Eine Reihe wichtiger Wachstums- und Integrationsaspekte von Kohlenstoff-Nanoröhren wurde im Rahmen dieser Arbeit untersucht. Der Schwerpunkt der experimentellen Arbeit lag dabei hauptsächlich bei einschaligen Kohlenstoffnanoröhren (SWCNT). Das große Potential dieser Nanoröhren für Transistor-Anwendungen wurde durch die Herstellung einer Vielzahl funktionierender Bauelemente aus diesen Kohlenstoffnanoröhren mittels relativ einfacher Herstellungsprozesse demonstriert. Ein fundiertes Verständnis für die Abhängigkeiten des Nanoröhrenwachstums von einer Vielzahl an Parametern wurde mit Hilfe mehrerer tausend Wachstumsexperimente gesammelt. Verschiedene Katalysatormetalle, Kohlenstoffquellen und Katalysatorunterlagen wurden detailliert untersucht. Ein Hauptaugenmerk wurde dabei auf eine Reduzierung der Wachstumstemperatur gerichtet. Die niedrige Wachstumstemperatur spielt eine große Rolle für eine möglichst hohe Kompatibilität mit konventionellen Herstellungsverfahren der Silizium-Halbleitertechnik. Ein einfaches phänomenologisches Wachstumsmodell wurde für die Synthese von Nanoröhren mittels katalytisch-chemischer Gasphasen-Abscheidung (CCVD) formuliert. Dieses Modell basiert hauptsächlich auf der Oberflächendiffusion von adsorbierten Kohlenstoffverbindungen entlang der Seitenwände der Nanoröhren sowie auf der Oberfläche der Katalysatorunterlage. Das Modell ist eine wichtige Ergänzung zu dem VLS-Mechanismus. Ein Wachstumsverfahren zur Herstellung von Nanoröhren für niedrigere Temperaturen bis zu 600 °C wurde entwickelt. Experimentell wurde nachgewiesen, dass der Durchmesser des Katalysatorteilchens fast ausschließlich bestimmt, wie viele Schalen eine wachsende Nanoröhre bei geeigneten Wachstumsbedingungen hat. Es wurde zum ersten Mal gezeigt, dass einschalige Kohlenstoffnanoröhren auf Metallelektroden wachsen werden können, insofern eine dünne Aluminiumschicht als Trennschicht verwendet wird. Dadurch können in-situ kontaktierte Nanoröhren einfach hergestellt werden, was deren elektrische Charakterisierung weitaus erleichtert. Mittels stromloser Abscheidung von Nickel oder Palladium aus einer Lösung konnte eine deutliche Verbesserung der Kontaktwiderstände der in-situ-kontaktierten Nanoröhren erreicht werden. Durch Einbettung von Nanoröhren in eine Tantaloxidschicht konnten Transistoren mit einem Dielektrikum mit hoher relativer Dielektrizitätskonstante hergestellt werden. Die Tantaloxidschicht wurde mit einem neu entwickelten Tauchprozess abgeschieden. Erstmalig wurden Transistoren basierend auf Kohlenstoffnanoröhren hergestellt, die relativ hohe Ströme (Milliampere) mit einer Modulation bis zu einem Faktor 500 schalten können. Diese Transistoren beruhen auf einer Parallelschaltung einer großen Anzahl an Nanoröhren. Mit Hilfe der hergestellten Transistoren konnten die Eigenschaften einer großen Zahl von Nanoröhren untersucht werden, wobei große Unterschiede in den elektronischen Eigenschaften von metallischen Nanoröhren, halbleitenden Nanoröhren und Nanoröhren mit einer kleinen Bandlücke beobachtet wurden. / A number of very important growth and integration aspects of carbon nanotubes have been investigated during the course of this thesis. The focus was mainly on single-walled carbon nanotubes. Their potential for transistor applications was demonstrated by the successful fabrication of a variety of devices using rather simple processes. A detailed understanding of the dependence of SWCNT growth on a variety of parameters was obtained as the result of several thousand growth experiments. Various catalyst materials, gaseous carbon sources, and catalyst supports have been investigated. Special attention was paid to a considerable reduction of the growth temperature. A simple phenomenological growth model could be derived for CCVD of SWCNTs taking into account a number of effects observed during the various growth experiments. The model presented is mainly based on the surface diffusion of carbon species along the sidewalls of the carbon nanotubes or on the catalyst support and is an addition to the vapor-liquid-solid (VLS) mechanism. Growth methods for the CCVD synthesis of SWCNTs were developed for temperatures as low as 600 °C. It has been found that the size of the catalyst particle alone determines whether a SWCNT, DWCNT, or MWCNT will nucleate from a specific particle under suitable growth conditions. It could be demonstrated for the first time that SWCNTs can be grown on a variety of conducting materials if the catalyst is separated from the electrode by a thin Al layer. In-situ contacted SWCNTs can be easily obtained that way, largely facilitating the electronic characterization of as-grown SWCNTs. A tremendous improvement of the contacts of in-situ contacted SWCNTs