The chemistry of the radical anion generated from 1,I-dimethyl-5,7-di-tbutylspiro[ 2,5]octa-4,7-dien-6-one (<b>20</b>) was studied electrochemically using cyclic and linear sweep voltammetry (CV, LSV). The reduction potential of <b>20</b> was estimated to be -2.5 V VS. 0.1 M Ag⁺/Ag, similar to the reduction potentials observed for aryl ketones and enones. LSV results for the reduction of <b>20</b> are consistent with the occurrence of substrate reduction followed by a subsequent chemical step (an EC mechanism). The broadness of the reduction wave and variation of peak potential with sweep rate suggest that the rate limiting step is heterogeneous electron transfer. Ring opening of the radical anion generated from <b>20</b> results in a 9:1 ratio of the 3° and 1° distonic radical anions. The rate constant for ring opening has been estimated to be k ≥ 10⁷s⁻¹ with a calculated (AM1) enthalpy of ring opening of ΔH° > -15 kcal/mol. The facile nature of radical anion ring opening can be ascribed to the relief of cyclopropyl ring strain in conjunction with the establishment of aromaticity. On this basis, the regiochemistry of the ring opening of the radical anion derived from <b>20</b> suggests that polar and SET pathways can be differentiated based upon the regiospecificity of cyclopropyl ring opening. In reactions between <b>20</b> and nucleophiles known to react via SET with carbonyl compounds, 20 successfully produced products characteristic of SET pathways. However, subsequent studies of the reaction between <b>20</b> and thiophenoxide, a nucleophile purported to undergo SET, produced no evidence for a SET pathway. It was discovered that ring opened products may also be formed by competing polar pathways involving a carbocationic intermediate, especially in protic solvents. In dipolar aprotic solvents, ring opening occurs primarily via an S_N2 process, with nucleophilic attack occurring preferentially at the least hindered carbon. The strengths and weaknesses of <b>20</b> as a SET probe are discussed / Ph. D.

The recent upsurge of degenerative diseases believed to be the result of oxidative stress has sparked an increased interest in utilizing the fundamental principles of physical organic chemistry to understand biological problems. Enzyme pathways can pose several experimental complications due to their complexity, therefore the small molecule probe approach can be utilized in an attempt understand the more complex enzyme mechanisms. The work described in this dissertation focuses on the use of N-cyclopropyl amines that have been used as probes to study the mechanism of monoamine oxidase (MAO) and cytochrome P-450 (cP-450). A photochemical model study of benzophenone triplet (3BP) with the MAO-B substrate 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine (MPTP) and two of its derivatives, 1-cyclopropyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine and (+/-)-[trans-2-phenylcyclopropyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine is presented in Chapter 2. The barrier for ring opening of aminyl radical cations derived from N-cyclopropyl derivatives of tertiary amines (such as MPTP) is expected to be low. Reactions of 3BP with all three compounds are very similar. The results suggest that the reaction between benzophenone triplet and tertiary aliphatic amines proceed via a simple hydrogen atom transfer reaction. Additionally these model examinations provide evidence that oxidations of N-cyclopropyl derivatives of MPTP catalyzed by MAO-B may not be consistent with a pure SET pathway. The chemistry of N-cyclopropyl amines has been used to study the mechanism of amine oxidations by cP-450. Until recently, the rate constant for these ring opening reactions has not been reported. Direct electrochemical examinations of N-cyclopropyl-N-methylaniline showed that the radical cation undergoes a unimolecular rearrangement consistent with a cyclopropyl ring opening reaction. Examination of both the direct and indirect electrochemical data showed that the oxidation potential N-cyclopropyl-N-methylaniline