Les nano-structures sont des systèmes physiques de premier intérêt pour les études de base et pour les applications, car elles montrent des effets quantiques comme le confinement, la discrétisation énergétique, la cohérence... Le comportement quantique des nano-dispositifs peut être cependant fortement influencé par le désordre, les effets thermiques et hors-équilibre. Dans cette Thèse, nous montrons, par exemple, comment la dissipation affecte le transport électronique dans les dispositifs supraconducteurs soumis aux fréquences micro-ondes.En utilisant un setup cryogénique AFM/STM fait maison, on peut étudier différents types de nano-structures. En premier, nous nous occupons de la réalisation d'un transistor à électron unique avec une sonde locale. Les nano-particules métalliques sont bien connues pour leur comportement comme boîtes quantiques zéro-dimensionnelles (QD), elles montrent du confinement quantique et des effets de charge, que l’on retrouve aussi dans nos mesures de microscopie à sonde locale à basse température. Nous démontrons comment un nouveau procédé de nano-fabrication peut être mis en œuvre avec l'introduction d' une électrode de grille suffisamment mince et sans-fuite, ce qui pourra fournir un réglage de précision des propriétés de la boîte quantique et permettre l'exploration résolue spatialement des phénomènes quantiques dans différents régimes de couplage. En deuxième, nous étudions le graphène épitaxial sur SiC comme un matériau 2D très prometteur pour l'électronique. En particulier, les nano-rubans de graphène obtenus par croissance épitaxiale sur des parois inclinées (GNRs) sont des nano-structures d'intérêt fondamental qui peuvent fournir un accès direct et contrôlable au graphène neutre. À cause du confinement quantique, ces systèmes peuvent montrer du transport balistique exceptionnel à température ambiante. Nous réalisons une technique novatrice de potentiométrie à sonde locale qui nous permet une résolution spatiale à l'échelle du nm et une résolution en tension à l'échelle du µV. Le potentiel locale et la résistance locale mesurés sur un dispositif unique basé sur des nano-rubans de graphène nous donnent des indications claires de transport non-diffusif.La physique explorée, les méthodes ainsi que les technique développées dans cette Thèse peuvent donc fournir des nouvelles visions aux nombreux (et assez divers) sujets en vogue. / Nanostructures are physical systems of paramount interest for both fundamental studies and applications, since they display quantum effects such as confinement, energy discretization, coherence…The quantum behavior of nano-devices can however be strongly influenced by disorder, thermal and non-equilibrium effects. In this Thesis, we show, for instance, how dissipation deeply affects the electron transport in superconducting nano-devices at microwave frequencies.By using a home-made cryogenic AFM/STM setup, we are able to investigate different kinds of nanostructures. First, we address the realization of a Single Electron Transistor with a Scanning Probe. Metallic nanoparticles are well known for their behavior as 0D-Quantum Dots (QD), and they display quantum confinement and charging effects, which are evidenced in our low-temperature SPM measurements as well. We demonstrate how a novel nanofabrication process can be implemented with the addition of gate electrodes sufficiently thin and leakage-proof, which in the future can provide a fine-tuning of the QD's properties and allow spatially-resolved exploration of quantum phenomena in a variety of different coupling regimes. Second, we study epitaxial graphene on SiC as a very promising 2D material for electronics. In particular, epitaxial sidewalls graphene nanoribbons (GNRs) are nanostructures of fundamental interest which can provide direct and controllable access to charge neutral graphene. Due to quantum confinement, these systems can display exceptional ballistic transport at room temperature. We implemented an innovative Scanning Tunneling Potentiometry technique allowing for nm-scale spatial resolution and μ V-scale voltage resolution. Measured local potential and resistance of single GNRs devices provide clear indication of non-diffusive transport.The physics investigated and the methods and the techniques developed in this Thesis can thus provide a new insight on several (and quite diverse) on-trend topics.

Nous étudions les phénomènes de cohérence de phase électronique qui apparaissent à très basse température dans les supraconducteurs non homogènes. Pour cela, nous avons développé un microscope à effet tunnel (STM) fonctionnant dans un cryostat à dilution à une température de 60 mK. La résolution des densités d'états électroniques locales (LDOS) mesurées par ce STM est de l'ordre de 36 microeV. C'est l'une des meilleures résolutions obtenues avec ce type de système. Nous avons étudié des effets de proximité dans des jonctions entre un métal supraconducteur et un métal normal. Contrairement aux techniques antérieures, la microscopie tunnel permet d'observer ces propriétés de manière continue à l'interface des deux métaux. La mesure de ces effets par STM impose des contraintes géométriques (faible relief, large champ) et une bonne qualité des métaux observés (état de la surface, transparence de l'interface le métal normal-métal supraconducteur). Plusieurs procédés de fabrication ont été élaborés pour satisfaire ces conditions. Chaque configuration d'échantillon présente ses propres caractéristiques en <br />terme de mesure tunnel. Nous avons ainsi identifié les limites et les potentialités de cette méthode de mesure. Différentes évolutions spatiales de la LDOS sont observées suivant la géométrie des structures métalliques et la qualité de l'interface. Ces évolutions sont en bon accord avec les équations d'Usadel qui décrivent les comportements électroniques en présence de supraconductivité dans les métaux diffusifs. Ce sont les premières mesures STM à très basse température sur des échantillons lithographiés.

