L'enjeu de l'électronique moléculaire est la connexion de la molécule à un dispositif macroscopique. Le but de cette thèse est d'étudier le transport électronique dans des nanocassures métalliques, structures d'accueil de molécules, puis d'y insérer une molécule pour réaliser un transistor moléculaire. Connaître les propriétés de transport de la structure d'accueil est un point clé pour la fabrication du transistor moléculaire et la compréhension de ses propriétés électroniques. Les nanocassures sont obtenues par électromigration d'un nanofil d'or. Une forte densité de courant entraine le déplacement des atomes d'or et provoque la rupture du nanofil. Le processus d'électromigration contrôlée développé lors de cette thèse est effectué à température ambiante, et permet de limiter les déplacements atomiques afin d'obtenir des coupures de taille nanométrique. L'échantillon est immédiatement refroidi à 4K pour limiter tous processus diffusifs dégradant la nanocassure formée, et il est caractérisé électriquement. L'ajustement des courbes I-V par un modèle tunnel donne les travaux de sortie des électrodes et la distance inter-électrodes, distance à comparer avec la taille de la molécule. La courbe I-V permet aussi de détecter la présence d'agrégats métalliques piégés entre les électrodes lors de l'électromigration. La dernière étape de la réalisation d'un transistor moléculaire est le dépôt de la molécule. Ce dépôt est effectué in-situ à 4K, sous vide, par sublimation d'une poudre de C60 par effet Joule. Les premiers tests montrent qu'il est possible d'obtenir un tapis de molécules sans dégrader les nanocassures.

La micro-électronique est considérée comme une technologie révolutionnaire compte-tenu de la dynamique qu'elle a insufflée à l'économie mondiale depuis l'invention du circuit intégré dans les années 50. Jusqu'à récemment, les défis technologiques relevés ont consisté à conserver une ligne directrice de développement fondée sur une simple réduction des dimensions du transistor MOS, faisant basculer la micro-électronique dans l'ère de la nanoélectronique. Industriels et chercheurs tentent aujourd'hui de repousser les limites physiques imposées par la réduction d'échelle en agissant sur différents leviers technologiques, afin d'améliorer les performances des dispositifs sans avoir à en réduire les dimensions. Les travaux présentés résument mon activité de recherche menée au CEA-Léti depuis 2001, dans le contexte général du développement des technologies CMOS pour les noeuds avancés (i.e. le 65nm pour le début des années 2000, le 14nm et en deçà à l'heure actuelle), avec un focus plus particuliers sur l'étude du transport dans le canal des transistors MOS. Trois voies principales ont été explorées, et seront analysées et commentées : * les nouveaux matériaux de grille, avec l'introduction des oxydes à forte permittivité (high-κ) et des grilles métalliques. * l'ingénierie de la mobilité, avec entre autres l'utilisation de matériaux à plus forte mobilité comme les alliages SiGe, ou encore l'exploitation des contraintes. * les nouvelles architectures de transistor, avec la réalisation de films minces et de transistors multi-grilles ou à grille enrobante.