to be +0.528 V (0.1 M Ag⁺/Ag), and rate constant for ring opening of 4.1 x 10⁴ s⁻¹. These results are best explained by two phenomena: (i) a resonance effect in which the spin and charge of the radical cation in the ring closed form is delocalized into the benzene ring hindering the overall rate of the ring opening reaction, and/or (ii) the lowest energy conformation of the molecule does not meet the stereoelectronic requirements for a ring opening pathway. Therefore a new series of spiro cyclopropanes were designed to lock the cyclopropyl group into the appropriate bisected conformation. The electrochemical results reported herein show that the rate constant for ring opening of 1'-methyl-3',4'-dihydro-1'H-spiro[cyclopropane-1,2'-quinoline] and 6'-chloro-1'-methyl-3',4'-dihydro-1'H-spiro[cyclopropane-1,2'-quinoline] are 3.5 x 10² s⁻¹ and 4.1 x 10² s⁻¹ with redox potentials of 0.3 V and 0.366 V respectively. In order to examine a potential resonance effect a derivative of N-methyl-N-cyclopropylaniline was synthesized to provide a driving force for the ring opening reaction thereby accelerating the overall rate of the ring opening pathway. The electrochemical results show that the rate constant for ring opening of 4-chloro-N-methyl-N-(2-phenylcyclopropyl)aniline to be 1.7 x 10⁸ s⁻¹ . The formal oxidation potential (E°OX) of this substrate was determined to be 0.53 V. The lowered redox potentials of 1'-methyl-3',4'-dihydro-1'H-spiro[cyclopropane-1,2'-quinoline] and 6'-chloro-1'-methyl-3',4'-dihydro-1'H-spiro[cyclopropane-1,2'-quinoline] can be directly attributed to the electron donating character of the ortho alkyl group of the quinoline base structure of these spiro derivatives, and therefore the relative energy of the ring closed radical cations directly affects the rate of ring opening reactions. The relief of ring strain coupled with the formation of the highly resonance stabilized benzylic radical explains the rate increase for the ring opening reaction of 4-chloro-N-methyl-N-(2-phenylcyclopropyl)aniline. / Ph. D.

Flavin adenine dinucleotide (FAD) is a coenzyme that participates in the redox process of flavoenzymes. Attempts to characterize the catalytic pathways of these enzymes have relied in part on the use of FAD chemical models. The efforts described in this dissertation focus on the chemical model approach to investigate the mechanism of the monoamine oxidase (MAO) catalyzed oxidation of the cyclic tertiary allylamine 1-methyl-4-(2-methyl-1H-pyrrol-2-yl)-1,2,3,6-tetrahydropyridine (TMMP), which is a close analog of the parkinsonian-inducing designer drug 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine (MPTP). MAO-B catalyzes the conversion of MPTP and its derivatives into active neurotoxins in the brain that subsequently mediate neurogenerative processes that mimic the events leading to idiopathic Parkinson\'s disease. Monoamine oxidase inhibitors are currently used to treat early stages of Parkinson\'s disease. Two FAD chemical models are examined in this project: 5-ethyl-3-methyllumiflavinium perchlorate (5Et3MLF+ClO4-) and 3-methyllumiflavin (3MLF). The flavinium salt 5Et3MLF+ClO4- is an activated form of 3MLF. These FAD chemical models have been used to examine the MAO catalyzed oxidation. MAO-B is expressed in the brain and is known to be involved in the conversion of TMMP into the neurotoxic metabolite 1-methyl-4-phenyl pyridnium (MMP+). MAO-B is responsible for the alpha-carbon oxidation of TMMP to yield 1-methyl-4-(2-methylpyrrol-2-yl)-2,3-dihydropyridinium (DHP+), which then undergoes a second 2-electron oxidation to MMP+. Previous findings demonstrated that 3MLF and 5Et3MLF+ClO4- promoted the oxidation reaction of primary and secondary amines but not tertiary amines. However, the cyclic tertiary allylamine TMMP has not been examined experimentally. Therefore, the alpha-carbon oxidation of TMMP in the presence of the FAD chemical models is reported in this dissertation. The effect of dioxygen and water on the activity of these FAD models is also investigated. / Ph. D.

