Cette thèse présente une étude du graphène complète depuis sa synthèse par dépôt de vapeur chimique (CVD), la fonctionnalisation de sa surface, jusqu'aux mesures à basse températures des propriétés de supraconductivité. Je présente tout d'abord une nouvelle technique de croissance CVD basée sur une injection impulsionnelle du gaz précurseur en présence constante d'hydrogène. Cette technique permet de s'affranchir de la présence de multicouches de graphène aux points de nucléation, un type de défaut connu qui avait limité jusqu'à présent les applications électroniques et optiques de ce matériau. Les dispositifs flexibles et optiquement transparents obtenus à partir de ce matériau présentent des caractéristiques améliorées par rapport à l'état de l'art notamment une homogénéité améliorée et une mobilité électronique dépassant 8,000 cm^2/V/s. Un traitement chimique est ensuite introduit et nous montrons par diverses techniques microscopiques, spectroscopiques optiques et électroniques qu'il est possible de contrôler précisément la densité de défauts dans le graphène par voie chimique. Cette thèse s'achève sur une étude à très basse température (<1K) des propriétés de transport électronique d'un nouveau type de systèmes basé sur un réseau de plots d'étain déposé sur un transistor en graphène. Ce type de système hybrides s'avère être un système modèle pour l'étude des transitions de phase quantique supra/isolant et supra/métal. Les résultats présentés sur les réseaux réguliers et dilués sont en bon accord avec les modèles théoriques prédisant un état métallique subsistant jusqu'à température nulle. / This thesis presents a wide range of graphene activity: from chemical vapor deposition (CVD) of graphene growth on Cu surface, to two dimensional mesoscopic graphene devices for superconductivity studies. I first show that, in the CVD process of fabricating graphene, a cyclic injection of carbon feedstock under a constant hydrogen background allows to suppress the formation of multilayer graphene, which has plagued this fabrication method since its early days. With the CVD grown graphene,I demonstrate applications such as flexible transparent electrodes. Mobility of our CVD graphene at 4 K temperature reaches as high as 8,000 cm^2/V/s. Chemical treatment studies based on copper etchant show that control of the density of defects in CVD graphene can be precisely achieved by a chemical route. This thesis finishes at sub 1 K temperature transport measurements of a new type of superconducting array decorated graphene transistor. This type of hybride system is a prototypical model for quantum phase transition studies. I then show that the experimental observations are in good agreement with the predicted superconductor-to-metal quantum phase transition at the zero-temperature limit.

Résumé : Ce mémoire rapporte les premières mesures de fluctuations de courant émises par une jonction tunnel sur une large bande passante, de 0.3 à 13 GHz, à une température très basse de 35 mK. Cela nous a permis de réaliser la spectroscopie (i.e. mesurer la dépendance en fréquence) du bruit thermique (tension de polarisation nulle, température variable), bruit de grenaille (basse température, tension de biais variable) et bruit photo-assisté (tension de polarisation AC). Grâce à la large bande passante de nos mesures, nous pouvons calculer le corrélateur courant-courant dans le domaine temporel. Nous observons le déclin thermique de ce corrélateur ainsi que ses oscillations de période h/eV, une conséquence directe du principe de Pauli sur le transport quantique. // Abstract : This thesis reports the first measurements of the current fluctuations emitted by a tunnel junction with a very wide bandwidth, from 0.3 to 13 GHz, down to very low temperature T=35 mK. This allowed us to perform the spectroscopy (i.e., measure the frequency dependence) of thermal noise (no dc bias, variable temperature), shot noise (low temperature, variable dc voltage bias) and photon-assisted noise (ac bias). Thanks to the very wide bandwidth of our measurement, we can deduce the current-current correlator in time domain. We observe the thermal decay of this correlator as well as its oscillations with a period h/eV, a direct consequence of the effect of the Pauli principle in quantum transport.

Ce travail porte sur l'étude du transport électronique dans le graphène, en particulier à fort champs magnétiques, en régime d'Effet Hall Quantique. Il a pu être mis en évidence les mécanismes de transport électronique à énergie finie dans ce régime, les lois d'universalité de l'effet Hall quantique observées dans les gaz bidimensionnels d'électrons ont été retrouvées. Nous avons aussi pu observer pour la première fois la transition entre un régime de transport avec interactions et un sans interaction électronique grâce aux effets d'écrantage de la grille permettant de doper le graphène. Cette transition permet de confirmer une loi de saut à pas variable donnée par Efros-Shklovskii comme mécanisme de transport dominant dans l'effet Hall quantique.

