Thèses (M.Sc.)--Université de Sherbrooke (Canada), 1998. / Titre de l'écran-titre (visionné le 20 juin 2006). Publié aussi en version papier.

Habilitationsschrift--Munich. / Includes bibliographical references.

Habilitationsschrift--Konstanz--Universität, 2000. / Bibliogr. p. 321-351. Index.

Th. doct.-ing.--Électron.--Grenoble--I.N.P.G., 1984. N°: DI 453.

Ce sujet de recherche ambitionne le contrôle du procédé de réalisation in situ de nano-objets en matrice diélectrique en vue du développement de nouvelles applications. Les matrices de silice comportant des nanoparticules métalliques et semi-conductrices ont suscité un intérêt considérable en recherche fondamentale et appliquée dans le cadre de l’amélioration des catalyseurs, capteurs, ou de composant optiques linéaires et non linéaires. L’utilisation d’une irradiation laser est souvent mentionnée comme méthode prometteuse de croissance localisée. L’objet de ce travail est d’explorer les différentes possibilités de photo-cristallisation de différents types de nanoparticules dans des matrices poreuses ou vitreuses, en faisant varier les conditions de dopage et d’irradiation. Dans cette thèse, des monolithes de silice poreuse produits par le procédé sol-gel ont été post-dopés et densifiés. Une méthode simple, basée sur une irradiation laser, a été développée pour localiser la croissance des nanoparticules semi-conductrices (PbS, CdS) ou métalliques (Au, Ag) à l'intérieur de la matrice de silice poreuse. Les nanoparticules sont précipitées localement sous la surface du xérogels de silice en utilisant un laser visible continu, ou encore dans son volume par une irradiation infrarouge en régime femtoseconde. Il est ainsi apparu qu’une croissance par irradiation en régime femtoseconde dans le domaine infrarouge procède de mécanismes tout à fait différents de ceux d’une synthèse par insolation continue, où le thermique a un rôle prépondérant. Par ailleurs, il est montré que la taille des nanoparticules peut être ajustée par le choix de la concentration des précurseurs dans la solution de post-dopage, par la longueur d’onde du laser, sa puissance ou par la température dans le cas de la précipitation thermique. En outre, différentes méthodes ont été utilisées pour précipiter des nanoparticles métalliques (Ag, Cu) à l’intérieur d’une matrice de silice dense. Ces techniques sont basées soit sur la combinaison d’une insolation laser et d’un traitement thermique, soit uniquement sur des traitements thermiques sous des atmosphères différentes. La structuration spatiale de ces nanoparticules est effectuée par irradiation laser à impulsions, suivie d’un recuit à 600°C. Enfin, le dopage de verre massif par des nanoparticules de Cu a permis d’envisager leur utilisation pour fabriquer des cœurs de fibres optiques micro-structurées dopés. Les premiers tirages de capillaires ont montré que les nanoparticules de Cu peuvent être préservées après avoir subi une fusion à 2000°C. / The thesis project aims to master the localization and organization of metallic and semiconducting nano-objects formed inside sol-gel silica materials for novel applications. The nanostructuration method used in this thesis is based on the laser irradiation and, if necessary, heat-treatment. The local character of the matter-light interaction leads to the formation of nano-objects only in the irradiated areas. Hence, it is possible to control the spatial distribution of the nano-crystallites as well as their size distribution by varying the irradiation parameters. In this thesis, porous silica monoliths produced via the sol-gel process were doped and densified. Different kinds of semiconductors (CdS, PbS) and metallic (Au, Ag) nanoparticles incorporated inside the porous SiO2 matrix have been precipitated with the assistance of laser irradiation at room temperature or by an annealing process. The local generation of nanoparticles could be performed directly on the surface of the silica xerogel using a visible continuous laser or inside the volume of the matrix by a femtosecond laser irradiation. Moreover, it has been shown that the nanoparticle size could be adjusted by choosing the concentration of the precursors in the post-doping solution, the laser wavelength, the irradiation power and/or the annealing temperature in the case of thermal precipitation. Furthermore, different methods were used to precipitate metallic nanoparticles (Ag or Cu) inside dense silica matrix. Those techniques are based on laser irradiations and/or heat treatments. Under pulsed laser irradiation, the space selective growth of noble metal nanoparticles was achieved in two steps: first, metallic nucleation centres were generated by the pulsed laser (nanosecond or femtosecond) in the irradiated areas; next, the metallic nanoparticles growth was obtained by annealing at 600°C. Besides, the doping of glassy matrices with copper nanoparticles allows foreseeing their use in the core of microstructured optical fibres. First capillary drawings have shown that the copper nanoparticles can be preserved after undergoing a melting at 2000°C.