La qualité du transport électronique est l'une des clés permettant de soutenir la progression des performances pour les futures générations de composants. De très nombreux facteurs, comme le choix de l'isolant et du métal de grille, le matériau de canal ou la présence de contraintes mécaniques, affectent de façon négative ou positive ces propriétés de transport. L'épaisseur du canal, qui atteint des dimensions nanométriques joue également un rôle : interactions avec les interfaces, fluctuations d'épaisseurs, effets de couplage électrostatique ou quantique entre ces interfaces. Il est probable que des mécanismes d'interaction associés à la proximité des zones surdopées de source et de drain puissent également intervenir. A ces dimensions, on s'attend à observer des phénomènes de transport hors d'équilibre, voire balistique, qui peuvent remettre en question la validité des paramètres utilisés pour caractériser le transport. Donc avec l'avancement de la technologie, il devient nécessaire de faire évoluer les modèles de transport et les paramètres afin de mieux expliquer le fonctionnement du MOSFET. Cette thèse se concentre sur la compréhension des modèles de transport existants et des méthodes d'extraction pour les noeuds technologiques actuels et futures. Les modèles de transport et les méthodes d'extraction de paramètres en régime linéaire et de saturation ont été explorés au cours de cette thèse. L'impact de la résistance série, qui est une fonction de la tension de grille, dans les MOSFET avancés est pris en compte et une nouvelle méthode d'extraction améliorée a été développée dans le régime linéaire. Des mesures à basse température ont été utilisées en régime linéaire pour l'extraction des mécanismes de diffusion en utilisant le modèle de mobilité. Une nouvelle méthode de correction pour le courant de drain dans le régime de saturation pour les MOSFET canal court est développée en utilisant les mesures à basse température. Cela permet de corriger du DIBL ainsi que des effets de " self heating ". Le modèle de saturation de vitesse et la méthode d'extraction associée sont explorés dans le régime de saturation et sont étudiés en fonction de la température et de la longueur de canal. Les modèles balistique et quasi-balistique avec le concept de la " kT layer " en régime de saturation sont également étudiés pour les noeuds sub 32 nm. Mesurer la magnétorésistance offre des perspectives prometteuses pour les dispositifs à canal court et permettant d'extraire directement la mobilité, sans la nécessité de la connaissance des dimensions du canal. Un modèle analytique pour la magnétorésistance est développé dans le cadre des noeuds technologiques sub 32 nm pour les modèles de transport balistique et quasi-balistique. La mesure de la magnétorésistance est explorée dans la région de saturation pour la première fois jusqu'à 50 nm sur les MOSFET " bulk " afin de comprendre l'applicabilité de cette méthode d'extraction à ce régime. Enfin les dispositifs bulk+ FDSON, FinFET, et GAA sont caractérisés en fonction de la température et les mécanismes de transport dans ces nouveaux dispositifs sont étudiés jusqu'à 35 nm (FinFET). En outre, le paramètre de champ effectif η est extrait pour les dispositifs sSOI. On trouve qu'il est différent du cas " bulk " comme c'était le cas pour les résultats obtenues sur bulk contraint et FDSOI. Cela est interprété par la rugosité de surface et la diffusion des phonons en raison de l'occupation préférentielle de la sous la bande fondamentale dans ces dispositifs avancés.

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.

Les matériaux tels les nickelates et les manganites, montrent des propriétés magnéto-électriques intéressantes liées au phénomène de double échange. L'objectif principale de ce travail est d'étudier le mécanisme de ce phénomène afin d'en comprendre l'origine, à la fois microscopique, par la détermination des interactions dominantes dans des composés moléculaires à deux centres magnétiques et macroscopique, par l'étude des effets collectifs dans des systèmes de plus grande taille. La première partie consiste en une étude par des méthodes ab initio de séries de systèmes organiques conjugués qui présentent un phénomène de double échange. Les énergies et fonctions d'onde du bas du spectre sont utilisées pour extraire les interactions du modèle de double échange. Par cette analyse nous montrons qu'il existe des systèmes organiques conjugués susceptibles de posséder des propriétés magnéto-électriques similaires à celles observées dans les matériaux constitués de métaux de transition. La deuxième partie est consacrée à une étude détaillée des propriétés collectives du modèle de double échange dans des systèmes monodimensionnels de taille variable. Des chaînes 1D de sites à deux orbitales et un ou deux électrons par sites sont étudiées au moyen de diagonalizations exactes. Nous avons développé des outils d'analyse afin d'étudier l'extension spatiale du polaron ferromagnétique et la délocalisation dans l'état fondamental. Enfin nous montrons comment le champ magnétique peut provoquer un changement drastique de la délocalisation électronique et par conséquent de la conductivité en fonction du dopage. / The materials like nickelates and manganites, show extraordinary magneto-electric properties originating from the double exchange (DE) phenomenon. In this work we try to understand the origin of these properties, not only at the microscopic level, by studying systems with two magnetic centers, but also at the macroscopic level, by studying collective effects in systems with varying sizes. The first part consists of an {it ab initio} study of a series of five conjugated organic systems, with two magnetic centers each, which are susceptible to exhibit DE phenomenon. The low lying eigenstates are used to extract the parameters of the DE Hamiltonian and substantiate the model. Thus, we show that there exist conjugated organic systems which could, in principle, possess magneto-electric properties similar to those observed in materials formed of transition metal oxides. The second part consists of a detailed study of the collective properties of the double exchange Hamiltonian in one dimensional systems of variable size. One dimensional chains made up of sites with two orbitals each and one or two electrons per site are studied with exact diagonalization methods. Novel tools have been developed to quantify the size of the ferromagnetic polaron and the amount of electron delocalization in the resulting ground state. Finally, we show how a magnetic field could bring about a drastic change in the electron delocalization in the system for a given doping ratio.

