Ce travail porte sur le développement d'un procédé de fabrication de transistor monoélectronique {single-electron transistor, SET). II dresse un portrait de l'état de l’art actuel et met en lumière un manque dramatique de marge d'opération dans le fonctionnement de ces dispositifs. Cette problématique est présentée comme une des limites majeures aux espoirs de développement commercial de cette technologie. La thèse propose d'aller chercher la marge de manoeuvre manquante par un procédé de fabrication qui exploite le contrôle des dimensions verticales des dispositifs. Les résultats montreront que si les approches actuelles 2D semblent avoir atteint leurs limites physiques, l'approche 3D permet d'accéder à des températures d'opération encore insoupçonnées jusqu'à présent. L'impact est important, puisqu'une analyse de la thèse conclura que, même en tenant compte des pires fluctuations du procédé de fabrication, les SETs issus du concept 3D conservent une marge d'opération appréciable. La gamme de température d'opération obtenue est semblable aux transistors à effet de champ conventionnels (field effect transistor, FET) et on peut penser qu'il serait ainsi possible d'utiliser les deux technologies simultanément sur un même substrat afin de créer de nouvelles fonctionnalités issues de cette technologie hybride SET/FET.

Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale de la dynamique de l'aimantation induite par le couple de transfert de spin dans des nanopiliers magnétiques. La découverte récente qu'un courant polarisé en spin peut exercer, via un transfert de moment angulaire de spin, un couple sur l'aimantation d'un matériau ferromagnétique offre un nouveau moyen pour manipuler une aimantation sans appliquer de champ externe. Ce couple dit de "transfert de spin" peut, pour un courant suffisamment élevé, retourner l'aimantation ou dans d'autre conditions, générer des états de précessions entretenus de l'aimantation associées à la génération de micro-ondes. Dans cette thèse, nous avons étudié l'effet de transfert de spin dans des structures magnétiques spécifiques de type Co/Cu/Ni80Fe20, dans lesquelles une dépendance angulaire du couple non strandard, dite "oscillante", est prédite par les modèles diffusifs de transfert de spin. Ce couple "oscillant" modifie profondément la dynamique de l'aimantation induite par le couple de transfert de spin et permet en particulier d'obtenir des états de précession de l'aimantation sans champ appliqué, uniquement en injectant un courant continu dans la structure. Les caractérisations en transport statique et les mesures haute-fréquence effectuées sur des nanopiliers magnétiques à couple oscillant ont permis de mettre clairement en évidence la présence de modes de précession entretenue de l'aimantation à champ faible et même à champ nul, en accord avec les prédictions des modèles. Elles montrent par ailleurs des caractéristiques dynamiques induites par le courant inédites, qui peuvent s'expliquer par des simulations macrospin de la dynamique de l'aimantation. Ce travail de thèse apparaît comme un test réussi des modèles diffusifs de transfert de spin et ouvre la voie à un nouveau type d'oscillateur à transfert de spin qui ne nécessite pas de champ appliqué.