could be achieved by electroless deposition. SWCNT growth on appropriate electrodes allowed the encapsulation of the nanotubes by electroless deposition of Ni and Pd, yielding good and reliable contacts. SWCNT transistors with a high-k dielectric could be fabricated by encapsulation of the nanotube with a tantalum oxide layer. The tantalum oxide was deposited by a newly developed dip-coat process. High-current SWCNT transistors consisting of a large number of SWCNTs in parallel were demonstrated for the first time during this work. Finally, the properties of a large number of CCVD grown SWCNTs have been investigated by electronic transport measurement. Large differences in the electronic transport have been observed for metallic, small band gap semiconducting (SGS), and semiconducting SWCNTs with small diameters.

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<p>This thesis deals with the main aspects in chemical vapordeposition (CVD) of silicon (Si) and silicon-germanium (Si_1-xGe_x) films for high-speed bipolar transistors.<i>In situ</i>doping of polycrystalline silicon (poly-Si)using phosphine (PH₃) and disilane (Si₂H₆) in a low-pressure CVD reactor was investigated toestablish a poly-Si emitter fabrication process. The growthkinetics and P incorporation was studied for amorphous Si filmgrowth. Hydrogen (H) incorporated in the as-deposited films wasrelated to growth kinetics and the energy for H₂desorption was extracted. Film properties such asresistivity, mobility, carrier concentration and grain growthwere studied after crystallization using either furnaceannealing or rapid thermal annealing (RTA). In order tointegrate an epitaxial base, non-selective epitaxial growth(NSEG) of Si and SiGe in a lamp-heated single-waferreduced-pressure CVD reactor was examined. The growth kineticsfor Si epitaxy and poly-Si deposition showed a differentdependence on the deposition conditions i.e. temperature andpressure. The growth rate difference was mainly due to growthkinetics rather than wafer surface emissivity effects. However,it was observed that the growth rate for Si epitaxy and poly-Sideposition was varying during growth and the time-dependencewas attributed to wafer surface emissivity variations. A modelto describe the emissivity effects was established, taking intoconsideration kinetics and the reactor heating mechanisms suchas heat absorption, emission andconduction. Growth ratevariations in opening of different sizes (local loading) andfor different oxide surface coverage (global loading) wereinvestigated. No local loading effects were observed, whileglobal loading effects were attributed to chemical as well astemperature effects. Finally, misfit dislocations formed in theSiGe epitaxy during NSEG were found to originate from theinterface between the epitaxial and polycrystalline regions.The dislocations tended to propagate across the activearea.</p><p><b>Keywords:</b>chemical vapor deposition (CVD), bipolarjunction transistor (BJT), heterojunction bipolar transistor(HBT), silicon-germanium (SiGe), epitaxy, poly-Si emitter,<i>in situ</i>doping, non-selective epitaxy (NSEG), loadingeffect, emissivity effect</p>

Ce travail est une contribution à la conception et à la réalisation d'oscillateurs intégrés monolithiques micro-ondes (MMIC) à base de Transistor à Effet de Champ à Grille Schottky (MESFET) GaAs ou de Transistor Bipolaire à Hétérojonction (TBH) GaAlAs/GaAs. Nous faisons tout d'abord un rappel sur les principales notions caractéristiques de la fonction oscillateur (notamment conditions d'oscillation et bruit de phase) suivi d'un état de l'art de cette fonction en technologie MMIC. Dans la deuxième partie, nous présentons les différentes techniques de CAO linéaires et non-linéaires utilisées pour la conception des oscillateurs. Avantages et inconvénients sont dégagés. Ceci nous conduit à définir une procédure générale de conception d'oscillateurs en régime de forts signaux basée sur la méthode d'équilibrage harmonique. L'oscillateur est traité sous la forme d'un amplificateur en réflexion avec optimisation du cycle de charge intrinsèque au transistor et de l'impédance de charge. Cette méthodologie est ensuite appliquée à la conception d'un oscillateur MMIC à base de MESFET. La comparaison simulation-mesure nous conduit à constater les limites des techniques de caractérisation habituellement utilisées permettant l'extraction de modèle non linéaire de FET. Elle permet de montrer également l'inadéquation des modèles non-linéaires classiques de FET ne prenant pas en compte le phénomène d'autopolarisation et la nature distribuée de la grille. Une caractérisation complète des oscillateurs est réalisée incluant mesure et simulation du bruit de phase. La dernière partie présente la conception et la réalisation d'oscillateurs MMIC à base de TBH. L'objectif est d'évaluer ici par rapport à la fonction oscillateur, une technologie MMIC à TBH GaAlAs/GaAs

