Les travaux de cette thèse ont porté sur les micro-bolomètres (détecteurs infrarouges non refroidis) qui fonctionnent selon le principe suivant : le rayonnement infrarouge incident provoque l’échauffement d’une membrane suspendue dont la résistivité électrique dépend de la température. Deux voies ont été explorées pour les améliorer, grâce aux nanotechnologies. D’une part, les propriétés optiques et électroniques (transport et bruit) des films de nanotube de carbone ont été étudiées afin d’évaluer le potentiel de ce nouveau matériau comme thermistor. Pour ce faire des procédés technologiques en salle blanche, des caractérisations et des modèles théoriques ont été mis au point. Après avoir obtenu les figures de mérite adaptées, cette étude a conclu au manque de potentiel de ce matériau pour une application aux micro-bolomètres. D’autre part, nous avons étudié des résonateurs sub-longueur d’onde basés sur des cavités métal-isolant-métal permettant d’obtenir des absorbants totaux, et omnidirectionnels. Un modèle analytique permettant de les décrire et de les concevoir rapidement a été mis au point. La combinaison de ces résonateurs à l’échelle sub-longueur d’onde a permis de mettre en évidence un phénomène de tri de photon et la possibilité de concevoir des absorbants large bande. Nous avons ainsi proposé (et breveté) l’utilisation de ces antennes comme absorbants pour les micro-bolomètres. En effet leur capacité à focaliser le champ dans des volumes sub-longueur d’onde permet d’introduire une rupture conceptuelle pour la conception de bolomètres à hautes performances. / This work was focused on bolometers (uncooled infrared sensors), which are based on the following principle: the incoming infrared radiation is absorbed by a self-standing membrane whose resistivity depends on temperature. In order to improve their design and performances, we explored two solutions based on nanotechnologies. On the one hand, optical and electronic (transport and noise) properties of carbon nanotube films have been investigated in order to evaluate the potential of this new material as a thermistor. Clean room processes, characterization benches and theoretical models have been developed. The obtained figures of merit allow to concluding on the lack of potential for applications in uncooled infrared sensors. On the second hand, subwavelength resonators based on metal-insulator-metal cavities, have been investigated and exhibit perfect, tunable and omni-directional absorption. An analytical model allowing a fast study and design of these resonators has been developed. Photon sorting and wideband absorption have been demonstrated thanks to the combination of these resonators at the sub-wavelength scale. We have thus proposed (and patented) the use of such “antennas” as micro-bolometer’s absorber. Indeed their capacity to focalize the incoming radiation at a subwavelength scale paves the way to the conception of high performance micro-bolometers.

Ce travail de thèse présente une nouvelle classe de microélectrodes de fibres de nanotubes de carbone (NT). Celles-ci sont réalisées par un filage en voie humide autorisant l’inclusion d’additifs au sein des fibres afin d’adapter leur formulation. Ainsi, le développement d’électrodes incluant la bilirubine oxydase (BOD) pour biopile enzymatique a permis d’obtenir un haut courant de réduction à l’aide d’un transfert d’électrons direct entre BOD et NT. Egalement, des actionneurs électromécaniques incluant une faible quantité de PVA réticulé sont proposés. De telles fibres génèrent une grande contrainte et présentent un temps de réponse court lorsqu’une faible tension leur est appliquée. La mobilité des NT les uns par rapport aux autres au sein de celles-ci a été réduite. Cette dernière est présente dans tout actionneur en NT et génère du fluage et une relaxation de contrainte de ces matériaux limitant ainsi leurs performances. Ces travaux ouvrent de nombreuses voies pour de nouvelles microtechnologies de conversion d’énergie, notamment appliquées au médical ou dans la micro-robotique. / This PhD work presents a new class of carbon nanotubes (NT) fibers microelectrodes. These fibers are produced by a wet spinning process which enables the inclusion of additives within the fibers in order to adapt their formulation. Thus, new microelectrodes for enzymatic biofuel cells that comprise bilirubin oxidase (BOD) have been realized in a one step process and enable a direct electron transfer process between the enzyme and NT at a high potential with a high reduction current. Furthermore, we also developed new NT microfibers including a small quantity of chemically crosslinked PVA for electrochemical actuators. They generate a large stress and a short response time when stimulated by a low voltage in an aqueous electrolyte. Moreover, the CNT mobility within these fibers is greatly reduced. The latter is present in any CNT actuator and induces creep and stress relaxation of these material prohibiting the possibility to obtain high actuating performances. The present results open routes towards the development of novel technologies for energy conversion potentially useful in micro-devices, biomedical applications and micro-robotics.

