Les nanotechnologies offrent la possibilité de miniaturiser et réduire la consommation et le coût de fabrication des composants actuels. Elles permettent aussi de développer de nouvelles fonctionnalités afin de réaliser des systèmes intégrés de hautes performances pour des applications dans les domaines de l'électronique et des télécommunications. Les nanotubes de carbone sont particulièrement appropriés à être intégrés dans des NEMS, en raison de leurs dimensions et leurs propriétés mécaniques et électriques. Leur fréquence de résonance se situe dans la bande des GHz, ce qui les rend intéressants pour des systèmes micro-onde. Leur localisation directement sur dispositifs par la technique CVD (dépôt chimique en phase gazeuse) de croissance de NTC ouvre une voie pour la fabrication des NEMS à base de NTC. Toutefois il est intéressant de connaître le module de Young des NTC afin de dimensionner ces systèmes. Il est donc important de développer une technique caractérisation in-situ des NTC. Les travaux de cette thèse ont un double objectif : (1) l'extraction du module de Young des NTC obtenus par CVD et (2) la réalisation d'une brique de base permettant de lever les verrous technologiques liés à l'intégration des NTC. Une micro pince électrostatique à base de faisceaux de NTC verticaux a ainsi été modélisée et réalisée pour la première fois. La mesure expérimentale de la tension de pull-in de cette pince, associée à modèle électromécanique développé dans cette thèse, et qui prend en compte la densité des NTC a permis l'extraction du module de Young.

Dans ce manuscrit, nous présentons d'abord le bloc de construction moléculaire ultime pour les dispositifs de spintronique, les aimants à molécule unique (Chapitre 2). En particulier, nous nous concentrerons sur une molecule de TbPc2 et différentes approches pour sonder son aimantation à l'aide de détecteurs a base de nanotubes de carbone et de mécanismes de couplage différents (flux magnétique, couplage électronique et mécanique). Dans le but de construire un detecteur de torque supramoléculaire capable de sonder le moment magnétique d'un aimant moléculaire, nous allons décrire dans le chapitre 3 un candidat très prometteur, un système nanoélectromécanique (NEMS) à base d'un nanotube de carbone. Nous décrirons d'abord les avantages de NEMS à base de carbone par rapport aux résonateurs classiques à base de silicium. Par la suite, nous présenterons l'état de l'art des NEMS à base de nanotubes de carbone, en nous focalisant en particulier sur deux différents mouvements nanomécaniques, un mode de flexion transverse et un mode de compression longitudinal. Dans le chapitre 4, nous présenterons la mise en oeuvre expérimentale d'un detecteur de torque supramoléculaire basé sur NEMS à nanotubes de carbone et des aimants à molécule unique. Nous décrirons d'abord le processus de fabrication ultra propre et les étapes de la caractérisation d'un NEMS à nanotubes de carbone à températures ambiante et cryogénique. Nous allons ensuite démontrer un procédé de greffage d'une molécule aimants de TbPc2 sur un tel NEMS à nanotube de carbone, qui conserve à la fois les propriétés magnétiques de la molécule et les propriétés mécaniques du résonateur. Dans le chapitre 5, nous allons ensuite procéder à une étude systématique du mode de flexion transverse dans un NEMS à nanotube de carbone. Nous montrerons, que la dissipation de ce mode de vibration induit par l'effet tunnel d'électron unique à travers le nanotube de carbone (considére comme point quantique) dépend essentiellement de l'environnement électronique du nanotube, c'est à dire de la capacité, du couplage entre le nanotube de carbone et les electrodes métalliqes, du courant et de la température. Les résultats indiquent que l'on pourrait atteindre des facteurs de qualité de 10^6 ou plus en choisissant un diélectrique de grille appropriées et/ou en améliorant le couplage entre le nanotube de carbone et les electrodes, ce qui permettrait notamment d'augmenter la sensibilité du NEMS nanotubes de carbone par rapport à un torque magnétique générer par le retournement d'un aimant moléculaire. Dans le chapitre 6, nous démontrons la présence d'un mode de vibration longitudinal quantique dans un NEMS à base de nanotube de carbon fonctionnalisé avec des aimants moléculaires de TbPc2. Nous allons en particulier montrer que la nature quantique des deux systèmes, se traduit par un fort couplage entre le mode de compression longitudinal et l'aimantation d'un aimant moléculaire TbPc2 unique greffé sur la parois du nanotube de carbone. Ce fort couplage permet par la suite de détecter les états de spin nucléaire dans la molécule de TbPc2. Enfin, nous présenterons dans la conclusion de ce manuscrit quelques perspectives pour la détection et la manipulation (coherente) d'un seul spin (nucléaire) à l'aide d'un système mécanique quantique.

