Magnetism of carbon-based materials is a challenging area for both fundamental research and possible applications. We present studies of low-dimensional carbon-based magnetic systems (fullerene-diluted molecular magnets, carbon nanotubes, graphite fluoride, and nanoporous carbon) by means of SQUID magnetometer, X-ray diffraction and vibrational spectroscopy, the latter techniques used as complementary instruments to find a correlation between the magnetic behaviour and the structure of the samples.In the first part of the thesis, characteristic features of the magnetization process in aligned films of carbon nanotubes with low concentration of iron are discussed. It is shown that the magnetism of such structures is influenced by quantum effects, and the anisotropy behaviour is opposite to what is observed in heavily doped nanotubes.In the second part, Mn12-based single molecular magnets with various carboxylic ligands and their 1:1 fullerene-diluted complexes are studied. We prove that magnetic properties of such systems strongly depend on the environment, and, in principle, it is possible to design a magnet with desirable properties. One of the studied compounds demonstrated a record blocking temperature for a single molecular magnet. Both fullerene-diluted complexes demonstrated “magnetization training” effect in alternating magnetic fields and the ability to preserve magnetic moment.The third and the fourth parts of the thesis are dedicated to the analysis of various contributions to the magnetic susceptibility of metal-free carbon-based systems – intercalated compounds of graphite fluorides and nanoporous oxygen-eroded graphite. The magnetic properties of these systems are strongly dependent on structure, and can be delicately tuned by altering the π-electron system of graphite, i. e. by degree of fluorination of intercalated compounds and by introduction of boron impurity to the host matrix of nanoporous graphite. / Magnetism av kolbaserade material är ett utmanande område för både grundforskning och möjliga tillämpningar. Vi presenterar studier med låg-dimensionella kolbaserade magnetiska system (fulleren-utspädda molekylära magneter, kolnanorör, grafit fluorid och nanoporösa kol) med hjälp av SQUID magnetometer, röntgendiffraktion och vibrerande spektroskopi, de senare tekniker som används som komplement instrument för att finna sambandet mellan den magnetiska uppträdande och strukturen hos proven. I den första delen av avhandlingen är egenheter från magnetisering processen i linje filmer av kolnanorör med låg koncentration av järn diskuteras. Det visas att magnetism av sådana strukturer påverkas av kvantmekaniska effekter och anisotropin beteende är motsatsen till vad som observerats i kraftigt dopade nanorör. I den tvåa delen är Mn12-baserade enda-molekyl magneter med olika karboxylsyror ligander och deras 1:1 fulleren-utspädda komplex studeras. Vi visar att magnetiska egenskaperna hos sådana system beror i hög grad på miljön, och i princip är det möjligt att utforma en magnet med önskvärda egenskaper. En av de studerade föreningarna visade en post blockeringstemperaturen för en enda molekylär magnet. Både fulleren-utspädda komplex visade "magnetisering utbildning" effekt i alternerande magnetfält och möjligheten att bevara magnetiskt moment. Den tredje och fjärde delarna av avhandlingen är avsedda för inneboende magnetism av analys av olika bidrag till magnetisk susceptibilitet av metall-fritt kol-baserade system -inskjutna föreningar grafit fluorider och nanoporösa O2-eroderade grafit. Magnetiska egenskaperna hos dessa system är starkt beroende av strukturen, och kan fint avstämmas genom att man ändrar π-elektronsystem av grafit, i. e. med graden av fluorering av inskjutna föreningar och genom införandet av bor föroreningar till värd matris av nanoporösa grafit.