L’électronique de spin tient une place primordiale dans les technologies de l’information. Un exemple flagrant est le disque dur magnétique à haute densité de stockage intégré aujourd’hui dans la plupart des ordinateurs personnels. D’un point de vue fondamental, les opérations de base comme l’injection, la propagation et la détection de l’information de spin restent néanmoins complexes à réaliser. Des plateformes adaptées à la réalisation de ces tâches élémentaires sont très recherchées. Dans ce contexte, les nanomatériaux carbonés sont très prometteurs. Au cours de ma thèse, je me suis intéressé au transport de spin dans des nanotubes de carbone multi-parois présentant des effets de super-réseaux (Moiré 1D). J’ai également étudié la croissance de barrières moléculaires conformationnelles afin d’optimiser l’injection et la détection de l’information de spin. Je présenterai tout d’abord les caractérisations électriques des dispositifs mettant en évidence des effets de Moirés, identifiés grâce aux simulations effectuées par l’équipe de Jean-Christophe Charlier. Je montrerai ensuite comment la croissance de la couche moléculaire influence le transport en formant une barrière d’injection. Finalement, je présenterai les expériences de magnéto-transport dans ces dispositifs hybrides. La magnétorésistance observée semble indiquer un transport de spin efficace sur des distances au moins de l’ordre du micromètre. Je discuterai particulièrement de l’amplitude, du signe et de la dépendance en tension de la magnétorésistance dans le cadre de modèles standards de transport de spin / Spin electronics holds a key role in information technology. A glaring example is the high-density magnetic hard disk storage built into most personal computers. From a fundamental point of view, basic operations such as injection, propagation and detection of spin information remain nevertheless complex. Platforms adapted to the realization of these basic tasks are highly sought after. In this context, carbon nanomaterials are very promising. During my thesis, I was interested in the transport of spin in multi-wall carbon nanotubes presenting super-lattice effects (Moiré 1D). I have also studied the growth of conformational molecular barriers in order to optimize injection and detection of spin information. I will present first the electrical characterizations of the devices highlighting the effects of Moirés, identified thanks to the simulations carried out by the team of Jean-Christophe Charlier. I will then show how the growth of the molecular layer influences transport by forming an injection barrier. Finally, I will present the experiments of magneto-transport in these hybrid devices. The observed magnetoresistance seems to indicate efficient spin transport over distances of at least a micrometer. I will discuss in particular the amplitude, the sign and the voltage dependence of the magnetoresistance in the framework of standard models of spin transport

Un nanotube de carbone est une molécule tubulaire dont les propriétés électroniques et quantiques sont tout à fait remarquables. Lorsqu'il est utilisé en tant que canal de conduction d'un transistor à effet de champ, il est possible de détecter électriquement la présence de charges stockées à proximité de celui-ci, permettant ainsi la création d'une mémoire non-volatile ultime. Dans cette thèse, nous présentons les travaux réalisés sur des transistors à nanotubes (CNTFETs) utilisés pour la détection de charges, le tout imagé par microscopie à force de Kelvin (KFM). Le calibrage de la sonde KFM sur des CNTFETs y est egalement présenté. Les mesures de transport sont ainsi couplées à la cartographie des potentiels de surface du nanodispositif. Les charges électriques sont injectées à proximité d'un nanotube de carbone à l'aide d'une pointe métalisée d'un microscope à force atomique (AFM) et directement stockées dans la surface de SiO2. Les mesures électriques du CNTFET montrent un effet de grille inverse à celui attendu par le signe des charges injectées. L'explication est donnée par la détection KFM qui permet l'observation de charges stockées dans l'environnement du nanotube et de signe opposé à celles injectées. Dans une dernière partie, une étude phénoménologique est effectuée sur l'apparition de résonances périodiques dans les caractéristiques de transfert des nanotubes. Par la connaissance du bras de levier du CNTFET déterminé par le KFM, ces résonances sont quantitativement évaluées à l'énergie des phonons optiques longitudinaux des nanotubes de carbone et du SiO2. Une statistique de type Franck Condon en considérant la présence de N sites diffuseurs est appliquée sur ces résonances et permettent, dans une première approximation, d'évaluer l'intéraction électron-phonon de notre dispositif.