An experimental study was conducted to explore the possible application of dynamically actuated nanowires to effectively disturb the wall layer in fully developed, turbulent channel flow. Actuated nanowires have the potential to be used for the mixing and filtering of chemicals, enhancing convective heat transfer and reducing drag. The first experimental evidence is presented suggesting it is possible to manipulate and subsequently control turbulent flow structures with active nanowires. An array of rigid, ultra-long (40 μm) TiO2 nanowires was fabricated and installed in the bounding wall of turbulent channel flow then oscillated using an attached piezoelectric actuator. Flow velocity and variance measurements were taken using a single sensor hot-wire with results indicating the nanowire array significantly influenced the flow by increasing the turbulent kinetic energy through the entire wall layer.

Dans ce travail, nous exposons une méthode basée sur la détection localisée en couplage capacitif de la composante électrique du signal RMN via des micro/nano sondes spécifiquement développées. Dans la première étape de ce travail nous avons utilisé des NEMS à base de nanotube de carbone pour réaliser une détection du signal RMN à l'échelle nanométrique. En effet, grâce à un couplage électromécanique, nous avons caractérisé ces systèmes en émission de champ, déterminé expérimentalement leur fréquence de résonance et montré qu'ils sont capables de détecter un signal radiofréquence. Pour utiliser ces dispositifs en RMN, l'adaptation du champ statique B0 de l'aimant pour atteindre la valeur de la fréquence de Larmor d'un atome est nécessaire. L'excitation locale autour de ces systèmes permettra une caractérisation complète et fiable. Pour mettre en place cette excitation localisée, nous avons choisi, dans la deuxième étape de cette thèse, une sonde locale de champ électromagnétique à l'échelle micrométrique. D'abord, nous présentons des simulations autour de la microsonde, décrivant la propagation des champs électrique et magnétique injectée par la microsonde. Nous avons caractérisé la microsonde en mode collection. Nous montrons une décroissance de l'intensité du signal RMN, en fonction de la distance. Nous avons observé et modélisé démontrant ainsi que La microsonde est capable de détecter localement un signal RMN tandis que la bobine capte de façon globale. Nous présentons les premières expériences de l'utilisation de la microsonde en mode émission. Ces mesures nous fournissent un modèle qui décrit une excitation inhomogène, dûe à l'émission locale de la puissance (décroissance exponentielle de la puissance), proche de la microsonde. Une distribution des angles de basculement est répartie d'une façon inhomogène induisant une distribution des intensités du signal RMN autour de la microsonde. À la fin de cette thèse, nous avons réalisé deux expériences comme applications directes suite des études sur la caractérisation de la microsonde. La première consiste à imager un volume d'eau placé dans un bain d'huile de silicone. L'image est obtenue en déplaçant mécaniquement la microsonde et en réalisant pour chaque point une mesure de spectroscopie localisée. Dans la deuxième expérience, la microsonde est utilisée pour injecter dans ce volume d'eau des impulsions électromagnétiques et détecte à la suite le signal RMN. Notre étude sur la caractérisation de l'émission locale par une microsonde et la détection du signal radiofréquence par un NEMS à base de NTC, nous permet de proposer un nouveau type de dispositifs capable de détecter un signal RMN.

