers possèdent de faibles qualités cristallines mais des propriétés électriques suffisantes pour être utilisées comme éléments sensibles d'un capteur. Les nanorubans ont été fonctionnalisés par greffage spontané des sels de diazonium, capables de pré-concentrer des ions de plomb à la surface de la nanocouche. Cette fonctionnalisation a permis de détecter des traces de plomb, le capteur atteignant une limite de détection de 2.10-7 mol/L. Ces résultats montrent ainsi que la détection de plomb est possible avec des nanostructures de silicium polycristallin dont le procédé de fabrication est relativement bon marché. Le développement d'un transistor gate-all-around (GAA) à base de nanofils de silicium polycristallin est proposé dans cette thèse. Son utilisation avec deux grilles indépendantes a permis de caractériser électriquement et physiquement les nanofils de silicium polycristallin. Les caractéristiques électriques du transistor GAA sont par ailleurs encourageants pour une utilisation en tant que capteur pour diminuer la sensibilité et les limites de détection d'ions de plomb. / The aim of this research work is to implement a lead ions sensor based on polycrystalline silicon nanostructures. This material has been intensively studied by electrical and physical characterization. This study showed that structures such as polysilicon nanoribbons or nanowires have poor crystalline quality but satisfying enough electrical properties to be used as a sensor sensible elements. Nanoribbons have been functionnalized by spontaneous grafting of diazonium salts that enable lead ions trapping at the surface of these nanoribbons. Thanks to the functionnalization, sensor reached a limit detection as low as 2.10-7 mol/L. These results prove that sensing lead ions is possible thanks to low-cost polysilicon nanostructures. Development of a gate-all-around transistor based on polycrystalline silicon nanowires is proposed in this manuscript. It could lead to increase sensibility of that type of microsensors.

Les nanorubans de graphène (NRGs) sont des matériaux prometteurs pour l'organique électronique, à mi chemin entre polymères conjugués et nanotubes de carbone. Deux approches différentes pour la synthèse de nanorubans aromatiques sont développées et évaluées. La première est fondée sur la formation de céramidonines par cyclisation d'arylamino-anthraquinones en milieu acide. Plusieurs tétraaza-arènes incorporant deux de ces unités sont obtenus, mais l'approche s'est uniquement avérée appropriée dans le cas de courts substrats. La seconde approche repose sur la condensation d'acides aryle-acétiques avec des formylarènes ou acides aryle-glyoxyliques, suivie soit de cyclo-deshydrogénations en présence de quinone, soit de deshydrodebromation catalysée par le palladium, pour donner des arenes carboxy-substitués allongés. La méthode impliquant la quinone s'avère limitée à des substrats suffisamment réactifs tels que des thiophènes et laisse envisager des poly(arènodithiophènes) en partie rigidifiés et carboxy-substitués. La catalyse au palladium s'avère plus générale, ouvrant des perspectives d'obtention d'une grande variété de rubans aux propriétés électroniques ajustables. / Graphene nanoribbons (GNRs) are promising materials for organic electronics, as they bridge the gap betweensingle-stranded conjugated polymers and carbon nanotubes. Two different synthetic approaches to GNRs aredeveloped and evaluated. The first approach is based on the acid-promoted cyclisation of arylaminoanthraquinonesto ceramidonines. Tetraazaarenes with two ceramidonine units are obtained, but the approachis found to be appropriate only to such small systems. The second approach is based on the condensation ofarylacetic acids with arenecarboxaldehydes or arylglyoxylic acids, followed either by quinone-assistedoxidative cyclodehydrogenation or palladium-catalysed dehydrodebromination to yield carboxy-substitutedelongated arenes. The quinone-based variant is found to be limited to reactive substrates such as thiophenederivatives and offers the perspective of partially rigidified carboxy-substituted poly(arenodithiophenes). Thepalladium-based variant is found to be more general, opening the prospect of obtaining a variety of ribbontypestructures with tunable electronic properties.