Développé dans les années 50, le modèle de Skyrme est un modèle efficace à basse énergie qui tente de représenter les noyaux atomiques. Bien qu'intéressant, le modèle original rencontre deux problèmes majeurs : il prédit des énergies de liaison trop élevées pour les noyaux et il leur prête une structure cristalline qui n'est pas observée expérimentalement. Afin de régler ces problèmes, Adam, Sánchez-Guillén et Wereszczynski, en 2010, ont développé le modèle de Skyrme BPS en modifiant le lagrangien du modèle original. Toutefois, leur version ne permet pas de représenter des particules physiques. C'est pour cette raison que le modèle de Skyrme quasi-BPS fut développé par Bonenfant et Marleau en 2010. Le lagrangien du modèle de Skyrme quasi-BPS comprend les termes du modèle de Skyrme original en plus de ceux du modèle de Skyrme BPS, soit des termes d'ordre zéro, deux, quatre, et six en dérivée. En 2018, Bartolini, Bolognesi et Proto proposèrent une façon de générer le lagrangien du modèle de Skyrme quasi-BPS en se basant sur le modèle de Sakai-Sugimoto, qui est une extension holographique de la chromodynamique quantique. Nous tenterons, pour ce projet de recherche, d'utiliser leur méthode afin de générer des termes d'ordre supérieur en dérivée dans le lagrangien. Ainsi, nous souhaitons explorer le parallèle entre le modèle d'élasticité et le modèle de Skyrme proposé par Manton en 1987. / Developed in the 50s, the Skyrme model is a low energy effective model that aims to represent atomic nuclei. Although interesting, the original model bumps into two major problems : it predicts binding energies that are too high compared to experimental results and gives the nuclei crystalline structures that are not observed experimentally. To solve these problems, Adam, Sánchez-Guillén and Wereszczynski, in 2010, developed the BPS Skyrme model by modifying the original lagrangian. However, their version cannot represent real particles. In order to remedy this problem, the q-BPS Skyrme model was developed by Bonenfant and Marleau in 2010. Its lagrangian includes both the terms from the lagrangian of the original Skyrme model and the ones from the lagrangian of the BPS Skyrme model, that is, terms of order 0, 2, 4 and 6 in derivative. In 2018, Bartolini, Bolognesi and Proto proposed a way to generate the q-BPS Skyrme model lagrangian using the Sakai-Sugimoto model, which is a holographic extension of quantum chromodynamics. We will try, for this research project, to generalize their method in order to generate higher order terms in derivative in the q-BPS lagrangian. This way, we hope to explore the parallel between the elasticity theory and the Skyrme model described by Manton in 1987.