In der heutigen Zeit wie auch in der Zukunft steht die Menschheit vor dem Hintergrund einer rapide steigenden Weltbevölkerung und dem Klimawandel vor vielfältigen gesellschaftlichen Herausforderungen. Die Nanowissenschaften bzw. –technologie stellen hierbei ein aktuelles und bedeutendes Forschungsfeld dar, dem ein signifikanter Beitrag zur Bewältigung dieser Problemstellungen zugeschrieben wird. Ungeachtet ihrer großen Bedeutung in Wirtschaft, Wissenschaft und Gesellschaft werden Inhalte aus diesem Themenfeld bislang jedoch nur zögerlich in formale und non-formale Bildungszusammenhänge implementiert. Dies eröffnet eine Reihe von Fragestellungen, allen voran ob dieses Thema für eine Vermittlung außerhalb der Universität geeignet ist und auf welche Weise es didaktisch aufgearbeitet werden kann. Anknüpfend hieran soll in der vorliegenden Arbeit zunächst aus verschiedenen Blickwinkeln untersucht werden, welches Potenzial die Nanotechnologie für eine Vermittlung in Schule, Schülerlabor und Hochschule bietet. Hierbei wird herausgestellt, dass die Nanowissenschaften vielfältige Chancen für den Chemieunterricht bieten.  Aufbauend auf diese Grundlage werden anschließend Beiträge zur fachdidaktischen Konzeptualisierung dieses Themenfeldes vorgestellt. Im Rahmen einer didaktischen Rekonstruktion, welche den methodischen Rahmen der Konzeptualisierung bereitstellt, wird hierbei eine Klärung der Sachstruktur vorgenommen, um die elementaren Konzepte für eine Vermittlung herauszustellen. Von ebenso großer Bedeutung sind darüber hinaus die Perspektiven und Präkonzepte von Lernenden und Lehrenden, welche ebenso wie intrinsische und extrinsische Barrieren für eine unterrichtliche Behandlung empirisch erhoben bzw. identifiziert werden sollen.  Die ermittelten fachlichen Konzepte sowie die Perspektiven der Lernenden und Lehrenden werden schließlich miteinander verknüpft, sodass hieraus Leitlinien für die didaktische Strukturierung abgeleitet werden. Auf dieser Basis werden in dem Hauptteil der vorliegenden Arbeit nun in einem zyklischen Design Konzepte, Unterrichtseinheiten, –materialien sowie Lehrangebote für Schulen, Schülerlabore und Lehrer(fort)bildungen entwickelt, praktisch durchgeführt, evaluiert und weiter optimiert. Die Forschungs- und Entwicklungsarbeit wird dabei systematisch und in Anlehnung an die Basiskonzepte der Chemie erfolgen, um einen optimalen Anschluss an die Bildungsstandards bundesdeutscher Kerncurricula zu gewährleisten.

Dans la thèse, nous avons utilisé des simulations de Monte Carlo combinées avec différentes techniques efficaces tels que les méthodes d'histogramme pour étudier les transitions de phase et transport des spins dans différents systèmes. La première partie est consacrée à l'étude des transition de phase dans les systèmes de spins frustrés: (i) le modèle J_1-J_2 avec des spins Ising dans le régime antiferromagnétique complet, (ii) le modèle HCP avec des spins Ising et des spins $XY$ dans le régime antiferromagnétique complet. Les résultats obtenus montrent en effet une transition du premier ordre que l'on trouve plus tôt dans d'autres systèmes frustrés. La deuxième partie montre les état fondamental et transitions de phase dans les cristaux moléculaires et dans les liquides de dimères. Pour faire face à ces systèmes, nous avons utilisé le modèle de Potts en tenant compte de l'interaction dipolaire pour expliquer structures périoques en couches observées expérimentalement. Les résultats montrent des effets étonnants de cette interaction à longue portée. L'effet de l'interaction d'échange de surface a été pris en compte dans ce travail. Finalement, nous avons calculé la résistivité des spins itinérants. Nous nous sommes concentrés en particulier sur les effets des fluctuations de spin dans la région de transition de phase. Des résultats intéressants ont été obtenus montrant une forte corrélation entre les fluctuations de spin et le comportement de la résistivité. / In this thesis, we have used Monte Carlo simulations combined with different efficient techniques such as histogram methods to study the phase transitions and spin transport in various systems. The first part is devoted to the investigation of phase transition in frustrated spin systems: (i) the J_1-J_2 model with Ising spin in the full antiferromagnetic regime, (ii) the HCP lattice with both Ising and XY spin in the full antiferromagnetic regime. The results obtained show indeed a first-order transition as found earlier in other frustrated systems. The second part shows the ground state and phase transitions in molecular crystals and in dimer liquids. To deal with these systems, we have used the Potts model taking into the account the dipolar interaction to explain long-period layered structures experimentally observed. The results show amazing effects of this long-range interaction. The effect of surface exchange interaction has been considered in this work. Finally, we describe the resistivity of itinerant spins. We focused in particular on the effects of spin fluctuations in the phase transition region. Interesting results have been obtained showing a strong correlation between spin fluctuations and the behavior of the resistivity.

