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.

Le transistor MOSFET atteint aujourd'hui des dimensions nanométriques pour lesquelles les effets quantiques ne peuvent plus être négligés. Il convient donc de développer des modèles qui, tout en décrivant précisément les phénomènes physiques du transport électronique, rendent compte de l'impact de ces effets sur les performances des transistors nanométriques. Dans ce contexte, ce travail porte sur l'introduction des effets de quantification dans un code Monte-Carlo semi-classique pour la simulation du transport électronique dans les dispositifs MOSFETs. Pour cela, l'utilisation d'un potentiel de correction quantique s'avère judicieuse puisque cette correction s'applique à différentes architectures de transistor sans augmentation considérable du temps de calcul. Tout d'abord, nous évaluons et identifions les limites de la correction par le potentiel effectif usuel. Cette analyse nous conduit à proposer une formulation originale de potentiel effectif s'appuyant sur l'amélioration de la représentation du paquet d'ondes de l'électron. Nous montrons qu'en l'absence de champ électromoteur dans la direction du transport, cette formulation permet une description réaliste des effets de confinement quantique pour des architectures MOSFETs à double ou simple grille, sur substrat SOI et sur silicium massif. Des comparaisons avec des simulations Monte-Carlo semi-classiques mettent en évidence l'impact de ces effets sur le transport électronique dans un transistor MOSFET à double-grille de taille nanométrique. Enfin, notre formulation originale de potentiel de correction quantique est validée par l'obtention de résultats analogues à ceux d'un couplage Monte-Carlo Schrödinger.

Cette thèse a pour objet l'étude du transport électronique dans les nanotubes de carbone grâce à l'utilisation combinée d'un fort champ magnétique (60T) et d'un contrôle électrostatique du dopage électronique. Il s'agit alors de montrer les rôles clés joués par la structure de bande en énergie et par le désordre. Plusieurs types de tubes métalliques de qualité structurale variable ont été étudiés. Selon le rapport entre le libre parcours moyen élastique (le) et la circonférence du nanotube (L), différents régimes apparaissent. Lorsque le

At the beginning of this thesis, basic and advanced device fabrication process which I haveexperienced during study such as top-down and bottom-up approach for the nanoscale devicefabrication technique have been described. Especially, lithography technology has beenfocused because it is base of the modern device fabrication. For the advanced device structure,etching technique has been investigated in detail.The characterization of FET has been introduced. For the practical consideration in theadvanced FET, several parameter extraction techniques have been introduced such as Yfunction,split C-V etc.FinFET is one of promising alternatives against conventional planar devices. Problem ofFinFET is surface roughness. During the fabrication, the etching process induces surfaceroughness on the sidewall surfaces. Surface roughness of channel decreases the effectivemobility by surface roughness scattering. With the low temperature measurement andmobility analysis, drain current through sidewall and top surface was separated. From theseparated currents, effective mobilities were extracted in each temperature conditions. Astemperature lowering, mobility behaviors from the transport on each surface have differenttemperature dependence. Especially, in n-type FinFET, the sidewall mobility has strongerdegradation in high gate electric field compare to top surface. Quantification of surfaceroughness was also compared between sidewall and top surface. Low temperaturemeasurement is nondestructive characterization method. Therefore this study can be a propersurface roughness measurement technique for the performance optimization of FinFET.As another quasi-1 D nanowire structure device, 3D stacked SiGe nanowire has beenintroduced. Important of strain engineering has been known for the effective mobility booster.The limitation of dopant diffusion by strain has been shown. Without strain, SiGe nanowireFET showed huge short channel effect. Subthreshold current was bigger than strained SiGechannel. Temperature dependent mobility behavior in short channel unstrained device wascompletely different from the other cases. Impurity scattering was dominant in short channelunstrained SiGe nanowire FET. Thus, it could be concluded that the strain engineering is notnecessary only for the mobility booster but also short channel effect immunity.Junctionless FET is very recently developed device compare to the others. Like as JFET,junctionless FET has volume conduction. Thus, it is less affected by interface states.Junctionless FET also has good short channel effect immunity because off-state ofjunctionless FET is dominated pinch-off of channel depletion. For this, junctionless FETshould have thin body thickness. Therefore, multi gate nanowire structure is proper to makejunctionless FET.Because of the surface area to volume ratio, quasi-1D nanowire structure is good for thesensor application. Nanowire structure has been investigated as a sensor. Using numericalsimulation, generation-recombination noise property was considered in nanowire sensor.Even though the surface area to volume ration is enhanced in the nanowire channel, devicehas sensing limitation by noise. The generation-recombination noise depended on the channelgeometry. As a design tool of nanowire sensor, noise simulation should be carried out toescape from the noise limitation in advance.The basic principles of device simulation have been discussed. Finite difference method andMonte Carlo simulation technique have been introduced for the comprehension of devicesimulation. Practical device simulation data have been shown for examples such as FinFET,strongly disordered 1D channel, OLED and E-paper.