Cette thèse a pour objet l'étude expérimentale des propriétés électroniques et mécaniques des nanotubes de carbone multifeuillets. Cela nécessite de trouver des méthodes pour mesurer le courant dans les feuillets internes ou encore sonder les propriétés électroniques/mécaniques interfeuillets. L'accès à ces informations reste cependant difficile car les électrodes ne sont en contact direct qu'avec le feuillet externe. Dans le régime linéaire, à basse tension, des mesures de résistance quatre points montrent qu'essentiellement deux feuillets participent à la conduction, et donnent accès à la première mesure de la conductance interfeuillet. A haute tension, une technique permettant d'enlever un à un les différents feuillets met en évidence qu'une majorité de feuillets transportent, selon leur géométrie, un courant de saturation compris entre 10 et 60 microampères. Ceci montre une faible variation du nombre de modes transportant du courant, en bon accord avec un mécanisme tunnel Zener entre sous-bandes non croisées. Enfin, cette technique est utilisée afin de mesurer le frottement mécanique entre deux feuillets en rotation. Pour cela, un nouveau type de nano-système électromécanique a été fabriqué, représentant une première étape pour la réalisation d'un nano-moteur.

Cette thèse est consacrée à l'étude de deux aspects de la physique mésoscopique que sont le bruit quantique haute fréquence et l'effet de proximité supraconducteur en se focalisant toutefois sur un système modèle: le nanotube de carbone.Ainsi la première partie de cette thèse est dédiée à la mesure de bruit quantique haute fréquence. Afin de mesurer ces fluctuations nous avons développé un système de détection "on-chip" original dans lequel la source de bruit et le détecteur, une jonction Supraconducteur/Isolant/Supraconducteur, sont couplés par un circuit résonant. Cela nous a permis dans un premier temps de mesurer le bruit à l'équilibre du résonateur. Son bruit comporte une forte asymétrie entre émission et absorption reliée aux fluctuations de point zéro. Une seconde étape a été de mesurer le bruit hors équilibre d'émission du passage tunnel de quasi-particules dans une jonction Josephson. Ce bruit comporte une forte dépendance en fréquence en accord avec les prédictions théoriques et nous a permis de valider le principe de détection. Finalement, nous avons pu mesurer le bruit associé au régime Kondo hors équilibre d'une boîte quantique à nanotube de carbone (énergie caractéristique kBTK avec TK la température Kondo). Ce bruit d'émission à kBTK~hν possède une forte singularité à la tension V=hν/e (ν étant la fréquence de mesure). Cette singularité est reliée aux résonances Kondo dans la densité d'états de la boîte associés aux niveaux de Fermi de chaque réservoir. A plus haute fréquence hν~3kBTK, la singularité disparaît, ce qui est compris par des effets de décohérence induits par la tension.Dans la seconde partie, nous avons développé une technique permettant de mesurer à la fois la relation courant/phase et la caractéristique courant/tension d'un lien faible séparant deux supraconducteurs. Nous avons ainsi caractérisé une jonction à base de nanotube de carbone au travers de laquelle une relation courant-phase modulable par une tension de grille a été observée. Cette relation courant/phase exhibe une forte anharmonicité lorsque le supercourant présente une relativement grande amplitude.

Selon l'ITRS, le transistor à nanotube de carbone est une des alternatives prometteuses au transistor MOS Silicium notamment en termes de taille de composant et d'architectures de circuits innovantes. Cependant, à l'heure actuelle, la maturité des procédés de fabrication de ces technologies ne permet pas de contrôler finement les caractéristiques électriques. C'est pourquoi, nous proposons un modèle compact basé sur les principes physiques qui gouvernent le fonctionnement du transistor à nanotube. Cette modélisation permet de lier les activités technologiques à celles de conception de circuit dans le contexte de prototypage virtuel. Pour peu qu'elle inclut des paramètres reflétant la variation des procédés, il est alors possible d'estimer les erformances potentielles des circuits intégrés. Le transistor à nanotube de carbone à modulation de auteur de barrière (C-CNFET), i.e. " MOS-like ", est modélisé analytiquement en supposant le transport balistique des porteurs dans le canal. Le formalisme de Landauer est utilisé pour décrire le courant modulé par le potentiel du canal calculé de façon auto-cohérente avec la charge associée selon le potentiel appliqué sur la grille. Le modèle du transistor à nanotube de carbone double grille, DG-CNFET est basé sur celui du C-CNFET. Ce transistor est de type N ou P selon la polarisation de la grille supplémentaire. Ce transistor est modélisé de manière similaire pour les 3 régions : la partie interne modulée par la grille centrale, et les accès source et drain modulés par la grille arrière. La charge, plus complexe à calculer que celle du C-CNFET, est résolue analytiquement en considérant différentes plages de polarisation et d'énergie. Le modèle du DG-CNFET a été mis en oeuvre dans le cadre d'architectures de circuits électroniques innovants : une porte logique à 2 entrées comportant 7 transistors CNFET dont 3 DG-CNFET pouvant, selon la polarisation des 3 entrées de configuration, réaliser 8 fonctions logiques différentes.