The term "Lab-on-a-Chip" (LoC) describes highly miniaturized systems in which the functionalities of entire laboratories are scaled down to the size of transportable microchips. Particularly in the field of chemical and bio-analysis, such platforms are desired for a fast and highly sensitive sample analysis at the point of care. This work focuses on silicon nanowire (SiNW) based sensors. Innovative device fabrication concepts are developed from various directions, for a facile and reliable assembly of LoC analysis systems. Firstly, a multifunctional microfluidic set-up is developed which allows for a facile reversible sealing of channel structures on virtually any kind of substrate while maintaining the possibility of a rapid prototyping of versatile channel designs and the applicability of high working pressures of up to 600 kPa. Secondly, a 3-(triethoxysilyl)propylsuccinic anhydride (TESPSA) based surface modification strategy for the attachment of specific receptor molecules without additional binding site passivation is explored. Thirdly, bottom-up grown SiNWs are utilized for producing parallel arrays of Schottky barrier field-effect transistors (FETs) via contact printing. Using the initially developed microfluidic set-up, the concept of the TESPSA-based receptor immobilization is proved via fluorescence microscopy and by applying the SiNW FETs as biosensors. Using a receptor-analyte system based on a set of antibodies and a peptide from human influenza hemagglutinin, it is shown that antibodies immobilized with the developed method maintain the specificity for their antigens. The fourth major research field in this work is the microfluidics-based alignment of one-dimensional nanostructures and their deposition at predetermined trapping sites for reliably fabricating single NW-based FETs. Such devices are expected to provide superior sensitivity over sensors based on parallel arrays of FETs. Consequently, within this work, innovative LoC devices fabrication approaches over a broad range of length scales, from micrometer scale down to the molecular level, are investigated. The presented methods are considered a highly versatile and beneficial tool set not only for SiNW-based biosensors, but also for any other LoC application. / Unter dem Begriff „Lab-on-a-Chip“ (LoC) fasst man stark miniaturisierte Systeme zusammen, die die Fähigkeiten eines ganzen Labors auf einen transportablem Mikrochip übertragen. Insbesondere im Bereich der Analyse chemischer und biologischer Proben werden solche Plattformen bevorzugt eingesetzt, da sie direkt am Ort der Probenentnahme schnelle, hoch sensible Messungen ermöglichen. Im Mittelpunkt dieser Doktorarbeit stehen Sensoren auf Basis von Siliziumnanodrähten (SiNWs). Auf verschiedenen Gebieten werden innovative Konzepte zur einfachen und zuverlässigen Herstellung von LoC Systemen entwickelt. Zu Beginn wird ein multifunktionaler Mikrofluidik-Aufbau vorgestellt, der ein einfaches reversibles Verschließen von Mikrofluidik-Kanälen auf nahezu allen möglichen Substraten erlaubt. Der Aufbau ermöglicht das schnelle Anfertigen und Testen verschiedener Kanalstrukturen sowie das Betreiben von Fluidik-Experimenten mit hohen Arbeitsdrücken von bis zu 600 kPa. Der zweite Schwerpunkt der Arbeit ist die Entwicklung einer Methode zur Funktionalisierung von Sensor-Oberflächen mittels 3-(Triethoxysilyl) Propyl Bernsteinsäure Anhydrid (TESPSA) für die Immobilisierung spezifischer Rezeptormoleküle. Bei dieser Methode entfällt die Notwendigkeit einer zusätzlichen Passivierung ungenutzter Anbindungsstellen. Des Weiteren erfolgt die Herstellung von Parallelschaltungen von Schottky-Barrieren-Feld-Effekt-Transistoren (SB-FETs) aus „bottom-up“ gewachsenen SiNWs durch mechanisches Abreiben der SiNWs vom Wachstumssubstrat auf ein Empfängersubstrat. Unter Verwendung des eingangs entwickelten Mikrofluidik-Aufbaus wird die prinzipielle Anwendbarkeit der TESPSA-basierten Rezeptor-Immobilisierung nachgewiesen, sowohl anhand von Fluoreszenzmikroskopie-Untersuchungen als auch mit Hilfe der SiNW FETs als Biosensoren. Mittels eines Rezeptor-Analyt-Systems, bestehend aus verschiedenen Antikörpern und einem Peptid des Influenzavirus A, wird gezeigt, dass Antikörper, die über TESPSA an Oberflächen gebunden werden, ihre Spezifizität für ihre Antigene beibehalten. Der vierte große Forschungsabschnitt dieser Arbeit widmet sich der mikrofluidischen Ausrichtung eindimensionaler Nanomaterialien und deren Ablage an vorgegebenen Fangstellen, wodurch eine zuverlässige Herstellung von FETs aus Einzelnanodrähten erreicht wird. Es wird davon ausgegangen, dass Einzelnanodraht-FETs gegenüber Parallelschaltungen von Nanodraht-FETs verbesserte Sensoreigenschaften aufweisen. Folglich beinhaltet diese Arbeit viele zukunftsweisende Ansätze für die Herstellung von LoC Systemen. Untersuchungen über eine Bandbreite von Längenskalen, von Mikrometer großen Strukturen bis hinab zur molekularen Ebene, werden präsentiert. Es wird davon ausgegangen, dass die vorgestellten Methoden als eine vielfältige Sammlung von Werkzeugen nicht nur bei der Herstellung von Biosensoren auf SiNW-Basis Einsatz finden, sondern ganz allgemein den Aufbau verschiedenster LoC Systeme vorantreiben.