Cette thèse traite des effets inélastiques qui ont lieu au sein des courants électroniques. En utilisant un formalisme dépendant du temps, nous avons obtenu des résultats qui apportent une vision riche en renseignements au sujet du couplage électron-phonon. Nous avons pu comparer cette méthode à une approche indépendante du temps, pour en analyser les avantages et inconvénients. Finalement, une étude de chimie quantique est présentée dans le cadre de la microscopie à effet tunnel (STM). Nous avons étudié la chimisorption d'une molécule de tétrathiafulvalène sur une surface d'or: le calcul du transfert de charge vers la surface, du dipôle induit, puis la simulation d'images STM ont été effectués sur la base de la théorie de la fonctionnelle de la densité.

Le graphène possède un gaz bidimensionnel de porteurs de charge stable et exposé à l'environnement sans aucune protection. Par conséquent, ses performances électriques sont extrêmement sensibles aux conditions environnementales, notamment aux impuretés chargées et aux corrugations imposées par le substrat sous-jacent. Ces éléments ont une contribution majeure dans la dégradation des propriétés de transport électronique du matériau.L'objectif de cette thèse est d'explorer par diverses techniques des méthodes pour atténuer ces effets par optimisation de son environnement direct.La première méthode consiste à reporter le graphènesur une couche neutre d'un cristal de nitrure de bore hexagonal (BN). Diverses techniques de fabrication d'empilement de Graphène sur BN sont présentées, notamment la croissance directe de graphène sur un cristal de BN exfolié sur un substrat catalytique qui aboutit à la formation d'empilements de structure bien contrôlée. Les échantillons sont mesurés à très basse température. Les effets de localisation faible mesurés par magnéto-transport montrent une amélioration nette des performances notamment de la longueur de cohérence et de la mobilité électronique par rapport à un échantillon de référence constitué du même ruban de graphène déposé sur substrat conventionnel de silicium oxydé.La deuxième technique consiste à isoler le graphène de son support par surgravure de la silice et suspension du graphène sous la forme d'une membrane autosupportée et tenue par ses extrémités. Après avoir introduit des techniques de fabrication spécifiques, les mesures de transport et le couplage à des modes de vibration mécanique sont étudiés température variable. Ces données permettent notamment une mesure du coefficient d'expansion thermique du graphène. / Charge carriers in graphene form stable two-dimensional gases which are fully exposed to the environment. As a consequence, the electrical performance of graphene is strongly affected by surface charged impurities as well as topographic perturbations inherited from the underlying substrate.This thesis addresses several methods to circumvent that issue.The first method consists in embedding graphene in an optimized environment by depositing graphene onto some neutral and crystalline material. Novel 2D insulating materials such as hexagonal boron nitride buffer layer (BN) appears as ideal substrates to get rid of detrimental effect of interfacial charges and corrugation. Several fabrication schemes of Graphene/BN stacks are shown including some direct in-situ growth of graphene on BN crystal using an innovative proximity-driven chemical vapour growth based on BN exfoliation on copper. In order to explore the effects of the improved substrate on the transport properties of graphene, we have performed low temperature magneto-transport studies on these stacks. We present a direct comparison of weak localization signals with those acquired on a graphene/silica reference device. A clear increase of the coherence length is shown on Graphene/BN stacks together with improved electronic mobility and charge neutrality.Removing the substrate and suspending graphene is another approach for optimization of the graphene environment which forms the second topic covered in this thesis. After introducing an improved recipe for preserving the quality of graphene throughout an elaborate fabrication process, we probe the room- and low-temperature performance of the nano-electro-mechanical devices based on doubly clamped suspended graphene ribbons. The obtained data are used for characterizing the thermal expansion of CVD graphene.