Les matériaux III-N sont présents dans la vie quotidienne pour des applications optoélectroniques (diodes électroluminescentes, lasers). Les propriétés remarquables du GaN (grand gap, grand champ de claquage, champ de polarisation élevé, vitesse de saturation des électrons importante...) en font un candidat de choix pour des applications en électronique de puissance à basse fréquence, mais aussi à haute fréquence, par exemple en gamme d'ondes millimétriques. L'enjeu de ce travail de thèse consiste à augmenter la fréquence de travail des transistors tout en maintenant une puissance élevée. Pour cela, des hétérostructures HEMTs (High Electron Mobility Transistors) sont développées et les épaisseurs de cap et de barrière doivent être réduites, bien que ceci soit au détriment de la puissance délivrée. Une étude sera donc menée sur l'influence des épaisseurs de cap et de barrière ainsi que le type de barrière (AlGaN, AlN et InAlN) de manière à isoler les hétérostructures offrant le meilleur compromis en termes de fréquence et de puissance. De plus, les moyens mis en œuvre pour augmenter la fréquence de travail entrainent une dégradation du confinement des électrons du canal. De manière à limiter cet effet, une back-barrière est insérée sous le canal. Ceci fera l'objet d'une deuxième étude. Enfin, une étude de la passivation de surface des transistors sera menée. La combinaison des ces trois études permettra d'identifier la structure optimale pour délivrer le plus de puissance à haute fréquence (ici à 40 GHz).

Dans la lignée des progrès technologiques récents en électronique, ces dernières décennies ont vu l’émergence d’une variété de systèmes permettant l’interface bioélectronique, allant de la mesure de l’activité électrique émise par l’ensemble du cerveau jusqu’à la mesure du signal émis par un neurone unique. Bien que des interfaces électroniques avec les neurones ont montré leur utilité pour des applications cliniques et sont communément utilisés par les neurosciences fondamentales, leurs performances sont encore très limitées, notamment en raison de l’incompatibilité relative entre les systèmes à l’état solide et le vivant. Dans ce travail de thèse, nous avons étudié des techniques et des matériaux nouveaux permettant une approche alternative et qui pourraient améliorer le suivi de l’activité de réseaux de neurones cultivés in situ et à terme la performance des neuroprothèses in vivo. Dans ce travail, des réseaux de nanofils de silicium et des microélectrodes en diamant sont élaborés pour respectivement améliorer la résolution spatiale et la stabilité des électrodes dans un environnement biologique. Un point important de cette thèse est également l’évaluation des performances de transistors à effet de champ en graphène pour la bio électronique. En raison des performances remarquables et combinées sur les aspects électrique, mécanique et chimique du graphène, ce matériau apparaît comme un candidat très prometteur pour la réalisation d’une électronique permettant une interface stable et sensible avec un réseau de neurones. Nous montrons dans ce travail l’affinité exceptionnelle des neurones avec une surface de graphène brut et la réalisation d’une électronique de détection rapide et sensible à base de transistor en graphène. / In line with the technological progress of last decades a variety of adapted bioelectrical interfaces was developed to record electrical activity from the nervous system reaching from whole brain activity to single neuron signaling. Although neural interfaces have reached clinical utility and are commonly used in fundamental neuroscience, their performance is still limited. In this work we investigated alternative materials and techniques, which could improve the monitoring of neuronal activity of cultured networks, and the long-term performance of prospective neuroprosthetics. While silicon nanowire transistor arrays and diamond based microelectrodes are proposed for improving the spatial resolution and the electrode stability in biological environment respectively, the main focus of this thesis is set on the evaluation of graphene based field effect transistor arrays for bioelectronics. Due to its outstanding electrical, mechanical and chemical properties graphene appears as a promising candidate for the realization of chemically stable flexible electronics required for long-term neural interfacing. Here we demonstrate the outstanding neural affinity of pristine graphene and the realization of highly sensitive fast graphene transistors for neural interfaces.