Les nanorubans de carbone présentent aujourd’hui un grand intérêt en tant que segments de graphène aux propriétés électroniques modulables. Alors que des techniques de synthèse destructives top down donnent des rubans de très grande taille, d’autres techniques constructives bottom up, par synthèse organique, pourraient former des nanorubans bien définis de géométries contrôlées. Dans cette optique, la réaction de Scholl est un outil chimique précieux car elle permet la graphénisation de longs précurseurs flexibles de type polyphénylène.Etonnamment, des structures distordues peuvent être obtenues majoritairement même si des isomères plans moins encombrés sont a priori favorisés. Nous avons ainsi montré que contre toute attente même un encombrement stérique important n’a aucun effet notoire sur la régiosélectivité et que des composés aromatiques polycycliques courbés sont préférentiellement formés. Ainsi, des structures particulièrement tordues, tel que l’hexabenzotriphénylène (HBTP) peuvent être facilement obtenues à partir de précurseurs de type polyphénylène.Après avoir découvert cette régiosélectivité inattendue, nous en avons tiré parti pour former des composés de type polyhélicène. Plusieurs tentatives de formation de l’hexaphénanthrotriphénylène (HPTP) furent infructueuses à cause de problèmes de réactivité lors des synthèses des précurseurs flexibles correspondants. En mettant au point une stratégie de synthèse versatile fondée sur un précurseur commun, plusieurs substrats flexibles de symétrie C3 ont été synthétisés puis soumis à la réaction de Scholl. Des produits de réarrangement ont cependant été obtenus au détriment des [6]hélicènes attendus. Toutefois, un HBTP fonctionnalisé par des groupements TMS a pu être efficacement préparé, ainsi qu’un hexabenzocoronène (HBC) dont l’exceptionnelle solubilité est due à la distorsion du coeur aromatique sous l’effet des groupements encombrants situés dans les régions baie.Ce fragment [5]hélicène favorisé a enfin été incorporé dans la formulation de nanorubans de carbone tordus, alors composés d’une succession de ce motif. En tant que réactions test, les synthèses du monomère et du dimère correspondants ont été effectuées avec d’excellents rendements et les deux composés entièrement caractérisés. Leurs structures ont été déterminée par diffraction de rayons X sur monocristaux et ont fourni d’intéressantes informations complémentaires quant à leurs configurations. Une stratégie plus générale a enfin été développée et optimisée pour la synthèse systématique d’oligomères plus longs de nanorubans de carbone tordus. En utilisant cette technique les trimère et tétramère correspondants ont été synthétisés et caractérisés par spectrométrie de masse. / Carbon nanoribbons are today of great interest as graphene segments with modulable electronic properties. Whilst top down techniques give giant ribbons, bottom-up organic synthesis may lead to exactly designed nanoribbons of controlled geometries. The Scholl reaction is a precious chemical tool for that purpose since it yields efficiently to the graphitization of long and flexible polyphenylene precursors.Surprisingly, twisted structures may be obtained preferentially even if less crowded isomers are also feasible. It has been shown that, against all expectation, even a strong steric hindrance has no marked effect on regioselectivity and highly twisted polycyclic aromatic hydrocarbons are sometimes preferentially formed, whereas their flat and more symmetrical isomers are only obtained in minority. Highly twisted structures such as hexabenzotriphenylene (HBTP) may then be obtained very easily from flexible polyphenylene precursors.After discovering this unexpected regioselectivity, we used it on purpose to form polyhelicenic species. Attempts to prepared hexaphenanthrotriphenylene (HPTP) were unsuccessful due to reactivity issues when synthesizing the corresponding flexible precursors. By using a new versatile strategy leading to an advanced common precursor, several C3-symmetrical flexible substrates have been synthesized and submitted to Scholl reaction. The expected [6]helicenes were not obtained and rearranged products were formed instead, but TMS-bearing HBTP could be prepared, as well as a hexabenzocoronene (HBC) which exceptionnal solubility is due to the distortion of the aromatic core under the effect of bulky tert-butyl substituents in bay regions.The easily formed [5]helicene fragment has been incorporated in the design of twisted carbon nanoribbons that would be composed of a succession of such motifs. As a test reaction, the corresponding monomer and dimer have been synthesized with an excellent yield and fully characterized. Their X-ray structures have even been determined, giving interesting information about their configuration. A more general strategy has then been developed and optimized for the systematic synthesis of longer oligomers of twisted nanoribbons. Using this technique, the trimer and tetramer have been synthesized and characterized by mass spectrometry.