Plusieurs problématiques physiques, technologiques, instrumentales et industrielles ont été traitées dans ce travail, Anomalies de résistivité d’alliages liquides observées lors d’une première montée en température. Il est intéressant d’essayer de comprendre le mécanisme à l’origine de ce phénomène. Alliage à base de bismuth pour comprendre le comportement des métaux lourds purs et alliés à un second métal (In). Nous avons discuté le choix de la valence du bismuth pur ainsi qu’allié à l’indium pour interpréter le transport électronique. Étude exhaustive, en collaboration avec la TU de Chemnitz dans le cadre de COST MP0602, de nouvelles compositions de soudures "hautes températures" à base de Sn-Ag dopés In, Ge et Bi susceptibles d’améliorer les caractéristiques des soudures. Nous avons étudié les conductivités électriques et thermiques, la tension superficielle et la densité de ces alliages. Utilisation du dispositif automatique de mesure simultanée de résistivité et du coefficient de Seebeck pour caractériser des transformations de phase et de structures d’alliages métalliques solides. Nous avons montré l’utilité du dispositif en tant que méthode de "contrôle non destructif" en caractérisant la recristallisation de rubans d’amorphes métalliques. Nous avons interprété les propriétés de transport grâce au formalisme de Ziman, prouvant ainsi que ce formalisme pouvait être utilisé pour interpréter le transport électronique de solides. Étude à l’état liquide, de transport électronique d’alliages à des compositions donnant des quasi cristaux à l’état solide. Presque aucune étude sur des matériaux de ce type n’avait été réalisée auparavant à notre connaissance / Several physical, technological, instrumental and industrial objectives were treated in this thesis. Anomaly of resistivity of liquid alloys observed during a first temperature rise. It is interesting to try to understand the mechanism at the origin of this phenomenon. Bismuth alloys to understand the behaviour of pure heavy metals and alloyed with a second metal (In). We discussed for bismuth the choice of the valence as well pure as allied to indium to interpret the electronic transport. Exhaustive study, (in collaboration with Chemnitz TU in the frame of COST MP0602) of new compositions of high temperatures solders based on Sn-Ag doped with In, Ge and Bi in order to improve the solders characteristics. We studied electrical and thermal conductivity, surface tension and mass density of these alloys. Use of an automated device of simultaneous measure of resistivity and Seebeck coefficient to characterize phase and structure transitions in solid metallic alloys. We showed the usefulness of the device as a method of "non destructive testing" by characterizing the recrystallisation of metallic amorphous ribbons. We interpreted the transport properties using the Ziman formalism and proved that this formalism could be also used to interpret the electronic transport of solid. Study of the electronic transport, in the liquid state, of alloy compositions giving quasi-crystals in the solid state. Almost no study on such kind of materials had been published before to our knowledge