Ce travail de thèse porte sur l’étude fondamentale de systèmes nano-électroniques,mesurés à très basse température. Nous avons réalisé des interféromètres électroniques àdeux chemins à partir d’électrons balistiques obtenus dans un gaz 2D d’électrons d’unehétéro-structure GaAs/AlGaAs. Nous montrons que la phase des électrons, et ainsileur état quantique,peut être contrôlée par des grilles électrostatiques. Ces dispositifsse révèlent être des candidats prometteurs pour la réalisation d’un qubit volant. Nousavons développé une simulation numérique évoluée d’un modèle de liaisons fortes à partirde transport quantique ballistique qui décrit toutes les découvertes expérimentales etnous apporte une connaissance approfondie sur les signatures expérimentales de cesdispositifs particuliers. Nous proposons des mesures complémentaires de ce système dequbit volants. Pour atteindre le but ultime, à savoir un qubit volant à un électron unique,nous avons assemblé la source à électron unique précédemment développée dans notreéquipe à un beam splitter électronique. Les électrons sont alors injectés depuis une boîtequantique à un train de boîte quantiques en mouvement. Ce potentiel électrostatique enmouvement est généré par des ondes acoustiques de surface créées par des transducteursinter-digités sur le substrat GaAs piézo-électrique. Nous avons étudié et optimisé chacunde ces composants fondamentaux nécessaires à la réalisation d’un beam splitter à électronunique et développé un procédé local et fiable de fabrication. Ce dispositif nous permet d’étudier les interactions électroniques pour des électrons isolés et pourra servir de basede mesure pour des expériences d’optique quantiques sur un système électronique del’état condensé. Enfin, nous avons développé un outil puissant de simulation du potentielélectrostatique à partir de la géométrie des grilles. Ceci permet d’optimiser la conceptiondes échantillons avant même leur réalisation. Nous proposons ainsi un prototype optimiséde beam splitter à électron unique. / This thesis contains the fundamental study of nano-electronic systems at cryogenictemperatures. We made use of ballistic electrons in a two-dimensional electron gasin a GaAs/AlGaAs heterostructure to form a real two-path electronic interferometerand showed how the phase of the electrons and hence their quantum state can becontrolled by means of electrostatic gates. The device represents a promising candidateof a flying qubit. We developed a sophisticated numerical tight-binding model based onballistic quantum transport, which reproduces all experimental findings and allows togain profound knowledge about the subtle experimental features of this particular device.We proposed further measurements with this flying qubit system. With the ultimate goalof building a single electron flying qubit, we combined the single electron source that hasbeen developed in our lab prior to this manuscript with an electronic beam splitter. Theelectrons are injected from static quantum dots into a train of moving quantum dots.This moving potential landscape is induced in the piezoelectric substrate of GaAs bysurface acoustic waves from interdigial transducers. We studied and optimized all keycomponents, which are necessary to build a single electron beam splitter and built up areliable local fabrication process. The device is capable of studying electron interactionson the single electron level and can serve as a measurement platform for quantum opticsexperiments in electronic solid state systems. Finally, we developed a powerful toolcapable of calculating the potential landscapes of any surface gate geometry, which canbe used as a fast feedback optimization tool for device design and proposed an optimizedprototype for the single electron beam splitter.

Ce travail s’inscrit dans la recherche de nouveaux 5-nitroimidazoles fonctionnalisés à visée thérapeutique. L’étude de la réactivité du 4-bromo-1,2-diméthyl-5-nitro-1H-imidazole vis-à-vis des réactions de couplages de Suzuki, Sonogashira et Stille a permis la synthèse de nouveaux 5-nitroimidazoles substitués en position 4. Par ailleurs, un couplage de Suzuki régiosélectif a pu être mis au point sur le 2,4-dibromo-1-méthyl-5-nitro-1H-imidazole permettant l’accès en une seule étape à des composés substitués à la fois en positions 2 et 4. Parmi les composés synthétisés via ces couplages pallado-catalysés, les dérivés chlorométhylés conjugués avec le groupement nitro ont été utilisés en tant que substrats pour l’étude de réactions par transfert monoélectronique (SRN1, TDAE). Ainsi, dans une seconde partie, nous décrivons la réaction entre le 4-(3-chloroprop-1-ynyl)-1,2-diméthyl-5-nitro-1H-imidazole et plusieurs anions nitronates dans des conditions de SRN1. Cette réactivité a pu être étendue au 2,4-bis(3-chloroprop-1-ynyl)-1-méthyl-5-nitro-1H-imidazole