Ce travail de thèse porte sur l'étude de nouveaux phénomènes vibratoires dans les systèmes Nano-électromécaniques (NEMS) conçus à partir de nanofils (NFs) SiC ou de nanotubes de carbone (NCs) résonants. La configuration encastré-libre permet d'effectuer l'émission de champ (EC) pour caractériser nos échantillons et notamment mesurer le module de Young et le facteur de qualité (Q) de nos NEMS. Le chauffage du résonateur permet d'accroître fortement la valeur de Q des nanofils SiC (Qmax = 159 000). Les auto-oscillations observées sous EC sont obtenues seulement par l'application d'une tension continue et permettent un taux de conversion AC/DC de l'ordre de 50%. L'utilisation de NFs très résistifs couplée au courant d'EC est indispensable pour engendrer ces oscillations spontanées. La réalisation d'une nanoradio sous EC permet la démodulation d'un signal AM ou FM grâce à la résonance d'un NC. Nous décrivons une méthode originale pour exciter les vibrations d'un NF à partir du faisceau d'électrons d'un microscope électronique. L'évolution de la charge au bout du NF est la principale cause de ces auto-oscillations. La configuration encastré-encastré consiste à obtenir un transistor à base de NCs suspendus. Les composants sont caractérisés électriquement et mécaniquement dans un testeur sous pointe sous ultra vide à partir de techniques dites de mixing. La fréquence de résonance de ces échantillons est de l'ordre de 100 MHz et la démodulation d'un signal FM est réalisée pour la première fois dans cette configuration de NEMS. Pour l'ensemble des phénomènes découverts et traités dans ce manuscrit, un modèle et les simulations qui en découlent sont présentés et commentés

La miniaturisation des composants électroniques de l'échelle micro à l'échelle nano a entrainé aussi une miniaturisation des systèmes micro électromécaniques (MEMS). Cependant, la transition de MEMS à NEMS (systèmes nano électromécaniques) ne se résume pas simplement une réduction de taille. En fait, les méthodes d'actionnement et de détection utilisées couramment à l'échelle micro ne sont pas toujours efficaces à l'échelle nano. En plus, la fabrication des composants nanométriques avec des méthodes top-down est un défi à cause des limites de résolution. En surmontant ces difficultés, nous avons fabriqué et caractérisé des résonateurs à base de nanofils en silicium suspendus avec des petites sections de 30nm par 40nm et de longueurs allant de 1.5-3.5μm. L'actionnement de ces résonateurs est électrostatique et la détection est effectué avec deux mécanismes indépendants : (i) l'effet piezo résistif de deuxième ordre et (ii) l'effet de champ. Les mesures en régime statique nous ont permis de valider la présence de ces deux mécanismes et d'extraire les paramètres correspondants tels que le facteur de jauge et la transconductance du nanofil. Aussi, pour la première fois, ces deux principes ont été utilisés en alternance pour détecter la résonance du même nanofil. Les résultats obtenus avec ces transductions sont très prometteurs. La distinction entre les deux méthodes de transduction a été possible grâce à l'hétérodynage qui permet de sélectionner des phénomènes qui se produisent à la fréquence naturelle du dispositif ou au double de cette fréquence. Dans le but d'évaluer les performances de ces résonateurs pour de potentielles applications, nous avons mesuré la variance d'Allan. La stabilité de ces résonateurs pour des temps courts est du même ordre que celle des MEMS en silicium ce qui permet d'envisager l'utilisation de nanofils de silicium pour concevoir des bases de temps. Ces dispositifs nanométriques peuvent également être utilisés comme détecteur de masse avec des résolutions en masse de l'ordre du zg / The continuous miniaturization of electronics from micro to nano scale has impacted also the micro electromechanical systems (MEMS). However, the transition from MEMS to NEMS (nano electromechanical systems) is not only a matter of size. The actuation and detection principles used for efficient transduction at the microscale are not always efficient at the nanoscale. Also, top-down fabrication for nanometric devices becomes challenging due to resolution limits. Overcoming such difficulties, we were able to fabricate and characterize suspended silicon nanowire resonators with cross sections as small as 30nm by 40nm and lengths of 1.5-3.5μm. The actuation of these resonators was electrostatic, while the detection was performed with two independent physical phenomena: (i) the piezoresistive effect of second order and (ii) the field-effect. Measurements in static regime permitted us to validate the presence of these two mechanisms and extract related parameters such as the gauge factor and the nanowire transconductance. Then, for the first time, these two principles were used alternatively on the same silicon nanowire device for resonance detection and showed promising results. The distinction between the two was possible thanks to the down-mixed technique which could differentiate phenomena happening at the natural resonant frequency of the nanowire and twice this frequency. In order to evaluate the performances of these resonators, Allan deviation measurements were performed. It seems that the short-term stability of these devices is in the spectrum of other silicon MEMS devices for time reference applications and that potentially silicon nanowire resonators could be conceived for time keeping. Another potential application of these devices consists in mass sensing with mass resolutions close to the state of the art (<zg)