Synthesis, nuclear structure, and magnetic properties of the perovskites: Nd0.7-xMgxSr0.3MnO3 (x=0.0, 0.1), Nd0.6Mg0.1Sr0.3Mn1-zMgzO3 (z=0.1, 0.2), LaCr1-yMnyO3 (y=0.0, 0.1, 0.2, 0.3) and La1-xNdxFe0.5Cr0.5O3 (x=0.1, 0.15, 0.2) have been studied. The structure of the samples was investigated by X-ray and Neutron powder diffraction and the magnetic properties were investigated by magnetization measurements using SQUID-magnetometry. All compounds have orthorhombic structure with spacegroup Pnma (No. 62). The compounds which had the composition Nd0.7Sr0.3Mn1-yMgyO3 by preparation, were found to attain the composition Nd0.7-xMgxSr0.3MnO3 and Nd0.6Mg0.1Sr0.3Mn1-zMgzO3. The x=0.0 and 0.1 compounds order in a pure ferromagnetic structure at about 200 K, but the Mn moments become slightly tilted and attain an antiferromagnetic component below 20 K. A ferromagnetic Nd moment also appears at low temperatures. The compounds with Mg substitution y=0.2 and 0.3 do not exhibit long range magnetic order, but local ferromagnetic correlations among the Mn moments appear below 200 K. At low temperature, also a local antiferromagnetic ordering of the Nd magnetic moments occurs. In these compounds, the Mn3+/Mn4+ ratio is reduced so that the double exchange interaction is suppressed and the antiferromagnetic superexchange interaction favoured. The samples of composition LaCr1-yMnyO3 have orthorhombic structure at room temperature and below. The magnetic properties of the system are markedly affected by Mn-substitution. The parent compound LaCrO3 is a pure G-type antiferromagnet with Néel temperature 290 K. With incresing Mn-substitution, a ferromagnetic component developes in the ordered phase bcause of canting of the magnetic moments. The degree of canting increases with increasing Mn-substitution and the magnitude of the antiferromagnetic component of the moment decreases. The system La1-xNdxFe0.5Cr0.5O3 has the same antiferromagnetic G-type structure as LaCrO3, but orders already at temperatures above 400 K and develops only a very weak ferromagnetic component of the magnetic moment at low temperatures.

L'effet Josephson décrit le couplage cohérent entre supraconducteurs et le supercourant qui en résulte. D'un point de vue microscopique, il découle de l'existence d'états de quasiparticules discrets, localisés au niveau du lien faible, les états liés d'Andreev. Ils viennent en doublets dans chaque canal de conduction du lien faible, avec des énergies et supercourants opposés. Chaque doublet d'Andreev donne lieu à quatre états: l'état fondamental \left|-\right\rangle et l'état excité \left|+\right\rangle , avec une parité paire, et les états excités impairs \left|\uparrow\right\rangle et \left|\downarrow\right\rangle . Est-il possible d'exciter les doublets Andreev? Cette thèse décrit deux séries d'expériences conçues pour répondre à cette question en utilisant l'élément Josephson le plus élémentaire, un contact atomique entre deux électrodes supraconductrices. Dans une première expérience, nous avons observé et caractérisé les états excités impairs \left|\uparrow\right\rangle et \left|\downarrow\right\rangle . Comme attendu pour un système dégénéré en spin, ils ne portent pas de supercourant. Dans cette expérience, l'excitation n'était pas contrôlée mais dû au piégeage spontanée de quasi-particules parasites dans l'un des états d'Andreev. Sous certaines conditions, le temps de vie mesuré de ces états impairs peut dépasser 100 µs. La deuxième expérience est une spectroscopie photonique des états d'Andreev. Elle a été effectuée en utilisant une junction Josephson en tant qu'émetteur et détecteur microonde. Les transitions d'Andreev observées correspondent à des excitations depuis l'état fondamental \left|-\right\rangle vers l'état excité paire \left|+\right\rangle , et sont bien décrites par notre modèle quantique. Ce résultat ouvre la voie à la manipulation cohérente de ce système à deux niveaux. L'observation directe de l'état excité d'Andreev, soit par injection de quasiparticules soit par absorption de photons, conforte la théorie mésoscopique de l'effet Josephson. Cela démontre que, en plus de la différence de phase, chaque canal d'un lien faible Josephson possède un degré de liberté fermionique interne similaire à un spin un-demi.