permettant la réalisation d’une bis-SRN1. La méthodologie TDAE a été mise en œuvre sur le 4-(3-chloroprop-1-ynyl)-1,2-diméthyl-5-nitro-1H-imidazole, avec de faibles rendements observés, contrairement à ceux obtenus avec le (E)-4-[4- (chlorométhyl)styryl]-1,2-diméthyl-5-nitro-1H-imidazole sur lequel plusieurs types d’électrophile ont pu être additionnés. Enfin, le pouvoir mutagène, ainsi que le potentiel de réduction des 5-nitroimidazoles synthétisés ont été déterminés. L’évaluation anti-infectieuse est actuellement en cours sur des souches de Giardia lamblia et sur une grande variété de bactéries anaérobies strictes. / This work focuses on the synthesis of novel functionalized 5-nitroimidazoles possessing therapeutic activities. New 4-substituted-5-nitroimidazoles were obtained using Suzuki, Stille or Sonogashira cross-coupling using the 4-bromo-1,2 dimethyl-5-nitro-1H-imidazole. Moreover, access to functionalized products at both 2 and 4 positions of imidazole ring was developed thanks to a regioselective Suzuki cross-coupling on the 2,4-dibromo-1-methyl-5-nitro-1H-imidazole. Among cross-coupling products, those possessing chloromethyle substituent conjugated with the nitro group, were employed as starting material in the single electron transfer reaction (SRN1, TDAE) studies. Therefore, in a second part, we described the reaction between the 4-(3-chloroprop-1-ynyl)-1,2-dimethyl-5-nitro-1H-imidazole and several nitronate anions in SRN1 conditions. This reactivity was applied to the 2,4-bis(3-chloroprop-1-ynyl)-1-méthyl-5-nitro-1H-imidazole allowing the formation of bis-SRN1 products. TDAE methodology was implemented on the 4-(3-chloroprop-1-ynyl)-1,2-dimethyl-5-nitro-1H-imidazole, however poor yields were observed. TDAE strategy on the (E)-4-[4-(chlorométhyl)styryl]-1,2-diméthyl-5-nitro-1H-imidazole were more successful, addition products with different electrophilic species were obtained. Finally, mutagenic power and potential of reduction of synthesized 5-nitroimidazole were assayed. The anti-infective properties of these novel 5-nitroimidazole are currently under investigation.

L’optique quantique avec électron est un domaine de recherche en expansion depuis ses débuts au cours des années 90 prenant suite aux premières expériences d’interférence avec électrons réalisées dans les années 80. Ce domaine est dédié à la réalisation d’expérience d’optique quantique avec des électrons plutôt que des photons. Leur intérêt est double, d’une part les électrons étant des fermions de nouveaux phénomènes, en comparaison des photons qui sont des bosons, peuvent être observés. L’électron anti-bunching, en comparaison du bunching des photons obtenu dans des expériences de corrélations en est un exemple. Le deuxième avantage des électrons est le fait qu’ils peuvent être contrôlés et manipulés à l’aide de champ électrique, un tel contrôle n’est pas possible avec des photons. Alors que les composants de base pour la réalisation de ces expériences sont déjà existant comme la lame séparatrice, ou encore les sources cohérentes à électrons uniques, la détection immédiate d’un électron unique dans de telles expériences est toujours manquante. La difficulté étant le faible temps d’interaction entre l’électron en déplacement et le détecteur de charge qui est limité typiquement à moins de 1ns principalement à cause de la vitesse élevée de déplacement de l’électron qui est égale à la vitesse de Fermi soit 10-100km/s. Ce temps d’interaction est environ deux ordres de grandeurs plus petits que ce qui est nécessaire pour le meilleur détecteur de charge démontré jusqu’à présent.Dans ce manuscrit est présenté le développement d’un détecteur ultra-sensible pour la détection immédiate d’un électron se déplaçant à la vitesse de Fermi. Notre stratégie est de détecter un électron unique se déplaçant dans les canaux de bords (ECs) de l’effet Hall quantique à partir de la mesure d’une variation de phase d’un bit quantique singlet-triplet, appelé qubit détecteur par la suite. La détection immédiate de cet électron en déplacement n’étant possible que si l’interaction avec ce dernier induit une variation de phase de pi, avec une lecture immédiate de l’état de spin du qubit détecteur.Grâce au développement et à l’utilisation d’un RF-QPC, cette lecture immédiate de l’état de spin est tout d’abord démontrée. Par la suite le développement du qubit détecteur avec la réalisation d’oscillations cohérentes d’échange est décrit. Sa sensibilité en charge est démontrée avec l’observation d’une phase induite par l’interaction avec un courant d’électrons dans les ECs. Ce courant est imposé par l’application d’un biais de tension contrôlant le potentiel chimique de ces ECs.Après optimisation de ce qubit détecteur pour la détection d’un électron unique, il est calibré en utilisant