Les nanofils semiconducteurs sont aujourd’hui le sujet de nombreuses recherches pour leurs propriétés physiques intéressantes. S’appuyant plus spécifiquement sur les propriétés thermiques des nanostructures, l’objectif de cette thèse est de démontrer la faisabilité d’un capteur de conductivité thermique conçu à partir de nanofils de silicium pour des applications en tant que jauge Pirani ou détecteur de gaz. Le travail réalisé aborde les questions posées par la réduction de taille des objets telles que l’augmentation du bruit ou la conduction thermique en régime de raréfaction et élabore des solutions à ces problématiques. Le manuscrit aborde l’ensemble des étapes nécessaires à la réalisation d’un capteur, à savoir la conception des dispositifs, s’appuyant sur une étude détaillée du comportement physique des objets utilisés, la fabrication sur plaque 200mm de ces capteurs par la salle blanche du CEA-Leti en ayant recours aux techniques classiques de la microélectronique et enfin leur caractérisation en tant qu’instrument de mesure de pression (jauge Pirani) ou en tant que capteur de concentration de gaz. Le travail réalisé s’intègre dans un projet plus global de réalisation d’un système de détection de gaz portatif pour l’analyse de l’air ou de l’eau / Semiconducting nanowires are nowadays the topic of numerous research for their interesting physical properties. Relying more specifically on the thermal properties of nanostructures, the purpose of this thesis is to demonstrate the feasibility of a thermal conductivity detector based on silicon nanowires for pressure sensing (Pirani gauge) or gas detection. The work presented herein addresses the questions raised by the reduction of the objects size such as the increase of the noise or the thermal conduction in a rarefied gas and tries to bring a solution to those problematics. This work deals with all the steps required for the realization of such devices. That is, the design and simulation of the sensor, based on a detailed study of the physical behavior of the objects, the fabrication of such devices on 200mm wafers by the CEA-Leti cleanroom using standard microelectronics processes and finally their characterization as a pressure sensor and gas detector. The work presented here is part of a wider project that aims at developing of a portable gas detection system for air or water analysis.

Dans ce manuscrit, nous présentons le développement d'un résonateur optimisé pour observer des effets quantiques du couplage entre un resonateur mécanique et le champ electromagnétique via la pression de radiation. Celui-ci doit combiner une réflectivité élevée, une faible masse, ainsi qu'un facteur de qualité mécanique élevé. Le résonateur consiste en une membrane suspendue de quelques centaines de nanomètres d’épaisseur, et de quelques dizaines de microns de côté, présentant une réflectivité importante grâce à l'utilisation de cristaux photoniques. Après une étude détaillée de la physique d'un cristal photonique en incidence normale, nous présentons les résultats expérimentaux, en bon accord avec des simulations optiques, notamment lorsque la membrane est utilisée comme miroir de fond d’une cavité Fabry-Perot. Dans un second point, nous passons en revue les mécanismes d'amortissement mécanique à l’œuvre dans les micro-résonateurs. Nous montrons ensuite comment l'introduction de contraintes peut améliorer leur facteur de qualité. Nous finissons la caractérisation mécanique par l'étude de non-linéarités apparaissant lors des grandes amplitudes de mouvement. Puis nous présentons le montage expérimental permettant l'observation du bruit thermique de ces resonateurs. Celui-ci a également permis d'obtenir des résultats préliminaires sur le refroidissement de leur bruit thermique par friction froide et par effet photothermique. Enfin, nous présentons le développement d’un système de couplage capacitif entre la membrane et un circuit électrique, constituant la première étape de la réalisation d’un transducteur optomécanique entre photons optiques et micro-ondes. / The field of optomechanic consists in studying the coupling induce by the