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Le sujet de thèse porte sur des micro/nanorésonateurs ainsi que leurs électroniques de lecture. Les composants mécaniques sont utilisés pour mesurer des masses inférieures à l'attogramme (10-18 g) ou de très faibles concentrations de gaz. Ces composants peuvent ensuite être mis en réseau afin de réaliser des spectromètres de masse ou des détecteurs de gaz. Afin d'atteindre les résolutions nécessaires, il a été choisi d'utiliser une détection harmonique de résonance détectant les variations de la fréquence de résonance d'une nanostructure mécanique. Les dimensions du résonateur sont réduites afin d'augmenter sensibilité en masse, cependant le niveau du signal électrique en sortie du composant est également réduit. Ce faible signal nécessite donc de concevoir de nouvelles transductions électromécaniques ainsi que des architectures électroniques qui minimisent le bruit, les couplages parasites et qui peuvent être mise en réseau.

Les Micro et Nano Electro Mechanical Systems (MEMS et NEMS) font partis des meilleurs candidats pour les mesures d'interactions a l'echelle nanometrique. La resolution en force de l'ordre de l'attonewton a ete exploit ee avec succes aussi bien pour mesurer le poids de molecules uniques que pour la mesure du spin d'un electron unique. Les NEMS et les MEMS sont generalement des systemes fabriques a partir de composants sub-microniques l'un en face de l'autre. Lorsque leur distance atteint l'echelle sub-micronique, phenomenes generalement negliges, doivent ^etre pris en compte lors d'applications microscopiques. Les interactions mecaniques entre deux surfaces separees de moins d'un micron sont regies par des forces qui, dans des systemes macroscopiques, sont souvent negligeables. Dans ce travail de these, nous etudions les forces d'interaction entre surfaces separees par une distance allant de quelques nanometres a plusieurs micrometres. Premierement nous traiterons du probleme des forces hydrodynamiques agissant sur des micro-structures oscillantes en environnement visqueux. Nous montrerons que l'eet d'amortissement d'un uide conne depend de la taille du connement. Nous etudierons comment cet eet de connement peut modier les proprietes de cet oscillateur mecanique. Dans un second temps nous poserons le probleme des forces optiques agissant sur les micro-oscillateurs mecaniques. Par l'utilisation de l'absorption et de la diraction des faisceaux de rayons X nous verrons que les eets habituellement observes en lumiere visible le sont aussi par rayons X. Nous montrerons que les MEMS et potentiellement les NEMS sont des systemes adequates pour le developpement de nouveaux outils pour les techniques de la lumiere Synchrotron. Enn nous etudierons la radiation thermique entre deux surfaces a une distance micronique et sub-micronique ou la contribution des composantes champs proche ne peuvent plus ^etre negligees. Nous presenterons les mesures de radiation thermique entre deux surfaces de verres amenant une comparaison avec la theorie de la radiation thermique basee sur l'electrodynamique stochastique.

La miniaturisation des composants électroniques conduit aujourd'hui au développement de capteurs ultra-sensibles. En particulier, les capteurs NEMS (systèmes électromécaniques nanométriques) ont maintenant une sensibilité suffisante pour détecter des molécules uniques. Ceci permet d'intégrer ces capteurs dans des dispositifs de spectrométrie de masse dont la particularité sera d'opérer en mode comptage de molécules uniques. Notre travail consiste à reconstruire le spectre de masse de la solution analysée à partir des signaux fréquentiels délivrés par les NEMS. Nous nous plaçons dans le cadre des approches problèmes inverses et des méthodes d'inférence bayésienne. Nous modélisons le système de mesure qui lie les inconnues aux signaux observés par un modèle graphique hiérarchique et nous introduisons un modèle de signal de type processus ponctuel marqué. Nous le comparons à un modèle de type processus à temps discret. Nous mettons en place un algorithme de déconvolution impulsionnelle intégrant une exploration de modèles qui réalise la détection des molécules analysées, l'estimation de leur masse et le comptage, afin de reconstruire le spectre de masse de la solution analysée. Nous présentons des résultats sur données simulées et sur des données expérimentales acquises au CEA/INAC sur des agrégats de Tantale en utilisant des capteurs NEMS développés au CEA-Leti/DCOS. Relativement aux méthodes de l'état de l'art, la méthode que nous proposons améliore le taux de comptage tout en gardant un taux de fausses détections suffisamment bas. Notre méthode délivre également les incertitudes sur les paramètres reconstruits. Enfin, nous développons le cas particulier de la reconstruction de spectres de masse discrets.