le même procédé de courant imposé par application d’un biais de tension. Cette calibration nous fournie la variation de signal attendue pour l’interaction avec cette charge unique est indique que sa détection immédiate est impossible dans nos conditions expérimentales. Notre détecteur ayant une sensibilité de charge de l’ordre de 8.10-5 pour une bande passante allant de DC à 1THz. Cette sensibilité est environ deux ordres de grandeur trop petite que ce qui est nécessaire pour la détection immédiate de cette charge unique. Finalement, ce qubit détecteur est utilisé pour détecté, dans une expérience moyennée, ce qui est appelé un edge magneto plasmon composé par moins de 5 électrons. Néanmoins, atteindre la détection de la charge unique dans n’a pas été possible, la sensibilité en charge étant légèrement trop petite pour y arriver.Les différentes limites de notre détecteur sont listées et expliquées tout au long du manuscrit, avec une présentation de différents axes de développement qui devraient permettre de réussir cette détection d’un électron unique dans une nouvelle expérience. / The electron quantum optics field is a research topic with an interest growing over the years since the 80's and the first interference experiment with electrons. This field is dedicated to the implementation of quantum optics experiments with electrons instead of photon. The advantage is twofold, one is the fermion nature of the electrons which ensure the observation of phenomenon which cannot be observed with photon (boson), the anti-bunching of the electrons in correlation experiments contrary to the bunching for photons illustrates this point. The second advantage is the possibility to interact and control electrons with electric fields since they are charged particles. Such control does not exist with photon. In addition to these fundamental experiments, it has been recently demonstrated that this topic presents a possible candidate for quantum information with so called flying qubit. While the based components to mimic the quantum optics experiments are already demonstrated like the beam splitter, phase shifter or coherent single electron source, the single electron detection in a single shot manner in such system is still lacking. The difficulty being the short interaction time between the travelling charge and the charge detector, being of less than 1ns in such system where the electron propagate at the Fermi velocity 10-100km/s. This interaction is approximately two orders of magnitude shorter than what is required with the actual best on chip charge detector.In this thesis is presented the development of an ultra-sensitive detector for the single shot detection of an electron travelling at the Fermi velocity. Our strategy was to detect a single travelling electron propagating in the edge channels (ECs) of the quantum Hall effect by measuring the induced phase shift of a singlet-triplet qubit, referred as to the qubit detector. The single shot detection being only possible if the interaction with the travelling electron induces a complete π phase shift and the spin readout of the qubit detector being performed in a single shot manner.Thanks to the development and use of a RF-QPC the single shot spin readout of the qubit detector has been first demonstrated. Its development with the implementation of coherent exchange oscillations is then described. The charge sensitivity of the qubit detector is validated in an experiment consisting in recording a phase shift of these oscillations due to the interaction with an imposed flow of electrons in the ECs. This flow of electron was induced by a DC voltage bias applied on the ECs to tune their chemical potential.This qubit detector is then optimised for the single travelling charge detection. Its calibration has been implemented using the same imposed flow of electrons by application of a DC bias. This calibration provides the expected signal variation induced by the interaction with a single travelling electron, and indicates the impossibility to implement this detection in a single shot manner in our experimental conditions. Our detector exhibits a charge sensitivity estimated close to 8.10-5 e/Hz-1/2 for a detection bandwidth from DC to 1 THz. The sensitivity is close to two orders of magnitude smaller than required for a single shot detection. Finally this qubit detector has been employed to detect in average measurements an edge magneto plasmon composed by less than 5 electrons. However, the single electron level could not be reached in statistical measurement neither, the sensitivity of our qubit detector being too limited.The different limitations of our experiment are listed and explained with the presentation of different axes of development which could permit to succeed this detection in another experiment.