L'objectif de cette thèse dans le domaine de la nanoélectronique est de contribuer à l'analyse des phénomènes de transport électronique quantique dans les nanostructures. Nous développons ainsi spécifiquement la théorie de raccordement des champs de phase (PFMT). Cette approche algébrique décrit les propriétés électroniques du système par les liaisons fortes, mais repose fondamentalement sur la technique de raccordement de phase des états électroniques des électrodes avec ceux sur les nanojonctions moléculaires. En comparant certains de nos résultats avec ceux des méthodes de principes premiers, nous avons montré la justesse et fonctionnalité de notre approche. Une alternative pratique et générale aux nombreuses techniques basées sur la fonction de Green, elle est appliquée dans ce travail de thèse pour modéliser le transport électronique à travers de nanojonctions sous forme de fils mono et diatomiques, constitués d'éléments de Na, Cu, Co, C, Si, Ga et As, mono et multivalents. / The aim of this thesis in the nanoelectronics domain is to present a contribution to the analysis of the quantum electronic transport phenomena in nanostructures. For this purpose, we specifically develop the phase field matching theory (PFMT). Within this algebraic approach the electronic properties of the system are described by the tight-binding formalism, whereas the analysis of the transport properties based on the phase matching of the electronic states of the leads to the states of the molecular nanojunctions. By comparing some of our results with those of the first principles methods, we have shown the correctness and fonctionality of our approach. Moreover, our method can be considered as a practical and general alternative to the Green’s function-based techniques, and is applied in this work to model the electronic transport across mono and diatomic nanojunctions, consisting of mono and multivalent Na, Cu, Co, C, Si, Ga and As elements.

Ce manuscrit porte sur la conception d’un transistor à effet de champ destiné à l’observation de la photoluminescence de l’exciton et des complexes excitoniques chargés du ZnO sous l’influence d’un champ électrique. Pour cela, des simulations ont permis de définir un cahier des charges de la structure du transistor afin de bloquer la conductivité dans le canal de ZnO et d’appliquer un champ électrique intense. La seconde partie concerne le choix du matériau de grille et de l’électrode transparente de surface pour l’observation de la photoluminescence dans le canal. L’oxyde de gallium (-Ga2O3) a été choisi car il présente un grand gap, des propriétés d’isolant et de semi-conducteur avec dopage. Cependant les films de Ga2O3 dopés avec Ti, Sn, Zn et Mg élaborés par MOCVD n’ont pas révélé de conductivité. Les films d’alliages (Ga,Sn)2O3 n’ont pas non plus montré de conductivité et leur structure est étudiée intensivement. Des traitements plasma radiofréquence sous flux d’argon, d’oxygène ou d’hydrogène ont permis de montrer que l’implantation de l’hydrogène donne lieu à un niveau donneur avec une énergie d’activation de 7 meV. La conductivité est toutefois modulée par le dopage en Sn et les traitements s’accompagnent d’un changement de la sous-stœchiométrie en oxygène qui diminue la transparence à cause de la formation de niveau profond de lacune d’oxygène. La structure finale de la grille transparente dans l’ultraviolet pour l’observation de la photoluminescence du ZnO peut donc être élaborée par une grille diélectrique de -Ga2O3 puis une électrode conductrice transparente de (Ga,Sn)2O3 traitée superficiellement par un plasma d’hydrogène. / This manuscript covers the design of a field transistor for the observation of photoluminescence of the exciton and the charged excitonic complex of ZnO under the influence of an electric field. For this, simulations have helped to define the specifications of the transistor structure to block the conductivity in the ZnO channel and applying a strong electric field. The second part concerns the choice of gate material and the surface transparent electrode for the observation of photoluminescence in the channel. The gallium oxide (-Ga2O3) was chosen because it has a large gap, insulating properties and semiconductor properties with doping. However, Ga2O3 films doped with Ti, Sn, Zn and Mg MOCVD did not show conductivity. Films of alloys (Ga,Sn)2O3 have not shown either conductivity and their structure is studied intensively. Radio frequency plasma treatment under a flux of argon, oxygen or hydrogen have shown that implantation of hydrogen gives rise to a donor level with 7 meV activation energy. However, the conductivity is modulated by doping Sn and treatments are accompanied by a change of sub-stoichiometry in oxygen, which reduces the transparency due to the formation of deep level of oxygen vacancy. The final structure of the transparent gate in the ultraviolet for the observation of photoluminescence of ZnO can be prepared by a dielectric gate -Ga2O3 and a transparent conductive electrode of (Ga,Sn)2O3 surface treated by a plasma of hydrogen.