La réduction des dimensions des transistors à effet de champ MOS a depuis quelques années ralenti à cause de l'émergence de facteurs parasites tels que la résistance d'accès. En effet, la miniaturisation du canal s'est accompagnée par une diminution de sa résistance tandis que celle des zones d'accès à la frontière avec le canal est restée constante ou a augmenté. L'objectif de cette thèse a été de mettre en place une méthodologie de caractérisation électrique prenant en compte cette composante parasite longtemps considérée négligeable dans le milieu industriel.Dans un premier chapitre, le fonctionnement de la technologie CMOS et la spécificité de son adaptation FD-SOI sont d'abord présentées. La deuxième moitié du chapitre est quant à elle consacrée à l'état de l'art de la caractérisation électrique et de leur position vis-à-vis de la résistance d'accès.Le second chapitre présente une nouvelle méthode d'extraction des composantes parasites résistives et capacitives à l'aide de transistors de longueurs proches. Les résultats obtenus sont ensuite comparés aux modèles existants. De ces derniers, un nouveau modèle plus physiquement pertinent est proposé en fin de chapitre.Le troisième chapitre expose une nouvelle méthode de caractérisation électrique basée sur la fonction Y qui permet une analyse du comportement d'un transistor sur l'ensemble de son régime de fonctionnement. Cette nouvelle méthode est ensuite combinée à celle développée dans le chapitre 2 pour assembler un protocole expérimentale permettant de corriger et d'analyser l'impact des résistances d'accès sur les courbes de courant et les paramètres électriques.Finalement, le dernier chapitre applique la méthodologie vue dans la chapitre précédent à l'étude du désappariement stochastique des transistors. Les résultats obtenus sont ensuite comparés aux méthodes en vigueur dans les domaines industriel et académique qui présentent chacune leurs avantages et leurs inconvénients. La nouvelle méthode ainsi proposée tente de garder le meilleur de chacune de ces dernières. / The reduction of the dimensions of field effect MOS transistors has slowed down during the last years due to the increasing importance of parasitic factors such as access resistance. As a matter of fact, channel miniaturisation was accompanied by a reduction of its intrinsic resistance while that of the access region at the frontier with the channnel stayed constant or increased. The goal of this thesis was to set a new electrical characterization method to take into account this parasitic component long considered negligible in by industrials.In the first chapter, CMOS technologies working and its FD-SOI adaptation specificities are presented. The second half of the chapter deals with the state of the art of electrical characterization and their hypothesis about access resistance.The second chapter present a new resistive and capacitive parasitic components extraction method using transistors of close channel length. The results are then compared to existing models from which, a new one more physically accurate is proposed.The third chapter expose a new electrical characterization method based on Y function allowing the analyze of transistor behavior on the whole working regime. This new method is then combined with the one developped in the previous chapter to build a new experimental protocol to correct and analyze the impact of access resistances on current curves and parameters.Finally, the last chapter apply this new methodology to the case of stochastic mismatch between transistors. The results are then compared to the methods used by industrials and academics, each of them having their own pros and cons. The new method proposed tries to keep the best of both previous one.