Développé dans les années 50, le modèle de Skyrme est un modèle efficace à basse énergie qui tente de représenter les noyaux atomiques. Bien qu'intéressant, le modèle original rencontre deux problèmes majeurs : il prédit des énergies de liaison trop élevées pour les noyaux et il leur prête une structure cristalline qui n'est pas observée expérimentalement. Afin de régler ces problèmes, Adam, Sánchez-Guillén et Wereszczynski, en 2010, ont développé le modèle de Skyrme BPS en modifiant le lagrangien du modèle original. Toutefois, leur version ne permet pas de représenter des particules physiques. C'est pour cette raison que le modèle de Skyrme quasi-BPS fut développé par Bonenfant et Marleau en 2010. Le lagrangien du modèle de Skyrme quasi-BPS comprend les termes du modèle de Skyrme original en plus de ceux du modèle de Skyrme BPS, soit des termes d'ordre zéro, deux, quatre, et six en dérivée. En 2018, Bartolini, Bolognesi et Proto proposèrent une façon de générer le lagrangien du modèle de Skyrme quasi-BPS en se basant sur le modèle de Sakai-Sugimoto, qui est une extension holographique de la chromodynamique quantique. Nous tenterons, pour ce projet de recherche, d'utiliser leur méthode afin de générer des termes d'ordre supérieur en dérivée dans le lagrangien. Ainsi, nous souhaitons explorer le parallèle entre le modèle d'élasticité et le modèle de Skyrme proposé par Manton en 1987. / Developed in the 50s, the Skyrme model is a low energy effective model that aims to represent atomic nuclei. Although interesting, the original model bumps into two major problems : it predicts binding energies that are too high compared to experimental results and gives the nuclei crystalline structures that are not observed experimentally. To solve these problems, Adam, Sánchez-Guillén and Wereszczynski, in 2010, developed the BPS Skyrme model by modifying the original lagrangian. However, their version cannot represent real particles. In order to remedy this problem, the q-BPS Skyrme model was developed by Bonenfant and Marleau in 2010. Its lagrangian includes both the terms from the lagrangian of the original Skyrme model and the ones from the lagrangian of the BPS Skyrme model, that is, terms of order 0, 2, 4 and 6 in derivative. In 2018, Bartolini, Bolognesi and Proto proposed a way to generate the q-BPS Skyrme model lagrangian using the Sakai-Sugimoto model, which is a holographic extension of quantum chromodynamics. We will try, for this research project, to generalize their method in order to generate higher order terms in derivative in the q-BPS lagrangian. This way, we hope to explore the parallel between the elasticity theory and the Skyrme model described by Manton in 1987.

Dans ce travail, un circuit de détection de charge radiofréquence est construit et caractérisé à l'aide d'un dispositif de boîte quantique. Les radiofréquences permettent d'obtenir des mesures résolues en temps plus rapides par rapport à la méthode classique en courant continu. Cette méthode de détection est effectuée par réflectométrie d'un circuit RLC résonant dont fait partie le détecteur de charge du dispositif. L'intégration d'un condensateur à capacité variable à large plage est étudiée. On trouve que cette composante est nécessaire à l'adaptation rapide et efficace des nouveaux dispositifs au circuit. En plus de la capacité variable, le circuit comporte plusieurs paramètres à optimiser. Il s'agit de la conductance du détecteur de charge, la fréquence et la puissance du signal radiofréquence. Un protocole d'optimisation de ces paramètres a été mis sur pied. On obtient la sensibilité à la conductance du circuit radiofréquence de détection de charge. Elle est équivalente à celle des meilleurs circuits présents dans la littérature. On propose d'améliorer le détecteur de charge du dispositif, pour obtenir une meilleure sensibilité à la charge. Le circuit radiofréquence permet également d'effectuer la caractérisation du couplage tunnel d'un dispositif de double boîte quantique en silicium par la méthode des statistiques de comptage. Cette mesure aurait été impossible avec le circuit en courant continu. On a pu confirmer le comportement exponentiel du couplage tunnel en fonction de la tension appliquée sur une grille électrostatique. Les résultats de ce mémoire confirment que le circuit de détection de charge radiofréquence construit permet d'effectuer des mesures avec une meilleure résolution temporelle qu'en courant continu. Cette résolution ouvre la porte à une toute une gamme de mesures sur les dispositifs de boîtes quantiques qui étaient impossibles avec le circuit précédent, telles que la mesure en temps réel du spin de l'électron.