Ce travail de recherche est consacré à l’ingénierie d’un nouveau nanobiohybride à base de nanorubans de titanates pour la médecine régénérative. Dans un premier temps, les nanorubans ont été synthétisés par traitement hydrothermal et leurs caractéristiques morphologiques, structurales et chimiques ont été définies. Une caractérisation fine par différentes techniques de microscopie électronique à transmission a notamment permis de déterminer leur épaisseur; dimension qui n’avait encore jamais été mesurée. Par la suite, les nanorubans de titanates ont été fonctionnalisés par différents PEG hétérobifonctionnels préalablement synthétisés au laboratoire. Ces polymères présentent à l’une de leurs extrémités des groupements fonctionnels spécifiques pouvant se coupler à de nombreuses molécules biologiques. Des peptides de type collagène contenant des sites de reconnaissance cellulaire ont alors été greffés sur ces extrémités. Le nanobiohybride ainsi formé devra permettre l'adhésion et la prolifération des cellules favorisant in fine la cicatrisation et la régénération tissulaire. Pour évaluer les propriétés biologiques du nouveau nanobiohybride, la cytoxicité et le pouvoir agrégeant des nanorubans de titanes ont été déterminés par des tests MTT, réalisés sur deux populations de cellules (cardiomyocytes et fibroblastes) et par des tests d’agrégation plaquettaire (sang humain). Enfin, dans le cas d’une utilisation pour favoriser le processus de cicatrisation, le nouveau nanobiohybride a été formulé sous forme d’un hydrogel d’alginate de sodium permettant une application directe sur les tissus lésés. Pour confirmer l’intérêt de cette formulation galénique, des premiers tests in vivo ont été réalisés / This research work is devoted to new nanohybrid engineering composed of titanate nanoribbons for regenerative medicine. Over a first phase, nanoribbons were synthesized by hydrothermal treatment and their morphological, structural and chemical features were defined. A fine characterization by means of different techniques of transmission electron microscopy mainly enabled to determine their thickness; dimension which had never been measured so far. Subsequently, titanate nanoribbons were functionalized by different home-made heterobifunctional PEG. Those polymers present at one of their extremities specific functional groups being able to couple with numerous biological molecules. Some collagen type peptides containing cellular recognition sites were grafted onto those extremities. The so-formed nanobiohybrid will permit cellular adhesion and proliferation favouring in fine tissue healing and regeneration. To evaluate new nanohybrid biological properties, titanate nanoribbons cytoxicity and aggregating power were determined by MTT tests, performed on two cell populations (fibroblasts and cardiomyocytes) and platelet aggregation tests (human blood). Finally, when used to promote healing process, the new nanobiohybrid was formulated in the form of sodium alginate hydrogel permitting a direct application on damaged tissues. To confirm the interest of this galenic form, initial in vivo tests were realized

La synthèse du graphène par traitement thermique d’un substrat de carbure de silicium (SiC) est une technique prometteuse pour l’intégration de ce nouveau matériau dans l’industrie, notamment dans les dispositifs électroniques. L’avantage de cette méthode réside dans la croissance de films minces de graphène de taille macroscopique directement sur substrat isolant. Toutefois, avant d’intégrer ce matériau, il convient d’en contrôler la synthèse et d’en moduler les propriétés. Dans ce travail de thèse, nous étudions les propriétés structurales et électroniques du graphène obtenu par la graphitisation des polytypes 3C-, 4H- et 6H-SiC. A partir de diverses méthodes de caractérisation, telles que la diffraction des électrons lents (LEED) ou la microscopie et spectroscopie à effet tunnel (STM/STS), nous avons vérifié, dans un premier temps, que le caractère discontinu du graphène sur les bords de marches peut introduire un confinement latéral supplémentaire des électrons dans le graphène. Dans un second temps, l’observation des singularités de Van Hove nous a permis de démontrer l’effet de confinement unidimensionnel dans les régions d’accumulations de marches du SiC. Enfin, l’introduction de désordre dans nos couches de graphène induit une réduction de la densité de porteurs de charges dans les couches. De même, ce désordre conduit à une transition de phase quantique entre le régime localisé et le régime d’effet Hall quantique. / The synthesis of graphene by thermal decomposition of silicon carbide (SiC) is a promising technique for the integration of this new material in the industry, especially in electronic devices. The advantage of this method lies in the growth of macroscopic graphene films directly on an insulator substrate. However, before using this material in electronic devices, it is advisable to control its synthesis and modulate its properties. In this thesis, we present the structural and electronic properties of graphene obtained by graphitization of 3C- , 4H - and 6H- SiC polytypes. Various characterization methods were used, including low energy electron diffraction (LEED) and microscopy and scanning tunneling spectroscopy (STM / STS). Based on STM / STS measurements, we show that the discontinuity of epitaxial graphene at the step edges may introduce an additional lateral confinement of electrons in graphene. The observation of Van Hove singularities in the STS spectra confirmed the one dimensional confinement of graphene in step bunching regions of SiC.Finally, we show that when disorder is introduced on our graphene samples, the charge carrier density is reduced. This disorder lead to the observation of a quantum phase transition from a localized regime to a quantum Hall effect regime.