Grâce aux progrès expérimentaux de ces vingt dernières années en miniaturisation et cryogénie, il est maintenant possible de réaliser des circuits électriques de taille suffisamment petite pour que le comportement ondulatoire des électrons devienne important à basse température et modifie les propriétés du transport électrique comme le courant ou le bruit. C'est l'échelle mésoscopique. Si, de plus, un supraconducteur est connecté à un tel circuit, les effets d'interférences entre électrons augmentent car le supraconducteur est une source macroscopique de paires d'électrons cohérents: les paires de Cooper. Dans cette thèse, nous étudions les corrélations du courant dans les structures mésoscopiques métal normal - supraconducteur. Nous nous intéressons d'abord à la dépendance en énergie du bruit en courant dans une jonction tunnel simple métal normal - isolant - supraconducteur en prenant en compte les effets du désordre et les interactions. Nous montrons que si les réservoirs ne sont pas à l'équilibre thermodynamique, le courant et le bruit sont indépendants. On considère ensuite une structure où le supraconducteur est connecté à deux métaux normaux par des jonctions tunnel. Nous montrons alors que la corrélation croisée du courant peut changer de signe et qu'elle contient des informations sur la taille des paires de Cooper. Enfin, à l'aide de la théorie quasi-classique d'Usadel, on étudie la dépendance en énergie du bruit dans une double jonction en série métal normal - métal normal - supraconducteur et montrons que la transparence des jonctions joue un rôle important.

L'effet Josephson apparaît lorsqu'une structure de couplage faible établit une cohérence de phase entre deux supraconducteurs. Une théorie unificatrice de cet effet est apparue dans les années 90 dans le cadre de la physique mésoscopique. Basée sur deux concepts fondamentaux, celui de canaux de conduction et celui de réflexion d'Andreev, elle prédit la relation courant-phase pour la structure de couplage de base : un canal unique de transmission arbitraire.<br />Cette thèse illustre ce point de vue mésoscopique par des expériences sur des contacts atomiques supraconducteurs. En particulier, nous avons étudié le pic de supercourant près de la tension nulle, avons mis en évidence les courants Josephson alternatifs dans un contact polarisé par une tension constante (résonances de Shapiro et réflexions multiples d'Andreev assistées par des photons) et avons mesuré directement la relation courant-phase.

Des mesures de nanocalorimétrie ont été effectuées sur des systèmes composés d'assemblées de supraconducteurs mésoscopiques: anneaux et disques d'aluminium de diamètres comparables à la longueur de cohérence à température nulle de l'aluminium ($\xi(0)\approx 160$ nm). Nous montrons que la capacité calorifique $C$ de ces systèmes est modulée par un champ magnétique $H$ perpendiculaire aux structures, et il s'agit de la première démonstration expérimentale d'une signature thermique du caractère mésoscopique de ce type de systèmes. Les caractéristiques des modulations de $C$ observées (allure, période, pseudo-période, amplitude...) varient en fonction de la taille des systèmes, mais aussi de leur géométrie ou de leur topologie. Loin de la température critique, les oscillations ont pour origine la pénétration ou l'expulsion de vortex, de manière à respecter la contrainte de quantification du fluxoïde en unités du quantum de flux supraconducteur $\Phi_0=h/2e$. Les mesures de $C$ peuvent être interprétées dans le cadre de la théorie de Ginzburg-Landau, qui nous apprend que les états occupés par les systèmes sont le plus souvent métastables. Cela se traduit par l'observation de courbes $C(H)$ de période plus importante que prévu, et par des phénomènes d'hystérésis. Plus près de la température critique, les oscillations de $C(H)$ sont attribuées à l'effet Little-Parks, c'est à dire l'oscillation $\Phi_0$-périodique de la température critique d'un anneau ou cylindre traversé par un flux magnétique; nous présentons en fait la première démonstration expérimentale de l'effet Little-Parks sur un système mésoscopique non connecté à des réservoirs d'électrons.