Le point principal de cette étude est l'existence du moment cinétique de Casimir d'un point de vue microscopique, montrée à l'aide d'un modèle comprenant un oscillateur harmonique soumis à des champs électrique et magnétique externes, croisés, homogènes de façon à obtenir les propriétés d'un milieu bi-anisotrope, en interaction avec les fluctuations quantiques du vide. Nous avons donné un ordre de grandeur de la vitesse de l'oscillateur attendue pour des conditions expérimentales raisonnables. Nous trouvons une contribution classique due aux champs externes de l'ordre de 0,1 micromètre par seconde et une contribution quantique attribuée aux fluctuations du vide de l'ordre de 2 nanomètre par seconde. Dans le cas d'un atome d'hydrogène en mouvement, où la bi-anisotropie est due à l'effet Fizeau, nous trouvons que l'effet du couplage avec le vide donne une correction de masse en accord avec le principe d'équivalence masse-énergie d'Einstein, à température nulle ou non-nulle. Dans le cas de deux atomes en mouvement dans le vide, nous donnons la marche à suivre dans le but de montrer que l'énergie de Casimir entre les deux atomes, c'est-à-dire liée aux forces de Van der Waals, participe de la même façon à la masse inertielle de l'ensemble. Cette approche confirme que le moment de Casimir n'est pas exclu voire même réclamé par les principes de la relativité restreinte. Nous nous sommes intéressés au cas de l'énergie Casimir d'une boule diélectrique diluée. Un calcul numérique de l'énergie associée aux forces de Van der Waals, dont l'équivalence avec l'énergie de Casimir a été montrée par ailleurs, nous a permis de déterminer l'énergie totale de la boule en fonction de son rayon. Nous déterminons les termes associés à la chaleur latente et à la tension de surface. Nous trouvons ensuite un terme variant de façon linéaire avec le rayon, en désaccord avec les méthodes de renormalisation utilisées avec une description continue. Ce désaccord est expliqué par la description continue de la matière où les interactions à courte distance sont surévaluées et conduisent à des termes divergents non considérés par la renormalisation.