Co-doped ZnO (ZnO:Co) thin film with room temperature ferromagnetism and spin polarized carriers is one of the advance materials and highly applicable in future development in spintronics. When ZnO:Co films deposited by a £_ growth method in a ion sputtering system, low solubility of Co (3.75%) limits further applications such that a single-guns sputtering thin film growth technique is employed in this study to outreach this limitation. A ZnO:Co bulk with 5 at% of Co was formed by a solid reaction method and used as a target. ZnO:Co films were grown in a single-gun RF sputtering system. However, all films grown at room temperature were insulator which might because sufficient oxygen content in the target and the negative charge of oxygen ion moving toward substrate making the films of full oxygen content. In this study, the post annealing in vacuum environment and the deposition of films in hydrogenation environment are conducted to try to produce various level of oxygen vacancies in the films for understanding the interplay between the oxygen vacancies and the electric transport and magnetic coupling. The present experiment contains two parts: (1) grow films with various thicknesses by controlling deposition time and then applying post annealing process, and (2) grow the films in oxygen reduced environment by introducing hydrogen during growth and taking out partial oxygen content in the plasma and the films. In the first part, the grain sizes of the films are near constant while the crystal quality is improved with the thickness of films. The worse crystal quality of grains, the better the electric transport and the stronger the magnetic coupling after post annealing processes. This indicates that the electric transport and magnetic coupling could be improved when the thin films was formed by crystals with certain disordering and contained a certain level of oxygen vacancies. In the second part, the introduced hydrogen may combine with the oxygen sputtered out from the target before deposition on substrates. It means that the films are grown in oxygen deficient conditions and result in various degrees of oxygen vacancies. Zn clusters precipitate in films when the concentration of hydrogen is over 20%, and at the meantime, they increase the conductivity and suppress the magnetic coupling in the films. These discoveries provide new perspective in understand the electric transport and ferromagnetism mechanics in DMS materials.

La dispersion de nanoparticules de fer dans des métaux liquides à température ambiante (mercure et gallium) permet d'obtenir un liquide à la fois magnétique et conducteur. Ceci est réalisé par réduction électrochimique de suspensions colloïdales de nanoparticules d'oxyde de fer sur une électrode liquide. Les mécanismes intervenant dans la transformation électrochimique de particules chargées constituées de milliers d'atomes sont mal connus. Nous avons choisi ici de décrire la réactivité de nanoparticules à l'instar d'espèces ioniques électroactives en traitant d'abord l'approche de la particule chargée vis-à-vis d'une surface chargée et ensuite le transfert électronique entre la particule et l'électrode. Il a fallu dans un premier temps comprendre les mécanismes de charge et décharge des particules en fonction des conditions expérimentales de pH, de force ionique et de fraction volumique. Cela a été possible en couplant aux méthodes de titrations chimiques, les méthodes électrocinétiques et en utilisant les outils théoriques adaptés. Ensuite, l'association de la microscopie à champ proche, des techniques optiques (réflectométrie) et des mesures électrochimiques, réalisées sur des substrats métalliques solides de très faible rugosité, nous a permis d'interpréter les résultats obtenus sur électrode liquides (mercure) et d'envisager l'adsorption contrôlée des particules. Enfin, l'étude détaillée des transformations électrochimiques montre que sous certaines conditions, les particules gardent leurs propriétés de taille et de forme après avoir subi la réaction électrochimique justifiant leur utilisation dans la préparation d'un liquide magnétique conducteur.

La fabrication d'inducteurs haute performance et basse consommation est nécessaire au développement de la téléphonie mobile. Ceci requiert le dépôt en couche mince d'un matériau magnétique doux présentant une perméabilité élevée et une fréquence de résonance au-delà de la fréquence d'utilisation. Ces propriétés peuvent être obtenues grâce à un matériau nanostructuré constitué de particules ferromagnétiques à température ambiante, monodisperses et organisées en super-réseaux. La décomposition contrôlée de précurseurs organométalliques permet la synthèse d'un matériau constitué de nanoparticules de fer/cobalt spontanément organisées en super-cristaux millimétriques correspondant au matériau cible et totalement caractérisé grâce à des études magnétiques, structurales et en microscopie électronique. Un traitement thermique suivi d'une phase d'enrobage des particules permet l'optimisation des propriétés magnétiques et électriques du matériau. Ces super-cristaux montrent des comportements intéressants et nouveaux de magnétotransport. La légitimité du matériau en tant qu'inducteur a été démontrée par une étude RF.