Nous nous sommes intéressés à l'optimisation de la dispersion des nanotubes de carbone (CNTs) dans une matrice semi-cristalline : le polyamide 6 (PA-6), et une matrice vitreuse : le poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA). Nous avons réalisé des dispersions dans le PA-6 et le PMMA par voie fondu. Nous avons montré que la conductivité et le seuil de conductivité étaient nettement améliorés après un post traitement thermique, quelle que soit la matrice (PMMA ou PA-6). Dans le cas du PMMA, l'étude cinétique de la conductivité en fonction de la température nous a permis de préciser le mécanisme de formation de contacts entre CNTs observé dans le fondu. Une étude structurale et morphologique des composites de PA-6 a été réalisée. Nous montrons la disparition des sphérolites de PA et avons mis en évidence la croissance de lamelles trans-cristallines de PA-6 perpendiculairement à la surface des CNTs. Les CNTs ont aussi été dispersés à partir d'un pré-composite copolymère à blocs/nanotube. Le copolymère à blocs utilisé est un polystyrène-b-polybutadiène-b-polyméthacrylate de méthyle (SBM), les différences de compatibilité de chaque bloc avec les CNTs, la matrice ou le solvant sont utilisées pour stabiliser et disperser les CNTs. L'utilisation du SBM a permis d'améliorer l'état de dispersion dans les deux matrices pour deux méthodes de dispersion : par voie solvant et par voie fondu. Dans le PA-6, l'utilisation du SBM a également permis d'abaisser le seuil de conductivité, grâce à une localisation spécifique des CNTs. Ils sont localisés à l'interface PA-6/SBM pour les pré-composites réalisés par voie fondu et dans la matrice PA-6 pour les pré-composites réalisés par voie solvant.

Ce manuscrit présente une description théorique des propriétés de transport exceptionnelles des liquides dans les nanotubes de carbone (CNT). La perméabilité de ces canaux dépasse largement ce qui est prévu par les équations de l'hydrodynamique et la condition limite de non-glissement. Au cours des dernières années, plusieurs groupes ont effectué des expériences d'écoulement de liquides dans des membranes de CNT. Une perméabilité très supérieure à l'attente classique a été observée. Dans ce contexte, nous avons mené une étude exhaustive du frottement liquide/solide qui apparaît pendant l'écoulement d'un fluide dans un CNT, à l'aide de simulations de dynamique moléculaire. Le coefficient de frottement a été mesuré pour différents systèmes en utilisant plusieurs méthodes indépendantes. Les simulations ont montré que le coefficient de frottement était indépendant du confinement, mais qu'il dépendait considérablement de la courbure de la paroi. Pour l'eau dans un CNT, le coefficient de frottement diminue avec le rayon du tube. Nous avons ensuite établi une expression approchée du coefficient de frottement, qui le relie à des propriétés microscopiques de l'interface entre le liquide et la paroi. Cette expression reproduit la dépendance du coefficient de frottement avec la courbure, et permet de l'expliquer à partir des trois paramètres statiques suivants : la densité surfacique de l'eau, la rugosité de la paroi et la commensurabilité entre les structures de la paroi et de la première couche d'eau à l'interface. En résumé, notre étude a permis une compréhension détaillée du frottement de l'eau dans les CNT, qui explique l'origine de sa valeur extrêmement basse.

Les travaux de cette thèse ont porté sur les micro-bolomètres (détecteurs infrarouges non refroidis) qui fonctionnent selon le principe suivant : le rayonnement infrarouge incident provoque l'échauffement d'une membrane suspendue dont la résistivité électrique dépend de la température. Deux voies ont été explorées pour les améliorer, grâce aux nanotechnologies. D'une part, les propriétés optiques et électroniques (transport et bruit) des films de nanotube de carbone ont été étudiées afin d'évaluer le potentiel de ce nouveau matériau comme thermistor. Pour ce faire des procédés technologiques en salle blanche, des caractérisations et des modèles théoriques ont été mis au point. Après avoir obtenu les figures de mérite adaptées, cette étude a conclu au manque de potentiel de ce matériau pour une application aux micro-bolomètres. D'autre part, nous avons étudié des résonateurs sub-longueur d'onde basés sur des cavités métal-isolant-métal permettant d'obtenir des absorbants totaux, et omnidirectionnels. Un modèle analytique permettant de les décrire et de les concevoir rapidement a été mis au point. La combinaison de ces résonateurs à l'échelle sub-longueur d'onde a permis de mettre en évidence un phénomène de tri de photon et la possibilité de concevoir des absorbants large bande. Nous avons ainsi proposé (et breveté) l'utilisation de ces antennes comme absorbants pour les micro-bolomètres. En effet leur capacité à focaliser le champ dans des volumes sub-longueur d'onde permet d'introduire une rupture conceptuelle pour la conception de bolomètres à hautes performances.