L'objectif de cette thèse est l'étude de nanostructures d'or ayant un rapport de forme important (nanofils, pointes...), assimilables à des nanoantennes optiques. Ainsi, j'ai tout d'abord étudié la diffusion Raman exaltée de surface (SERS) de réseaux de nanofils d'or de forme et de taille contrôlées produits par lithographie électronique. Je me suis notamment intéressé à l'influence des plasmons de surface localisés sur l'efficacité SERS de ces nanofils. Nous avons ainsi observé les plasmons de surface d'ordre supérieur jusqu'à 7. Nous avons alors relié l'exaltation SERS à la position de la résonance plasmon et déterminé l'efficacité des ordres supérieurs. Nous avons également mis en évidence que le maximum d'exaltation est obtenu pour une résonance plasmon proche de la longueur d'onde de diffusion Raman et ceci pour deux excitations laser différentes.<br />Ensuite, j'ai monté une expérience de Raman en champ proche (ou TERS) et développé une technique reproductible de fabrication de pointes en or. Puis, j'ai effectué une étude quantitative des propriétés de dépolarisation des pointes métalliques utilisées en a-SNOM et en TERS. Nos résultats montrent des facteurs de dépolarisation entre 5 et 30% qui varient en fonction de la polarisation de la lumière incidente et de la forme de la pointe. Les conséquences importantes de ce phénomène de dépolarisation ont été mises en évidence dans des expériences TERS sur du Silicium cristallin; On montre que la dépolarisation doit être prise en compte pour une estimation correcte de l'exaltation induite par la pointe.

L'obtention de matériaux possédant une propriété physique modulable par une perturbation extérieure est une voie de recherche active dans le domaine des sciences moléculaires. Ce travail s'inscrit dans le cadre de l'étude de l'influence d'une excitation lumineuse sur les propriétés magnétiques de composés à précurseurs moléculaires à l'état solide. Nous nous sommes intéressés aux précurseurs octacyanométallates Miv,v(CN)8n-M=Mo,W ; n = 3,4) car ils possèdent i) une flexibilité du degré d'oxydation du métal central correspondant à deux états de spin différents pour un même environnement ii) une propriété de photo-oxydation du métal passant d'un état diamagnétique (Miv) à ùn état paramagnétique (Mv) sous irradiation lumineuse dans le domaine UV. Ces deux propriétés nous ont ainsi permis de développer deux stratégies distinctes afin d'obtenir de nouveaux matériaux photomagnétiques. Les composés synthétisés ont été caractérisés par diffraction des RX sur monocristal, sur poudre, diffusion des rayons X aux grands angles (WAXS) et Absorption X (XANES et EXAFS). L'étude des propriétés photomagnétiques a mis en évidence deux comportements différents suivant la nature des composés et le domaine de longueur d'onde utilisé lors de l'excitation lumineuse. Nous avons ainsi observé pour le composé cuII2[MoIV(CN)8].7.5H20 le passage d'un état paramagnétique à un état ferromagnétique sous irradiation lumineuse par transfert d'électron photo-induit entre les centres métalliques.