L'intégration de matériaux ferromagnétiques dans des hétérostructures semi-conductrices offre aujourd'hui de nouvelles perspectives dans le domaine de l'électronique de spin. Dans ce manuscrit sont présentés les résultats de la croissance par épitaxie par jets moléculaires d' hétérostructures de Mn5Ge3 sur Ge(111). Le Mn5Ge3 est un composé ferromagnétique jusqu'à température ambiante qui a l'avantage de pouvoir s'intégrer directement au Ge, semi-conducteur du groupe IV. S'agissant d'un matériau relativement nouveau, un des efforts majeurs a porté sur la maîtrise de la croissance des couches minces de Mn5Ge3 par la technique d'épitaxie en phase solide (SPE). Un fort accent a été mis sur les caractérisations structurales, la détermination des relations d'épitaxie avec le Ge(111), afin de les relier aux propriétés magnétiques des films. La seconde partie de ce travail a été consacrée à l'étude des processus cinétiques d'incorporation de carbone dans les couches minces de Mn5Ge3. La combinaison des différents moyens de caractérisations structurales et magnétiques a permis d'aboutir à une augmentation notable de la température de Curie tout en conservant une excellente qualité structurale de la couche et de l'interface avec le Ge et une stabilité thermique jusqu'à 850°C. Tous ces résultats indiquent que les couches minces de Mn5Ge3 épitaxiées sur Ge(111) apparaissent comme des candidats à fort potentiel pour l'injection de spin dans les semi-conducteurs du groupe IV.

Plus de vingt ans après la découverte de la supraconductivité à haute température critique, le mécanisme physique sous-jacente n'est pas encore bien cerné. En 2008, la découverte d'une nouvelle famille de supraconducteurs à haute température critique, les supraconducteurs à base de fer, a donné l'espoir de trouver une compréhension plus profonde des mécanismes de ce type de supraconductivité. Synthétiser des l'échantillons de grande qualité, la caractérisation des propriétés supraconductrices, l'étude des symétrices du gap et du paramètre d'ordre sont des étapes essentielles pour révéler le mécanisme. La connaissance précise du mécanisme permettra de profiter pleinement des propriétés remarquables de ces matériaux dans leurs applications industrielles si prometteuses. La thèse décrit d'abord la croissance de monocristaux de Ba$_{1-x}$K$_x$Fe$_2$As$_2$ et l'étude de leurs propriétés supraconductrices, menant vers la proposition d'une structure de gap du supraconducteur et d'un paramètre d'ordre pour les supraconducteurs à base de fer Ba-122 à partir de mesures de résistivité, de sondes à effect Hall, de spectroscopie d'Andreev en mode point-contact et de l'imagerie magnétique par la microscopie à nano-squid.Dans le chapitre 1, les événements historiques les plus marquants de la supraconductivité sont rappelés, les propriétés essentielles des supraconducteurs et le dévelopment des théories de la supraconductivité sont esquissés avant de présenter brièvement la découverte des supraconducteurs à base de fer et de donner un aperçu des questions actuelles de recherche dans ce domaine.Dans le chapitre 2, la procédure de croissance de monocristaux de Ba$_{1-x}$K$_x$Fe$_2$As$_2$ par la méthode de "self-flux", leur caractérisation par diffraction et par l'analyse de dispersion d'énergie des rayons X et la sensibilité des mesures de résistivité et de susceptibilité AC sont décrites. Puis nous présentons quelques résultats des mesures de la résistivité dépendante de la température de monocristaux du composé Ba$_{1-x}$K$_x$Fe$_2$As$_2$ (0,23 $\leq x \leq$ 0,4) sous champs magnétiques allant jusqu'à 9 T et dépendante de l'angle.Dans le chapitre 3, nous exposons quelques points essentiels du système de mesure à base de sonde de Hall que nous avons construit. Ensuite, nous présentons des mesures d'aimantation locale et globale sur des polycristaux de SmFeAsO$_{0.9}$F$_{0.1}$ synthétisés à haute pression, et de monocristaux de Ba$_{0.6}$K$_{0.4}$Fe$_2$As$_2$ effectuées par sonde de Hall et VSM.Dans le chapitre 4, nous donnons une brève introduction à la spectroscopie d'Andreev en mode point-contact, puis nous appliquons cette technique à des monocristaux de Ba$_{0.6}$K$_{0.4}$Fe$_2$As$_2$ et à une série de monocristaux de BaFe$_{2-x}$Ni$_x$As$_2$ couvrant une large gamme de dopage.Dans le chapitre 5, le développement d'un microscope de force à nano-SQUID et les mesures effectuées sur un film Rhénium d'épaisseur de 80 nm sont présentés. Le microscope peut acquérir des images topographiques et magnétiques simultanément. La plage de balayage maximale à 0.8 K est de \unit{70} {\micro\meter} $\times$ \unit{85}{\micro\meter} et sa résolution magnétique est d'environ $1,5 \times10^{-4}\Phi_0/\sqrt{\textrm{Hz}}$. Dans le chapitre 6, nous présentons quelques résultats des mesures de $\lambda$ par imagerie par microscopie de force à nano-squid sur des monocristaux de Ba(Fe$_{1-x}$Ni$_x$)$_2$As$_2$, couvrant tout le diagramme de phase. Sur les m\^{e}mes cristaux ont été effectuées des mesures du premier champ critique, de la variation de fréquence d'un oscillateur à diode tunnel et de la capacité calorifique.Enfin, au chapitre 7, un résumé détaillé et critique est présenté.