La réduction (« scaling ») continue des dimensions des transistors MOSFET nous a conduits à l'ère de la nanoélectronique. Le transistor à effet de champ multi-grilles (MultiGate FET, MuGFET) avec l'architecture «nanofil canal» est considéré comme un candidat possible pour le scaling des MOSFET jusqu'à la fin de la roadmap. Parallèlement au scaling des CMOS classiques ou scaling suivant la loi de Moore, de nombreuses propositions de nouveaux dispositifs, exploitant des phénomènes nanométriques, ont été faites. Ainsi, le transistor monoélectronique (SET), utilisant le phénomène de «blocage de Coulomb», et le transistor à atome unique (SAT), en tant que transistors de dimensions ultimes, sont les premiers dispositifs nanoélectroniques visant de nouvelles applications comme la logique à valeurs multiples ou l'informatique quantique. Bien que le SET a été initialement proposé comme un substitut au CMOS («Au-delà du dispositif CMOS»), il est maintenant largement considéré comme un complément à la technologie CMOS permettant de nouveaux circuits fonctionnels. Toutefois, la faible température de fonctionnement et la fabrication incompatible avec le procédé CMOS ont été des contraintes majeures pour l'intégration SET avec la technologie FET industrielle. Cette thèse répond à ce problème en combinant les technologies CMOS de dimensions réduites, SET et SAT par le biais d'un schéma d'intégration unique afin de fabriquer des transistors « Trigate » nanofil. Dans ce travail, pour la première fois, un SET fonctionnant à température ambiante et fabriqués à partir de technologies CMOS SOI à l'état de l'art (incluant high-k/grille métallique) est démontré. Le fonctionnement à température ambiante du SET nécessite une île (ou canal) de dimensions inférieures à 5 nm. Ce résultat est obtenu grâce à la réduction du canal nanofil ‘‘trigate'' à environ 5 nm de largeur. Une étude plus approfondie des mécanismes de transport mis en jeu dans le dispositif est réalisée au moyen de mesures cryogéniques de conductance. Des simulations NEGF tridimensionnelles sont également utilisées pour optimiser la conception du SET. De plus, la cointégration sur la même puce de MOSFET FDSOI et SET est réalisée. Des circuits hybrides SET-FET fonctionnant à température ambiante et permettant l'amplification du courant SET jusque dans la gamme des milliampères (appelé «dispositif SETMOS» dans la littérature) sont démontrés de même que de la résistance différentielle négative (NDR) et de la logique à valeurs multiples. Parallèlement, sur la même technologie, un transistor à atome unique fonctionnant à température cryogénique est également démontré. Ceci est obtenu par la réduction de la longueur de canal MOSFET à environ 10 nm, si bien qu'il ne comporte plus qu'un seul atome de dopant dans le canal (diffusée à partir de la source ou de drain). A basse température, le transport d'électrons à travers l'état d'énergie de ce dopant unique est étudié. Ces dispositifs fonctionnent également comme MOSFET à température ambiante. Par conséquent, une nouvelle méthode d'analyse est développée en corrélation avec des caractéristiques à 300K et des mesures cryogéniques pour comprendre l'impact du dopant unique sur l'échelle MOSFET à température ambiante. / Continuous scaling of MOSFET dimensions has led us to the era of nanoelectronics. Multigate FET (MuGFET) architecture with ‘nanowire channel' is being considered as one feasible enabler of MOSFET scaling to end-of-roadmap. Alongside classical CMOS or Moore's law scaling, many novel device proposals exploiting nanoscale phenomena have been made either. Single Electron Transistor (SET), with its unique ‘Coulomb Blockade' phenomena, and Single Atom Transistor (SAT), as an ultimately scaled transistor, are prime nanoelectronic devices for novel applications like multivalued logic, quantum computing etc. Though SET was initially proposed as a substitute for CMOS (‘Beyond CMOS device'), it is now widely considered as a compliment to CMOS technology to enable novel functional circuits. However, the low operation temperature and non-CMOS fabrication process have been major limitations for SET integration with FET. This thesis makes an effort at combining scaled CMOS, SET and SAT through a single integration scheme enabling trigate nanowire-FET, SET or SAT. In this work, for the first time, fabrication of room temperature operating SET on state-of-the-art SOI CMOS technology (featuring high-k/metal gate) is demonstrated. Room temperature operation of SET requires an island (or channel) with dimensions of 5 nm or less. This is achieved through reduction of trigated nanowire channel to around 5 nm in width. Further study of carrier transport mechanisms in the device is carried out through cryogenic conductance measurements. Three dimensional NEGF simulations are also employed to optimize SET design. As a step further, cointegration of FDSOI MOSFET and SET on the same die is carried out. Room temperature hybrid SET-FET circuits enabling amplification of SET current to micro-ampere range (proposed as ‘SETMOS device' in literature), negative differential resistance (NDR) and multivalued logic are shown. Alongside this, on the same technology, a Single Atom Transistor working at cryogenic temperature is also demonstrated. This is achieved through scaling of MOSFET channel length to around 10 nm that enables having a single dopant atom in channel (diffused from source or drain). At low temperature, electron transport through the energy state of this single dopant is studied. These devices also work as scaled MOSFETs at room temperature. Therefore, a novel analysis method is developed correlating 300 K characteristics with cryogenic measurements to understand the impact of single dopant on scaled MOSFET at room temperature.