Le contrôle du nombre et de l'état quantique d'électrons individuels est un élément clé pour la construction d'applications innovantes comme les sources à un électron ou les standards métrologiques de courant. La difficulté d'atteindre la précision métrologique pour une source de courant alimente la recherche fondamentale sur le transport individuel d'électrons dans les structures mésoscopiques. Un candidat prometteur combine le concept de quantification de la charge dans un transistor à un électron et la bande interdite de la densité d'états d'électrodes supraconductrices. Le transport corrélé en temps d'électrons entre les électrodes supraconductrices est alors assuré par la densité d'états continue de l'ilot métallique central. Le grand nombre d'états électroniques disponibles dans l'ilot, bien que favorable en termes de couplage tunnel, a néanmoins deux conséquences importantes que sont les fluctuations thermiques et des processus parasites d'ordre supérieur, ce qui limite la performance de ces dispositifs. Dans ce contexte, nous explorons le transport de charges dans un tourniquet à électrons hybride basé sur une boîte quantique en lieu et place de l'ilot métallique. Les dispositifs sont réalisés par l'électromigration contrôlée de constrictions d'Aluminium précédée par le dépôt aléatoire de nano-particules d'or. Ce procédé in-situ (réalisé à 4 K) permet l'obtention de jonctions tunnel entre des électrodes supraconductrices d'aluminium et nano-particules d'or avec un taux de succès de l'ordre de 4%. Nous caractérisons le transport statique et en fréquence dans ces nanostructures par la mesure statique du courant à une température de 100 mK dans un environnement fortement filtré, mais néanmoins compatible avec l'électro-migration, d'un réfrigérateur à dilution. L'analyse des cartes de conductance en fonction des tensions drain-source et de grille révèle une énergie de charge très élevée de l'ordre de 10 meV et un écart entre niveaux discrets d'énergie de l'ordre de 1 meV. Par une étude détaillée de l'élargissement des pics de cohérence au seuil du blocage de Coulomb, nous montrons que le transport électronique est assuré par un niveau unique dans la boîte quantique. Bien que le couplage tunnel soit faible, le temps de vie d'un électron dans un niveau donné est dominé par l'hybridation des états électroniques entre les électrodes et la boîte quantique. En effet, les fluctuations thermiques et les processus inélastiques sont inopérants du fait du grand écart d'énergie entre niveaux et de la bande interdite supraconductrice dans les électrodes. L'observation de résonances sous le seuil imposé par le blocage de Coulomb est décrite par des processus de cotunneling de type paire de Cooper-électron. Lorsqu'un signal radio-fréquence de forme sinusoïdale ou carrée est ajouté à la tension de grille, un fonctionnement de tourniquet à électron est montré. Nous obtenons un courant quantifié jusqu'à une fréquence de 200 MHz, au delà de laquelle la précision se dégrade à cause d'évènements tunnel manqués. Le couplage à un niveau unique dans la boîte quantique est clairement démontré par l'apparition d'effets de transport tunnel inversé à grande tension drain-source ainsi que l'insensibilité à la température jusqu'à environ 300 mK. Enfin, nous observons une suppression systématique du courant uniquement à basse fréquence et avec un signal r.f. sinusoïdal. En accord avec une prédiction théorique, nous montrons que les effets tunnel manqués sont causés par un processus adiabatique au travers l'anti-croisement d'un niveau quantique sur la boîte quantique avec la densité d'états des électrodes supraconductrices. Nos expériences fournissent la première démonstration expérimentale de la répulsion de niveaux entre un niveau discret et un semi-continuum, illustrant ainsi l'évolution cohérente de nos tourniquets hybrides à électron dans un régime adiabatique. / Accurate control over the state and motion of single individual electrons would enable a variety of appealing applications reaching from quantized to quantum coherent electron sources. Realizing the accuracy of quantized current sources required for a metrological standard is however extremely challenging and has naturally fuelled fundamental research into single electron transport through mesoscopic structures. A promising candidate, foreseen to meet the demand, combines the concept of quantized charge in single electron transistors (SETs) and the gapped density of states in superconducting metals (hence called hybrid electron turnstile), to produce a quantized current. The time-correlated electron transport (sub-poissonian) between the superconducting leads is conveyed by the continuous density of states of the central normal island. The