Les nano-aimants se situent à la limite entre le complexe moléculaire et l'état massif. D'un point de vue fondamental, les effets dus à la taille réduite du système et en particulier les effets de surface sont susceptibles de faire apparaitre de nouvelles propriétés. Ces propriétés peuvent être à l'origine de nouvelles applications dans des domaines comme le stockage d'information magnétique, la catalyse, la biotechnologie, le diagnostic médical ou l'énergie. Dans ce travail, des nanoparticules de 1,5 à 5 nm de diamètre ont été synthétisés par low energy cluster beam deposition (LECBD) puis encapsulées dans différentes matrices. Dans un premier temps, des systèmes modèles à base de nanoparticules de cobalt fortement diluées dans différentes matrices ont été synthétisés dans l'optique de remonter le plus précisément aux propriétés intrinsèques des nano-aimants. La suite de ce travail a consisté à augmenter la concentration en nanoparticules dans ces échantillons afin de caractériser l'influence des interactions sur le comportement magnétique macroscopique des particules. Enfin, après l'élaboration d'outils permettant de déterminer précisément les propriétés de systèmes modèles, ceux-ci ont été appliqués à des systèmes bimétalliques à fort intérêts théorique et applicatif (FeRh et FeAu). Nous avons montré que, après recuit sous ultra-vide, les nanoparticules d'alliage FeRh en matrice de carbone présentent une transition de phase A1 vers B2 sans trace de pollution ni de coalescence. Cette transition a été mise en évidence structurellement par microscopie électronique à transmission haute résolution et magnétiquement par magnétométrie à SQUID et dichroïsme magnétique de rayons X.

Les nanoalliages à base de matériaux ferromagnétiques sont intéressants car ils peuvent être à la base d'une technologie de stockage haute densité innovante. En particulier, l'alliage CoPt présente une phase ordonnée fortement anisotrope. Dans ce travail, des nanoparticules de 1,5 à 5 nm de diamètre ont été synthétisées dans un bâti ultra-vide par "Mass Selected Low Energy Cluster Beam Deposition " puis déposées avec une faible énergie et enrobées dans une matrice de carbone amorphe.Après une caractérisation des couches d'agrégats en matrice de carbone par microscopie électronique en transmission (MET), la structure des nanoparticules est étudiée par MET en mode haute-résolution et comparée 'a des simulations d'images. Cette approche originale permet de mettre en évidence la mise en ordre des nanoparticules et de quantifier le paramètre d'ordre d'une particule unique. La diffraction des rayons X en incidence rasante (GIXRD) permet, grâce 'a des modélisations d'arriver 'a la même conclusion :après un recuit sous ultra-vide de 2 h à 650°C, les nanoparticules d'alliage CoPt en matrice de carbone présentent une transition de phase A1 vers L10 sans trace de pollution ni de coalescence.Une étude magnétique des mêmes échantillons par magnétométrie à SQUID et dichroïsme magnétique des rayons X (XMCD) permet de confirmer que les nanoparticules, après un tel traitement thermique,subissent un changement de propriétés magnétiques allant dans le sens d'une mise en ordre chimique même pour des très petites tailles (de diamètre 1,8 nm).