Ce manuscrit est dédié au transport relativiste cinétique sous influence de champs magnétiques, identifié comme obstacle pour la modélisation et la simulation intégrée, dans le cadre de la Fusion par Confinement Inertiel (FCI). Une réalisation importante concerne le développement d'un code déterministe de référence, 2Dx-3Dv, de type Maxwell-Fokker-Planck-Landau, permettant la prise en compte de fonctions de distribution à large degré d'anisotropie. Ce travail se situe à l'interface de l'analyse numérique, des mathématiques appliquées, et de la physique des plasmas. Un deuxième résultat marquant concerne la dérivation d'un modèle collisionel multi-échelle, pour le transport d'électrons relativistes dans la matière dense. Des processus importants sont mis en évidence pour la FCI, et une analogie est menée vis-à-vis des processus de transport collisionels connus en radiothérapie. Enfin, un modèle mésoscopique aux moments angulaires, avec fermeture entropique, a été dérivé et utilisé pour le dépôt de dose pour la radiothérapie. Des schémas numériques précis, d'ordre élevé, et robustes, ont été développé dans ce cadre. / This manuscript is dedicated to the relativistic kinetic transport, under the influence of the magnetic field, identified as a barrier for the modeling and integrated simulations, in the frame of the Inertial Confinement Fusion (ICF). An important achievement concerns the development of a deterministic, reference code, 2Dx-3Dv, of Maxwell-Fokker-Planck-Landau type, that permits the treatment of distribution functions with large anisotropy degree. This work is at the interface between the numerical analysis, applied mathematics, and plasma physics. Another milestone result concerns the derivation of a multi-scale, collisional model, for the transport of relativistic electrons in dense matter. A set of processes is demonstrated to be of importance for ICF, and an analogy is conducted with respect to well-known collisional transport processes in radiotherapy. Finally, a mesoscopic angular moment model, with entropic closure, is derived and employed for radiotherapy dose computation. High order precise and robust numerical schemes are then developed in this framework.

Un nanotube de carbone est une molécule tubulaire dont les propriétés électroniques et quantiques sont tout à fait remarquables. Lorsqu'il est utilisé en tant que canal de conduction d'un transistor à effet de champ, il est possible de détecter électriquement la présence de charges stockées à proximité de celui-ci, permettant ainsi la création d'une mémoire non-volatile ultime. Dans cette thèse, nous présentons les travaux réalisés sur des transistors à nanotubes (CNTFETs) utilisés pour la détection de charges, le tout imagé par microscopie à force de Kelvin (KFM). Le calibrage de la sonde KFM sur des CNTFETs y est egalement présenté. Les mesures de transport sont ainsi couplées à la cartographie des potentiels de surface du nanodispositif. Les charges électriques sont injectées à proximité d'un nanotube de carbone à l'aide d'une pointe métalisée d'un microscope à force atomique (AFM) et directement stockées dans la surface de SiO2. Les mesures électriques du CNTFET montrent un effet de grille inverse à celui attendu par le signe des charges injectées. L'explication est donnée par la détection KFM qui permet l'observation de charges stockées dans l'environnement du nanotube et de signe opposé à celles injectées. Dans une dernière partie, une étude phénoménologique est effectuée sur l'apparition de résonances périodiques dans les caractéristiques de transfert des nanotubes. Par la connaissance du bras de levier du CNTFET déterminé par le KFM, ces résonances sont quantitativement évaluées à l'énergie des phonons optiques longitudinaux des nanotubes de carbone et du SiO2. Une statistique de type Franck Condon en considérant la présence de N sites diffuseurs est appliquée sur ces résonances et permettent, dans une première approximation, d'évaluer l'intéraction électron-phonon de notre dispositif.

Des mesures de transport électronique dans des nanotubes de carbone multiparois individuels sous champ magnétique pulsé (60T) sont présentées dans cette thèse. L'objectif est d'observer les modifications de la dispersion électronique par le champ magnétique. Des nanotubes de très bonne qualité cristalline sont connectés sur des distances courtes entre contacts, permettant d'atteindre des régimes de transport quasi-balistiques ou faiblement diffusifs, la paroi externe contribuant principalement. La configuration transistor permet de moduler l'énergie des porteurs (niveau de Fermi) sur plusieurs sous-bandes via un potentiel électrostatique (dit de grille). Afin de préciser la contribution des parois plus internes, une étude en spectroscopie Raman est présentée dans un premier temps. Nous constatons que l'intensité du transfert de charges entre parois successives varie fortement d'un feuillet à l'autre. L'étude sous champ magnétiques de nanotubes de parois externes semiconductrices et métalliques est ensuite présentée. Lorsque le champ magnétique est appliqué perpendiculairement à l'axe du nanotube, la formation de niveaux de Landau propagatifs est mise en évidence. Celle-ci se traduit par des modulations des conditions de résonance dans un régime de type Fabry-Pérot électronique, par la fermeture du gap électronique d'une paroi semiconductrice ainsi que la réintroduction de la rétrodiffusion dans une paroi métallique. Ce dernier effet s'accompagne d'un ancrage du niveau de Fermi vers celui de Landau se formant à énergie nulle à très fort champ. L'ensemble de ces résultats est en accord avec des modèles théoriques prenant en compte un désordre homogène. Enfin, l'effet Aharonov-Bohm sur plusieurs périodes et plusieurs sous-bandes est observé sous un champ parallèle à l'axe du nanotube. La métallicité de la paroi externe et la correspondance entre la tension de grille et l'énergie des porteurs sont obtenues en comparant les oscillations de conductance expérimentales à un modèle obtenu pour un cas parfait. Afin de décrire en détail la signature magnétique, les diminutions des transmissions aux contacts et la contribution de défauts sont qualitativement étudiées.