Cette thèse étudie l’électronique cryogénique et la réalisation de boîtes quantiques (QD) sur substrat SOI pour le calcul quantique. Deux technologies sont proposées pour la démonstration de boîtes quantiques d’électrons/trous. La première s’appuie sur les dispositifs Trigate SOI développés au CEA-LETI et la seconde exploite la technologie FD-SOI 28nm développée par STMicroelectronics. Dans un premier temps, les dispositifs à double-grille du LETI sont mesurés à très basse température (60mK) pour mettre en avant le principe d’exclusion de Pauli pour les premiers trous confinés à l’intérieur des deux QD. Au travers de cette expérience réalisée sur un double QD nous étudions une brique élémentaire permettant à terme l’initialisation et la lecture d’un qubit. Cette expérience a par la suite été étendue à d’autres dispositifs possédant quatre grilles pour lesquels un protocole de mesure est proposé pour la démonstration de deux qubits de spin d’électron. Dans un second temps, nous avons adressé la question du contrôle, de la lecture et de la manipulation des qubits de spin par une électronique pouvant fonctionner à basse température. Les performances digitales et analogiques des transistors FD-SOI ont été étudiées sur une large gamme de température. La réduction de la température montre une nette amélioration de la mobilité des électrons et des trous mais également une plus faible pente sous le seuil (SS) qui s’accompagne également d’une augmentation de la tension de seuil (Vth). La saturation de la SS pour les faibles températures est expliquée à l’aide d’un modèle analytique développé dans le cadre de cette thèse. En modélisant une queue étroite de densité d'états près des bords des bandes de conduction et de valence et en utilisant la statistique de Fermi-Dirac, un excellent accord est obtenu entre les mesures et le modèle. L’ajout d’une variation exponentielle dans la densité de pièges d’interface permet de reproduire l’évolution de la SS sur plus de 6 décades de courant. Par ailleurs, nous montrons que l’effet d’une polarisation face arrière qui permet d’ajuster la Vth des transistors FD-SOI pour viser des applications haute performance ou basse consommation fonctionne parfaitement à basse température. La modulation de la Vth reste la même de 300K à 4K pour les grandes et petites longueurs de grille des transistors NMOS/PMOS. Afin de tirer avantage de la technologie FD-SOI et d’évaluer son intérêt pour l’électronique cryogénique, nous avons caractérisé plusieurs oscillateurs en anneaux (RO) jusqu’à 4K. L’étude a été réalisée en deux temps. Dans un premier temps, l’augmentation de la Vth à basse température n’a pas été corrigée. Puis, cette augmentation de la Vth a été corrigée grâce à la polarisation face arrière afin de conserver la même Vth que celle mesurée à 300K. Afin de conserver les avantages tirés des plus fortes mobilités des porteurs à basse température, nous montrons que la Vth doit être corrigée pour réduire significativement le délai de commutation d’une chaine d’inverseurs. Nous montrons qu’à 4K un régime de fonctionnement optimal alliant à la fois haute performance et basse consommation peut être obtenu avec une tension d’alimentation (VDD) de 0.3V contre 1V à 300K. Cela permet de réduire de façon significative la dissipation statique et dynamique des RO. Un produit Energie-Délai de 6.9fJ.ps avec un délai par étage de 37ps sont obtenus à VDD = 0.325V grâce à l’utilisation de la polarisation face arrière. Pour finir, nous discutons de la dualité des transistors FD-SOI canal court qui peuvent être utilisés soit comme MOSFET ou comme transistors à électron unique. La présence de QD dans les transistors FDSOI est démontrée avec des caractéristiques proches de celles obtenues avec d’autres architectures (type nanofil) offrant ainsi des perspectives intéressantes pour une future co-intégration d’une électronique cryogénique avec des qubits de spin réalisés à partir d’une même plateforme industrielle. / This thesis studies cryogenic electronics and quantum dots on silicon-on-insulator (SOI) for quantum computing. Different types of electron and hole quantum dots are fabricated with Leti's SOI nanowire (NW) and planar 28nm FD-SOI technology. In the first part, Pauli Spin Blockade (PSB) is studied for the first holes down to 60mK. We show that it is governed by a strong spin orbit coupling (SOC). The intradot relaxation rate of 120kHz was found for the first holes. The access barriers tunability realized with additional gates was proven to be efficient regarding the isolation of qubit from source/drain metallic leads. Following the recent demonstration of electron-dipole spin resonance (EDSR) achieved in electron quantum dots confined in the corners of silicon nanowire (CDs), we deeply investigated quantum dots in several multi-gate samples under different body-biasing conditions. Based on preliminary cryogenic transport measurements, an operation protocol for a compact two electron spin qubit gate has been proposed.Regarding cryogenic electronics required for an efficient control, manipulation and read-out of a large number of qubits, the low temperature digital and analog performance of 28nm FD-SOI MOSFETs was analysed from room temperature down to 4K. Significant improvements in transistor performance are achieved with a clear enhancement of carrier mobility and a strong reduction of subthreshold swing (SS), even for short-channel devices with gate length down to 28nm. The saturation of the subthreshold swing at low temperature is explained with a new analytical model developed in this thesis. By introducing a narrow tail in the density of states at the edges of the conduction and valence bands and using the Fermi-Dirac statistics, an excellent agreement of SS is achieved between experiments and modelling. The analysis of the SS-IDS metric under different forward body-biasing (FBB) conditions has revealed that the increased density of interface traps cannot be responsible for the SS saturation at low temperature. By adding a slight exponential variation in the interface trap density, we show that the SS-IDS curve can be well reproduced over more than 6 decades, paving a way for an efficient cryogenic design of CryoCMOS.In a second time, cryogenic performance of Ring Oscillators (RO) down to 4K was investigated. We have shown that the optimal supply voltage can be reduced down to 0.3V. This allows to efficiently reduce the dynamic and static power dissipations. At the same time, a small Energy-Delay product of 6.9fJ.ps with a delay per stage of 37ps were achieved at VDD=0.325V under aggressive FBB.Finally, in the last chapter, the duality of short-channel FD-SOI transistors operation as FETs or SETs is demonstrated at 4K. By benchmarking the QDs with respect to the common silicon platforms, we show that 28nm FD-SOI technology has a great potential for both cryogenic electronics and qubits.