Cette thèse est consacrée à l'étude théorique du transport électronique dans les contacts atomiques magnétiques. L'objectif principal est d'expliquer la magnétorésistance anisotrope géante mesurée expérimentalement dans les jonctions à cassure de fer. Dans ce but, on a développé une méthode de calcul de la conductance des nanostructures magnétiques.<br />Le calcul est effectué en deux étapes. Dans un premier temps, la structure électronique du contact est déterminée de manière autocohérente dans une base d'orbitales atomiques spd à l'aide d'un modèle de liaisons fortes étendu au magnétisme. Les propriétés magnétiques sont décrites à l'échelle atomique par un modèle d'interaction inter-électronique. Deux modèles d'interactions sont comparés : un modèle simple de type Stoner et un modèle plus complet de type Hartree-Fock développé pour reproduire les effets de polarisation orbitale susceptibles d'apparaître au niveau du contact. En effet, dans les nanostructures unidimensionnelles, on observe une levée du blocage du moment orbital qui existe dans les cristaux cubiques en volume. Pour permettre la description de l'anisotropie magnétique du système, on prend aussi en compte le magnétisme non-colinéaire et le couplage spin-orbite.<br />Dans un second temps, les propriétés de transport électroniques du système sont déterminées dans le formalisme de Landauer. Dans cette approche, on considère que le transport est cohérent et élastique. Cette approximation est valide quand étudie un conducteur de taille atomique à basse température sous de faibles tensions. La conductance est alors directement proportionnelle à la probabilité de transmission des électrons à travers le système. Cette transmission est calculée à partir de la fonction de Green du système. <br />Cette méthode de calcul est appliquée à l'étude de la magnétorésistance anisotrope des contacts de fer. Plusieurs géométries de contact, allant du fil monoatomique parfait aux systèmes réalistes, sont comparées. Les résultats révèlent le rôle prépondérant joué par la géométrie et par la polarisation orbitale. Pour que l'anisotropie magnétique soit aussi élevée que dans les expériences, il est nécessaire que l'atome de contact soit dans une configuration de fil monoatomique. Les effets de polarisation orbitale permettent d'expliquer les deux plateaux de conductance mesurés expérimentalement. Ils sont liés à l'existence de deux états magnétiques métastables qui différent par la direction du moment orbital sur l'atome de contact.

Dans cette étude nous utilisons une méthode expérimentale novatrice, la mesure du bruit en 1/f, pour approfondir la compréhension des mécanismes de transport dans les compo-sites polymères conducteurs : polyaniline (PANI) - polyméthacrylate de méthyle (PMMA). Une description précise du dispositif utilisé pour ces mesures est présentée. L'influence de la forme de l'échantillon, de la position des contacts électriques et de la méthode de mesure (2 ou 4 contacts) sur le niveau de bruit enregistré est discutée. Puis nous montrons que les composites PANI-PMMA présentent un bruit en 1/f dont l'amplitude S_R, en fonction de la concentration et de la résistance R, suit les lois d'échelle de la percolation avec des exposants critiques kappa=2.19 et w=1.15. L'influence des défauts est testée par l'introduction intentionnelle de coupure dans le réseau conducteur de PANI. La plus forte sensibilité de S_R, comparée à R, est mise en évidence expérimentalement et par simulation numérique.