large amount of available states at the normal island, although favorable in terms of tunnel coupling, has nevertheless two important ramifications i.e. 1) thermal fluctuations and 2) adverse higher-order processes, which limit the performance of hybrid electron turnstiles. Inspired by this ingenious application and the advances in quantum dot trans- port, we explore the operation of a hybrid electron turnstile embodying a bottom-up quantum dot instead of the usual metallic island. The desired devices are obtained by controlled electromigration of aluminium nano-wires preceded by the deposition of gold nano-particles. This in-situ process (conducted at 4 K) produces pristine tunnel junctions between aluminium leads and gold nano-particles with a yield of about 4%. We characterize the stationary and turnstile operation by direct current measurements at 100 mK, in a heavily filtered, but electromigration compatible, inverse dilution refrigerator. Analysis of the acquired conductance maps under stationary conditions, reveal a large charging energy (> 10 meV) and mean level spacing (> 1 meV). With a detailed study of the coherence peak broadening at the Coulomb blockade (CB) threshold, we show that electron transport through the quantum dot is conveyed by a single quantum level. Although the tunnel coupling is weak, the single level life-time is dominated by the lead - quantum dot hybridization as thermal energy fluctuation and in-elastic scattering are suppressed by the large single level spacing on the quantum dot and the superconducting gap in the leads. The observation of sub-threshold resonances parallel to the CB diamond edges are consistent with earlier predicted higher-order Cooper-pair - electron (CPE) cotunneling processes. Under turnstile operation a periodic modulation signal (sine or square wave) is added to the static gate potential. We demonstrate quantized current up to 200 MHz at which its accuracy starts to worsen due to missed tunnel events. Strong experimental evidence of the single quantum dot level nature of our turnstile device is provided by a sharp onset of backtunneling processes and the temperature-robust operation beyond 300 mK. Finally we observe a systematic current suppression unique to the low frequency sine wave operation. Supported by theoretical work, we show that the underlying missed tunnel events are caused by adiabatic traverses across the avoided crossing of a quantum dot level and superconducting gap edges. These experiments deliver the first experimental observation of the level repulsion between an electronic discrete state and a semi-continuum and demonstrate the quantum coherent evolution of our devices under adiabatic operation conditions.

Cette thèse s'intéresse à deux types de systèmes de différents degrés de liberté en interaction, et soumis à des fluctuations quantiques.Dans le premier projet abordé dans le manuscrit, on établit un diagramme de phase d'électrons en interactions dans un cristal bidimensionnel à géométrie kagome. Ce diagramme de phase est dressé en fonction de deux paramètres étant les interactions coulombiennes entre électrons sur un même atome pour le premier, et sur des atomes plus proches voisins pour le second. Les énergies caractéristiques de ces deux interactions sont quantifiées par rapport à une énergie de référence étant celle des fluctuations quantiques. On met alors en évidence quatre phases dont deux sont nouvelles, alors que les deux autres font le lien avec la littérature déjà existante, et sont en accord avec cette dernière. Ces deux nouvelles phases émergent lorsque l'énergie de répulsion coulombienne entre électrons sur un même atome domine devant l’énergie caractéristique des fluctuations quantiques. En présence d’une forte répulsion coulombienne entre électrons sur des atomes plus proches voisins, les charges électroniques ne peuvent se délocaliser pour former des ondes de Bloch et sont soumis à ce que l’on appelle une contrainte locale de charge. Apparaissent alors sous la compétition de ces deux interactions coulombiennes, des modes unidimensionnels collectifs le long des chaines d’atomes antiferromagnétiquement ordonnées. Ces modes ont la particularité d’être stabilisés à la fois par les fluctuations des degrés de liberté de spin, et de charge des électrons. La seconde de ces nouvelles phases émerge lorsque la répulsion coulombienne entre électrons sur des atomes voisins devient faible devant les fluctuations quantiques. La contrainte locale est alors relâchée et les électrons forment des ondes de Bloch le long de ce qui s’apparente à des bulles quantiques unidimensionnelles et polarisées en spin. Ces bulles sont alors piégées dans un cristal d’électrons inversement polarisés, avec lesquels