The procedure for milling micrometre scale cantilevers of lutetium iron garnet using a focused ion beam microscope was developed. The infrastructure to study these cantilevers using rotational hysteresis loops and ferromagnetic resonance experiments was set up. The cantilevers were shown to remain magnetic after milling, and the origin of their hysteresis loops investigated with a variant of the Stoner-Wohlfarth model. Ferromagnetic resonance in the cantilevers was demonstrated as the first step towards studying magnetomechanical coupling.

Nanoelectromechanical systems (NEMS) have drawn considerable attention towards several sensing applications such as force, spin, charge and mass. These devices due to their smaller size, operate at very high frequencies (MHz - GHz) and have very high quality factors (102 -105). However, the early onset of nonlinearity limits the linear dynamic range of these devices. In this work we investigate the nonlinearities and their effect on the performance of graphene based NEMS. Electromechanical devices based on 2D materials are extremely sensitive to strain. We studied the effect of strain on the performance of single layer Graphene NEMS and show how the strain in Graphene NEMS can be tuned to increase the range of linear operation. Electromechanical properties of the doubly clamped graphene resonators deviates from the flat rectangular plate as the former possesses geometrical imperfections which are sometimes orders of magnitude larger than the thickness of the resonator. Due to these imperfections we report an initial softening behavior, turning to strong hardening nonlinearity for larger vibration amplitude in the back-bone curve. We have also studied the frequency stability of graphene resonators. Frequency stability analysis indicates departure from the nominal frequency of the resonator with time. We have used Allan Variance as a tool to characterize the frequency stability of the device. Frequency stability of graphene resonator is studied in an open loop configuration as a function of temperature and bias voltage. The thesis concludes with a remark on the future work that can be carried out based on the present studies.

The aim of the thesis is to study mechanical properties of nanomaterials (multi-layer graphene, silicon, mica) suitable to be used as novel pressure sensors in laser photoacoustic spectroscopy. Membranes (diameter ~ 4 mm, thickness ~ 100 nm) were prepared by mechanical exfoliation method and then attached to a glass window in several slightly different designs. Movement of these membranes was detected using HeNe laser beam reflected from the membrane's surface onto a position sensitive detector. Methanol was used as a model gas and the signal was collected from studied element and microphone simultaneously. Acoustic wave, induced inside a measuring cell by periodic thermal variations, causes the membranes to move. The movement of a membrane is influenced by its mechanical properties, which is possible to determine by fitting the measured data into a mathematical model. Comparison of the output data of all membranes' measurements shows, that the signal intensity is influenced by the method of attaching membrane to a glass window and by volume of free space on a side of a membrane. Metallization of the membrane's surface (~ 70 nm) decreases its springiness thus decreases the sensitivity. Several membranes reached sensitivity comparable with top class microphone.

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Casimir force is a cause of stiction (adhesion) between metal surfaces in Micro-Electro Mechanical Systems (MEMS). Casimir Force depends strongly on the separation of the two surfaces and the contact area. This thesis reviews the theory and prior experimental demonstrations of the Casimir force. Then the Casimir attractive force is calculated for a particular MEMS cantilever device, in which the metal cantilever tip is required to repeatedly touch and release from a metal tip pad on the substrate surface in response to a periodic driving electrostatic force. The elastic force due to the bending of the cantilever support arms is also a consideration in the device operation. The three forces are calculated analytically and compared as a function of cantilever tip height. Calculation of the electrostatic force uses coefficients of capacitance and electrostatic induction determined numerically by the finite element method, including the effect of permittivity for the structural oxide. A condition on the tip area to allow electrostatic release of the tip from the surface against Casimir sticking and elastic restoring forces is established.

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