Nous exploitons les progrès récent dans le domaine de la fonctionnalisation du silicium. Des couches moléculaires greffées (GOM) sur du Si non oxydé ont été fabriquées par hydrosilylation pour ensuite être caractérisées par XPS et FTIR. Sa terminaison amine permet le greffage de nanoparticles d'or colloïdes (AuNP). Celles-ci ont été déposées et des mesures ont été prises avec un STM sous UHV: une double jonction tunnel est formée (1 : GOM ; 2 : vide entre la pointe et l'AuNP). Ce type de structure est connu pour permettre l'observation de transport à un électron grâce au phénomène de blocage de Coulomb. Des preuves de son observation et de sa reproductibilité ont été obtenues à 30K. Nos résultats expérimentaux sont comparés à des résultats obtenus grâce à un simulateur récemment développé et modifié pour correspondre à notre système. Nous voulons développer une technologie alternative pour la fabrication de transistors à un électron compatible avec la technologie Si actuelle. Des boîtes quantiques (NQDs) sont aussi déposées sur la GOM. Des transferts radiatifs et non radiatifs d'énergie ont récemment été observés entre NQDs et Si sur surfaces planes à l'aide de mesure en photoluminescence (PL). Nous augmentons la PL en greffant la GOM sur des nano-piliers de Si et en déposant des couches successives de NQDs pour former des multicouches. Nous proposons aussi des preuves expérimentales du transfert d'énergie dirigé entre NQDs jusqu'au substrat avec des bicouches de NQDs avec gradient de taille. Combiner tout ces résultats peut donner lieu à la fabrication de prototypes de cellules photovoltaïques efficaces pouvant rivaliser avec les technologies actuelles. / We take advantage of the progresses made in the topic of silicon functionalization. Grafted organic monolayer (GOM) on oxide-free Si have been fabricated using hydrosilylation and characterized using FTIR and XPS. The obtained amine terminated GOM has been used to graft Colloidal gold nanoparticles (AuNP). They have been deposited and single electron transport measurements have been performed using STM under UHV: A double barrier tunneling junction (1: GOM; 2: vacuum between the scanning tip and the AuNP). This structure is known to exhibit single electron transport through Coulomb staircase phenomenon. Evidence for its occurrence and for its reproducibility was obtained at 30K. Experimental and simulated data were compared. The latter were acquired using a recently developed theoretical model that has been modified to model our system more accurately. Our goal is to develop an alternative technology to build single electron transistors that are compatible with current Si-based technology. Nanoquantum dots (NQDs) were also deposited on the GOM. Energy transfers through radiative and non-radiative mechanism between NQDs and substrate were observed on plane surface in recent work using photoluminescence (PL) spectroscopy. We show evidence of optimization of the PL count using GOM on silicon nanopillars and with successive grafting of NQDs to form multilayers. We also show evidence of directed energy transfer from NQDs to the silicon substrate using bilayers of NQDs with a size gradient. All these achievements can be combined for the fabrication of NQDs solar cells prototypes with an enhanced efficiency that could compete with existing technologies.