elles sont en interaction antiferromagnétique.Le second projet porte sur l’étude d’un aimant moléculaire de Terbium Double-Decker. Cette molécule peut être modélisée par trois degrés de liberté interagissant en cascade les uns avec les autres. Le premier d’entre eux est un degré de liberté de spin nucléaire porté par le noyau de l’ion terbium de la molécule. Ce spin nucléaire est en interaction d’échange avec un degré de liberté de spin électronique porté par les électrons de l’ion terbium. Enfin, en première approximation, ce spin électronique génère un champ dipolaire auquel sont soumis les deux ligands de l’aimant moléculaire. Ces deux ligands sont couplés à deux électrodes de source et de drain, assurant le transport d’électrons uniques à travers ces deniers. Le tout forme donc un transistor à électron unique dans lequel les ligands servent de boîte quantique. Par mesure de magnéto-conductance, il est donc possible par une lecture en cascade, de remonter à l’état du spin électronique et du spin nucléaire. La première étape du projet a donc consisté à établir un modèle décrivant l’aimant moléculaire couplé à ces deux électrodes, afin de prédire les mesures de conductance réalisées au travers du transistor lors des thèses de Stefen Thiele et Clément Godfrin. Les résultats théoriques et expérimentaux obtenus sont en accord quantitatifs.D’autres part, à l’aide de champs électriques radio-fréquences, il est possible de manipuler expérimentalement et de façon cohérente le spin nucléaire. Cette manipulation cohérente du spin nucléaire se fait par l’intermédiaire du nuage électronique de l’ion, et permet ainsi d’être en mesure de réaliser un algorithme quantique sur le spin nucléaire de l’ion terbium. La réalisation d’un programme de simulation a permis de guider la réalisation expérimentale de l’algorithme de Grover, lequel a été implémenté avec succès au cours de la thèse de Clément Godfrin. / This thesis focuses on two different spin and charge systems, interacting under the effect of quantum fluctuations.The first project highlights the phase diagram of interacting electrons on a kagome lattice. This diagram is driven by two Coulomb repulsions. The first is a on site repulsion, and the second a nearest neighbor one. These two repulsions are in competition with quantum fluctuations of electronic charges. Four phases are depicted, two are unknown and the two other are in agreement with the literature. The two new phases are stabilized in the strong on site repulsion regime. When nearest neighbor repulsions are strong enough to induce a charge local constraint, the system enters in a so called Heisenberg-Loop Phase. These loops are antiferromagnetically arranged and can be described by a Heisenberg-like model in which both charge and spin play surprisingly a role in the exchange interaction. The second new phase is stabilized in the regime where nearest neighbor interactions are too weak to maintain the local constraint. Then, half of the electrons are delocalized in unidimensional Bloch states similar to quantum polarized electronic bubbles. These bubbles are trapped in an inversely polarized electronic cristal formed by the other electrons. This peculiar phase is favored by both quantum charge fluctuations in the bubbles, and antiferromagnetic exchanges between their electrons and the cristal ones.The second project deals with a Terbium Double-Decker molecular magnet. This molecule is modeled by three interacting degrees of freedom. The first is a nuclear spin of the Terbium ion, and the second is the electronic spin of this same ion. The two spins interact via a magnetic exchange.In a first approximation, the effect of the electronic spin is to induce a dipolar field. Finally, the last degree of freedom is carried by two ligands under the influence of the dipolar field. The ligands play the role of a read-out quantum dot, and by conductance measurements through this last one, we can probe the electronic spin and then, the nuclear spin. The first step of this project highlights the modeling of the global system. Then numerical computations are depicted and are in a quantitative agreement with the experimental measurements realized during the thesis of Stefan Thiele and Clément Godfrin.On the other hand, by applying electrical Radio Frequency Fields, we can drive quantum fluctuations on the nuclear spin. This quantum manipulation of the spin is realized by the dynamic deformation of the electron cloud under the effect of the Radio Frequency Field. As a result, we are able to implement a Grover Quantum Algorithm on the nuclear field. This thesis focuses on the realization of a simulation program that was a tool used by Clément Godfrin to successfully implement the Grover Algorithm.