radiation pressure between a mechanical resonator and a light field, it has expended over the last fifteen years. In this memoir we present the developpement of a resonator optimised to observe quantum effect of the optomechanical coupling. On the one hand, it has to combine a high reflectivity and a low mass to enhance its coupling with the light field. On the other hand it should exhibit high mechanical quality factor in order to minimize its interaction with the environment. This resonator is a suspended membrane, whose thickness is about hundreds of nanometers, and whose reflectivity is achieved thanks to a photonic crystal. After a study of the photonic crystal physic in normal incidence, we present the experimental results including those in the end mirror of a Fabry-Pérot cavity configuration, which are in good agreement with the optical simulations. In a second point, we list the dissipation mechanisms in micro-resonator. Then we show how the stress introduction in such resonators can improve the quality factor. We finish the mechanical characterisation by studying mechanical non-linearities which appears in the case of large amplitude of motion. Then we present the experimental set-up developed to observe the thermal noise of the resonators. We also obtain some preliminary results about the cooling of the thermal noise using active cooling and photothermal effect. Last we present the development of a capacitive coupling between the membrane and a electrical circuit. This device is the first step toward the realisation of an optomechanical transducer between optical and micro-wave photons.

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Electrochemical synthesis of straight, separable, cylindrical nanowires for use as cantilevered mechanical resonators is the main focus of this dissertation. These types of nanowires are significant for many applications, but particularly so for chip-based sensor arrays made for ultrasensitive mass detection. Directed-assembly of nanowire-based devices has enabled the development of large-area fabrication of sensor devices with new functions such as cancer detection at early stage. Chemically stable noble metals gold and rhodium are interesting materials for making nanowire resonators. Gold makes a well-known, stable and strong bond with the thiol group, which enables a range of surface functionalization chemistries. Rhodium nanowires have desirable mechanical properties for resonant mass sensing as they can retain high quality factor (Q-factor) from high vacuum to near atmospheric pressures. As a versatile and inexpensive tool, electrodeposition provides the most suitable synthesis path for gold and rhodium resonator-grade nanowires in nanoporous templates. In this work, the structural characteristics of nanoporous membranes anodized aluminium oxide and track-etched polycarbonate was explored for use as electrodeposition template. New chemistries for making gold and rhodium nanowires are introduced. Although gold cyanide-based solutions work well for the electrochemical synthesis of separable nanowires, the toxicity of cyanide solutions makes non-cyanide alternatives desirable. However, electrochemical synthesis of gold nanowires in templates from non-cyanide solutions suffers from serious drawbacks. These include growth-arresting pellet formation, poor length control and defects such as inclusions. In this dissertation, the first electrochemical synthesis of straight, cylindrical, separable gold nanowires from a sulfite-based solution is presented. This work demonstrates a scheme that suppresses electroless particle growth in the weakly-complexed gold in solution by proper use of additives. The electrochemical nucleation and growth of rhodium nanowires from a sulphate-based solution is also discussed. The effect of pH on the length uniformity as well as the effect of EDTA and polyethylenimine as additives on the development of the wire nanostructure was studied. This study has shown that the control over hydrogen co-reduction on the electrode surface and its bubble transport rate allowed for tailoring the nanostructure of the grown nanowires. The control over electrochemical nucleation and growth of noble metal films for nanowire clamping has also been investigated in this work for making reliable defect-free clamps for nanoresonator measurements. Silver was introduced as a reliable replacement for gold for nanowire clamping. Resonance measurements of rhodium nanowires clamped with silver, confirmed a reliable and repeatable clamp with very small scatter in the plot of resonance frequency variation with appropriate geometric terms. In addition, we found that the elastic modulus of a set of rhodium nanowires synthesized and measured in this work, was 14% larger than in previous studies. / Graduate / 0794 / 0548 / mascotella@gmail.com