There are at least two common models for calculating the photoemission of accelerated electrons. The 'extended-charge-distribution' method uses the quantum probability current (multiplied by the electron charge) as a source current for Maxwell's equations. The 'point-like-emitter' method treats the electron like a point particle instead of like a diffuse body of charge. Our goal is to differentiate between these two viewpoints empirically. To do this, we consider a large electron wave packet in a high-intensity laser field, in which case the two viewpoints predict measurable photoemission rates that differ by orders of magnitude. Under the treatment of the 'extended-charge-distribution' model, the strength of the radiated field is significantly limited by interferences between different portions of the oscillating charge density. Alternatively, no suppression of photoemission occurs under the 'point-like-emitter' model because the electron is depicted as having no spatial extent. We designed an experiment to characterize the photoemission rates of electrons accelerated in a relativistic laser focus. Free electron wave packets are produced through ionization by an intense laser pulse at the center of a large vacuum chamber. These quantum wave packets can become comparable in size to the laser wavelength through natural spreading and interactions with the sharp ponderomotive gradients of the laser focus. Electron radiation emitted out the side of the focus is collected by one-to-one imaging into a 105-micron gold-jacketed fiber, which carries the light to a single photon detector located outside the chamber. The electron radiation is red-shifted due to mild relativistic acceleration, and we use this signature to spectrally filter the outgoing light to discriminate against background. In addition, the temporal resolution of the electronics allows distinction between light that travels directly from the focus into the collection system and laser light that may scatter from the chamber wall.

Résumé : Le transistor monoélectronique (SET) est un dispositif nanoélectronique très attractif à cause de son ultra-basse consommation d’énergie et sa forte densité d’intégration, mais il n’a pas les capacités suffisantes pour pouvoir remplacer complètement la technologie CMOS. Cependant, la combinaison de la technologie SET avec celle du CMOS est une voie intéressante puisqu’elle permet de profiter des forces de chacune, afin d’obtenir des circuits avec des fonctionnalités additionnelles et uniques. Cette thèse porte sur l’intégration 3D monolithique de nanodispositifs dans le back-end-of-line (BEOL) d’une puce CMOS. Cette approche permet d’obtenir des circuits hybrides et de donner une valeur ajoutée aux puces CMOS actuelles sans altérer le procédé de fabrication du niveau des transistors MOS. L’étude se base sur le procédé nanodamascène classique développé à l’UdeS qui a permis la fabrication de dispositifs nanoélectroniques sur un substrat de SiO2. Ce document présente les travaux réalisés sur l’optimisation du procédé de fabrication nanodamascène, afin de le rendre compatible avec le BEOL de circuits CMOS. Des procédés de gravure plasma adaptés à la fabrication de nanostructures métalliques et diélectriques sont ainsi développés. Le nouveau procédé nanodamascène inverse a permis de fabriquer des jonctions MIM et des SET métalliques sur une couche de SiO2. Les caractérisations électriques de MIM et de SET formés avec des jonctions TiN/Al2O3 ont permis de démontrer la présence de pièges dans les jonctions et la fonctionnalité d’un SET à basse température (1,5 K). Le transfert de ce procédé sur CMOS et le procédé d’interconnexions verticales sont aussi développés par la suite. Finalement, un circuit 3D composé d’un nanofil de titane connecté verticalement à un transistor MOS est réalisé et caractérisé avec succès. Les résultats obtenus lors de cette thèse permettent de valider la possibilité de co-intégrer verticalement des dispositifs nanoélectroniques avec une technologie CMOS, en utilisant un procédé de fabrication compatible. / Abstract : The single electron transistor (SET) is a nanoelectronic device very attractive due to its ultra-low power consumption and its high integration density, but he is not capable of completely replace CMOS technology. Nevertheless, the hybridization of these two technologies is an interesting approach since it combines the advantages of both technologies, in order to obtain circuits with new and unique functionalities. This thesis deals with the 3D monolithic integration of nanodevices in the back-end-ofline (BEOL) of a CMOS chip. This approach gives the opportunity to build hybrid circuits and to add value to CMOS chips without fundamentally changing the process fabrication of MOS transistors. This study is based on the nanodamascene process developed at UdeS, which is used to fabricate nanoelectronic devices on a SiO2 layer. This document presents the work done on the nanodamascene process optimization, in order to make it compatible with the BEOL of CMOS circuits. The development of plasma etching processes has been required to fabricate metallic and dielectric nanostructures useful to the fabrication of nanodevices. MIM junctions and metallic SET have been fabricated with the new reverse nanodamascene process on a SiO2 substrate. Electrical characterizations of MIM devices and SET formed with TiN/Al2O3 junctions have shown trap sites in the dielectric and a functional SET at low temperature (1.5 K). The transfer process on CMOS substrate and the vertical interconnection process have also been developed. Finally, a 3D circuit consisting of a titanium nanowire connected to a MOS transistor is fabricated and is functional. The results obtained during this thesis prove that the co-integration of nanoelectronic devices in the BEOL of a CMOS chip is possible, using a compatible process.