Les nanostructures de semi-conducteurs de faibles dimensions (comme les nanofils(NFs)) sont devenues l'objet de recherches intensives pour explorer de nouveaux phénomènes émergents à l'échelle nanométrique et sonder leur possibilités d’ utilisation dans l'électronique du futur. Parmi les différents nanofils semi-conducteurs, SiC a des propriétés très particulières, comme une large bande interdite, une excellente conductivité thermique, un haut champ électrique de claquage, une stabilité chimique et physique, une haute mobilité des électrons et une haute biocompatibilité.Nous proposons dans cette étude ; d'examiner une nouvelle approche pour fabriquer des nanostructures de SiC par l'approche « top-down ». Cela permet l'élaboration de nanostructures cristallines de SiC de haute qualité monocristalline avec un niveau de dopage contrôlé. Le comportement de nanostructures de SiC gravées a également été étudié en fonction de polytypes et des orientations cristallographiques.Nous avons également étudié les trois principaux sujets de SiC nano-devices pour atteindre une excellente performance. Pour répondre à ces questions, deux types de SiC nanoFET (SiC NFFET et SiC NPFET) ont été fabriqués et caractérisés par l'utilisation de nanofils de SiC et de nanopiliers de SiC préparés respectivement par les méthodes « bottom-up » et « top-down ». / Low dimensional semiconductor nanostructures, such as nanowires (NWs), have become the focus of intensive research for exploring new emergent phenomena at the nanoscale and probing their possible use in future electronics. Among these semiconductor NWs, Silicon Carbide (SiC) has very unique properties, such as wide bandgap, excellent thermal conductivity, chemical and physical stability, high electron mobility and biocompatibility. These factors makes SiC a long standing candidate material to replace silicon in specific electronic device applications operating in extreme conditions or/and harsh environments. SiC nanostructures have been studied extensively and intensively over the last decade not only for their fabrication and characterization, but also for their diverse applications. I have outlined the growth of SiC nanostructures based on different growth methods, a noteworthy feature of their characteristic properties and potential applications in the chapter one. As-grown SiC NWs fabricated by bottom-up method present a high density of structural defects, such as stacking faults. This kind of defect is one of the factors which lead to poor electrical performance (such as weak gate effect and low mobility) of the related devices. Therefore, it is required to develop a high quality of SiC nanostructures with low density of the structural defects using an alternative method, such as top-down process. Main objectives of this thesis are divided into three main parts. The first part of the thesis (Chapter two), we present the simulation results of the electrical transport and thermoelectric properties of SiC NWs. I have investigated the thermoelectric enhancement by studying the complex interplay of the size of NWs, temperature and surface roughness. Our simulation results show that the ZT of C terminated SiC NW (2.05×2.05 nm2) reaches a maximum value of 1.04 at 600K. The second part of the thesis (Chapter there) is devoted to the fabrication of high quality SiC nanostructures with controlled doping level. I have developed a top-down fabrication technique for high quality nanometer scale SiC nanopillars (NPs) using inductively coupled plasma etching. The etching behavior of SiC NPs has also been studied depending on polytypes and crystallographic orientations. Under the optimal etching conditions using a large circular mask pattern with 370 nm diameter, the obtained 4H-SiC nanopillars exhibit high anisotropy features (6.4) with a large etch depth (>7μm). A hexagonal, rhombus and triangle based pillar structures have been obtained using α-SiC (0001), 3C-SiC (001) and 3C-SiC (111) substrates, respectively. The last part of the thesis (Chapter four) is dedicated to the design and the electrical characterization of SiC nanodevices. To investigate the electrical properties of SiC nanostructures, two different kinds of SiC nanoFETs (SiC NWFET and SiC NPFET) have been fabricated by using SiC NWs and SiC NPs prepared via bottom-up method and top-down methods, respectively. In case of SiC NWFET, low resistivity ohmic contacts (378 kΩ) have been obtained after the annealing at 650 °C. Ni silicide intrusion into the SiC NW channel has been observed the annealing at 700 °C. This temperature is compared to one of other group IV materials. In case of SiC NPFET, two different types of NPFET (3C-SiC (001) and 4H-SiC (0001)) have been fabricated using our SiC nanopillars, obtained by top-down approach. The estimated values of the field-effect carrier mobility are 232.7 cm2⋅V-1s-1 for 3C-SiC (001) NPFET (#2) and 53.6 cm2⋅V-1s-1 for 4H-SiC (0001) NPFET, which is higher than the best values reported in the literature (15.9 cm2⋅V-1s-1).