La thèse analyse les nanotechnologies comme une entité politique macro comprenant des objets, des futurs, des motifs d'inquiétude et des publics, et examine des sites où cette entité est problématisée. En se penchant sur les opérations définissant les problèmes publics et les façons de les traiter, l'analyse des problématisations des nanotechnologies permet de décrire à la fois l'assemblage des nanotechnologies et la construction de l'ordre démocratique. L'étude des problématisations des nanotechnologies est menée via la description d'expériences et de démonstrations impliquant des technologies de démocratie, sur la base d'enquêtes de terrain menées en France, aux États-Unis et dans des organisations internationales. La thèse considère successivement des opérations de réplication et de stabilisation de technologies de démocratie, des processus utilisant des technologies de démocratie pour la définition d'objets " nano " et de futurs " responsables ", et des exemples d'engagement de mouvements sociaux et du chercheur lui-même dans la critique des technologies de démocratie. Ceci permet d'étudier des exemples concernant la représentation des nanotechnologies, leur administration, et la mobilisation sociale à leur égard. Différentes problématisations peuvent alors être reconstruites. La thèse s'intéresse à quatre d'entre elles, et s'appuie sur le travail empirique pour proposer une critique réaliste des nanotechnologies.

Le greffage covalent de monocouches organiques à la surface du silicium permet de contrôler ses propriétés électroniques. Un des challenges des nanotechnologies est de construire des assemblages ordonnés de nano-objets pour positionner et orienter précisément les éléments actifs des futurs dispositifs. Parmi les techniques de lithographie à l'échelle nanométrique, l'utilisation de microscopes à sonde locale est une méthode très versatile pour l'élaboration de nanostructures superficielles. Ces travaux présentent l'utilisation du microscope à force atomique comme un outil de structuration de surface et plus précisément, l'oxydation anodique locale avec une pointe AFM conductrice de surfaces de silicium précédemment passivé par une monocouche organique dense et organisée. L'oxyde de silicium généré est ensuite dissout par trempage dans de l'acide fluorhydrique dilué. Les surfaces obtenues possèdent alors des sites de silicium hydrogéné potentiellement réactifs entourés d'une matrice organique isolante. Ensuite, nous présentons les résultats de dépôt sélectif de particules d'or dans ces structures réactives. De part la différence de potentiel d'oxydoréduction, le sel d'or se réduit spontanément à la surface du silicium. Il serait aussi possible d'utiliser la chimie du silicium pour fonctionnaliser directement les structures de silicium hydrogéné. La dernière partie de cette thèse rapporte l'étude d'immobilisation d'unités électroactives (ferrocènes) et de nano-objets (clusters métalliques et nanotubes de carbone) sur des surfaces de silicium homogènes et structurées.

Cette thèse s'inscrit dans la thématique de l'électronique de spin et concerne plus particulièrement la dynamique radiofréquence de l'aimantation sous courant polarisé en spin. Dans les nanostructures magnétiques, le transfert de spin permet de soutenir une oscillation entretenue de l'aimantation à grande amplitude. Ces oscillations suscitent un intérêt fondamental pour l'étude de la dynamique de l'aimantation dans le régime fortement non-linéaire. Les oscillateurs à transfert de spin sont également très prometteurs d'un point de vue applicatif, du fait de leur taille nanométrique et de leur forte accordabilité en fréquence. Néanmoins, leur signal de sortie devra être amélioré et l'origine de leur pureté spectrale comprise. Dans cette optique, nous avons étudié expérimentalement la réponse dynamique de deux types d'oscillateurs complémentaires. Nous nous sommes d'abord intéressés à une structure vanne de spin basée sur une couche polarisante à aimantation perpendiculaire. Nous avons démontré la possibilité d'induire une précession de l'aimantation de forte amplitude autour de son maximum d'énergie. Le renfort de simulations micromagnétiques fut nécessaire pour décrire précisément les observations expérimentales. Dans un second temps, nous avons développé un banc de mesure temporelle ainsi qu'un protocole d'analyse original pour étudier la pureté spectrale d'oscillateurs à jonction tunnel magnétique MgO. Ces mesures nous ont permis d'observer certains des mécanismes d'instabilité limitant la cohérence du signal micro-onde de l'oscillateur, comme par exemple des fluctuations de fréquence sur l'échelle de la dizaine de nanosecondes.