Ce mémoire propose une étude expérimentale des réseaux de vortex supraconducteur par mesures de transport, impédance de surface et bruit de tension et de flux magnétique, ainsi que des mesures de diffraction neutronique. La technique de mesure de bruit et fluctuations électroniques est également présentée et adaptée à l'étude d'oxydes à corrélations électroniques et magnétiques particulières.

L'électronique moléculaire et la spintronique moléculaire sont deux domaines émergeant de la nanophysique, prometteurs pour réaliser de nouveaux types de dispositifs utiles tant pour le stockage d'information que pour l'information quantique. Ce travail de thèse a pour objet de contribuer à ces deux domaines de recherche par la réalisation de jonctions moléculaires à base de nanotubes de carbone, faisant intervenir des nanostructures magnétiques. Nous avons choisi deux approches: (i) le transport électronique à travers des nanotubes de carbone remplis de matériaux magnétiques (nanotubes hybrides) et (ii) le développement du nano-SQUID composé de jonctions supraconductrices à nanotube de carbone. Ce magnétomètre devrait être suffisamment sensible pour étudier les propriétés magnétiques de molécules individuelles attachées au nanotube de carbone.

L'objectif de cette étude est de mieux comprendre le rôle joué par les défauts dans les propriétés optiques et électroniques des nanostructures d'oxyde de zinc. Pour ce faire, nous avons synthétisé des nanoparticules d'oxyde de zinc de 6 à 18 nm de diamètres pouvant être considérées comme modèle en terme de stœchiométrie, de cristallinité et de qualité de surface par une méthode physique originale : la Low Energy Cluster Beam Deposition.La caractérisation optique des défauts présents dans les nanoparticules de ZnO a été faite grâce à l'analyse des spectres d'émission visible et UV à différentes températures [10K-300K]. En particulier la luminescence excitonique à 3,31 eV, qui est un sujet controversé, a été étudiée en comparant la luminescence excitonique d'échantillons structurés à différentes échelles (nanoparticules, microcristaux et monocristal). Les temps de déclins très rapides des défauts donneurs ont été étudiés par spectroscopie à décalage de fréquence au CELIA à Bordeaux révélant une dépendance en fonction de la taille des NPs du type Giant Oscillator Strenght.Les propriétés de transport électronique des couches minces de NPs, naturellement dopées n, ont été caractérisées grâce à des expériences σ(T). Différents scénarios sont proposés pour expliquer les résultats des expériences de conductivité, et discutés en fonction des propriétés optiques des couches et de leur morphologie. En particulier, il est montré que la surface des NPs, très réactive, influence fortement le transport, ce qui laisse entrevoir la possibilité d'utiliser ces films nanostructurés comme capteurs de gaz.

L'imagerie infrarouge bas flux requiert des détecteurs grandes longueurs d'onde de hautes performances. Les détecteurs à puits quantiques (QWIP), de par la maturité de GaAs, la facilité à ajuster la longueur d'onde détectée sur une très large gamme et la possibilité de réaliser de larges matrices uniformes constituent d'excellents candidats pour ces applications. Afin de confirmer leur intérêt nous avons procédé à la caractérisation électro-optique fine d'un composant QWIP détectant à 15µm. Les performances mesurées ont été utilisées pour simuler celles d'une caméra basée sur ce détecteur et dédiée à un scénario faible flux et ont permis de valider la capacité de la filière QWIP à répondre à de telles missions infrarouges. Ces simulations ont aussi mis en évidence le rôle extrêmement préjudiciable joué par le courant d'obscurité. Nous avons alors mis au point une simulation basée sur un code de diffusion entre états localisés qui nous a permis de mieux appréhender le transport dans ces structures. Un important travail de développement de l'outil de simulation a été nécessaire. Ce code a révélé le rôle déterminant du profil de dopage sur le niveau de courant d'obscurité. Nous avons ainsi pu réaliser de nouvelles structures aux profils de dopage optimisés et dont le niveau de courant d'obscurité est abaissé de 50%. Nous avons par ailleurs pu apporter une interprétation quantique à la forme des courbes I(V) observée. Mais notre code de simulation s'avère plus généralement un outil puissant de simulation du transport dans les hétérostructures. L'influence des défauts de croissance (défauts d'interface et désordre) a pu être quantifiée et nous avons pu apporter les premières prédictions de performances de QCD THz. Enfin l'influence des effets non locaux sur le transport a été étudiée. L'observation de dents de scie sur les courbes I(V) de QWIP a pu être modélisée et son influence sur la détectivité évaluée.