La structure de bande et les propriétés électroniques des nanofils d’InAs et d’InSb sont étudiées par transport électronique en régime quasi-balistique et sous un champ magnétique montant jusqu’à 55T. Le régime quasi-balistique est mis en évidence par la quantification de la conductance. La structure de bande est sondée par l’analyse des plateaux de conductance en fonction de la concentration électronique. L’application du champ magnétique lève la dégénérescence de spin et la dégénérescence orbitale. Sous champ magnétique perpendiculaire à l’axe du nanofil, les bandes évoluent vers la quantification de Landau, accompagnée d’une réduction de la rétrodiffusion. Des fluctuations quasi-périodiques de la conductance sont mesurées en fonction du champ magnétique parallèle à l’axe du nanofil. Elles révèlent le confinement des porteurs à l’intérieur du nanofil et la formation d’orbites de Landau dans la direction du transport. Le transport électronique cohérent est mis en évidence par l’observation de fluctuations universelles de conductance et du régime de Fabry-Pérot électronique. Enfin, la mesure de photoconductivité révèle la présence de barrières de Schottky au niveau des contacts et une anisotropie en fonction de la direction de polarisation linéaire inattendue pour des nanofils d’InSb de structure cristalline Blende de Zinc. / The subband structure and electronic properties of InAs and InSb nanowires are studied experimentally by measuring the electronic transport in the quasi-ballistic regime and under magnetic field up to 55T.The quasi-ballistic regime is highlighted by the conductance quantization. The band structure is probed by analyzing the conductance plateaus as a function of the gate voltage. The application of a magnetic field lifts the orbital and spin degeneracy. Under a magnetic field perpendicular to the NW axis subbands evolved towards Landau quantization together with backscattering reduction. Fluctuations of the magneto-conductance are observed in function of magnetic field parallel to the nanowire axis. They reveal the carriers confinement within the nanowire and Landau orbits emergence in the transport direction. The coherent electron transport is jointly studied in these systems. It is highlighted by the observation of universal conductance fluctuations and electronic Fabry-Pérot oscillations. Finally the low-temperature photoconductivity measurement reveals the presence of Schottky barriers at the contacts and unexpected anisotropy according to the direction of linear polarization for InSB Zinc Blende nanowires.

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.

Au cours de cette étude, nous avons montré que dans les oxydes de fer type perovskite, les ions sulfates (SO42-) pouvaient être utilisés à escient pour apporter de l'anisotropie cristalline et électronique ou bien au contraire pour casser les mises en ordre à longue distance et provoquer l'isotropie du matériau. Ainsi, ce travail a permis d'isoler les composés bidimensionnels : Sr4Fe2.5-x□xO7.25-(3x/2)(SO4)0.5 (avec x=0, 0.25 et 0.5). Ils peuvent être décrits comme une intercroissance SrO/SrFeO2,5/SrFe0,5-x□xO1,25-(3x/2)(SO4)0,5/SrFeO2,5 et cristallisent dans une maille moyenne quadratique I4/mmm (a=ap et c≈29 Å). Les tétraèdres de sulfates non-pontés se présentent de façon transversale par rapport à c ⃗ pour x=0,5 et longitudinale pour x=0 et 0,25 parce que pontés aux pyramides de fer de la couche partagée. Les atomes de fer des couches non-mixtes SrFeO2,5 se situent eux en coordinence pyramidale pour x=0 et pyramidale et octaédrique pour x=0.5 et x=0.25 afin de respecter la trivalence du fer. Quel que soit x, les composés sont antiferromagnétiques de type G (les spins se situant dans le plan (a,b)). Cependant, pour x=0,5, deux configurations magnétiques sont observées, tandis que les composés x=0 et x=0.25 n'en montrent qu'une seule. Dans le composé Sr4Fe2.5□xO7.25(SO4)0.25(CO3)0.25, l'influence des carbonates (CO32-) se ressent directement sur le paramètre d'empilement, qui est plus petit. Cela n'entraîne cependant aucun changement sensible dans les propriétés physiques. Les composés sont des semi-conducteurs présentant de fortes valeurs de résistivité électronique (de l'ordre de 106Ω.cm) et ne sont pas conducteurs ioniques.La phase ordonnée "15R" SrFe0.6Cr0.4O2.8 se désordonne lorsque l'on substitue 10% du fer par des sulfates (SrFe0.5Cr0.4O2.1(SO4)0.1) et adopte une structure pseudo-cubique. Ses propriétés physiques sont alors bouleversées puisque l'on passe d'un comportement ferromagnétique à antiferromagnétique (TN=800K). Ce composé très lacunaire en oxygène montre des défauts structuraux plus ou moins étendus et un comportement de type semi-conducteur. Aucun phénomène de conduction ionique n'est observé. / In this study, we have shown that in perovskite-type iron oxides, sulfate ions (SO42-) can be used to bring structural and electronic anisotropy, or on the contrary to break long distance ordering and cause the isotropy of the material.Thus, this work made it possible to isolate the two-dimensional compounds: Sr4Fe2.5-x□x07.25-(3x/2)(SO4)0.5 (with x = 0.25 and 0.5). They can be described as an intergrowth SrO/SrFeO2,5/SrFe0,5-x□xO1,25-(3x/2)(SO4)0.5/SrFeO2,5 and crystallize in a quadratic mean cell I4/mmm (a=ap et c≈29 Å). The unbridged sulfates tetrahedra are oriented transversely with respect to c ⃗ for x=0.5 and longitudinal for x=0 and 0.25 because bridged to the iron pyramids of the shared layer. The iron atoms of the non-mixed layers SrFeO2,5 are in pyramidal coordination for x=0 and pyramidal and octahedral coordination for x=0.5 and x=0.25, in order to respect the trivalence of iron. However, for x=0.5, two magnetic configurations are observed whereas the compounds x=0 and x=0.25 show only one. In the compound Sr4Fe2.5□xO7.25(SO4)0.25(CO3)0.25, the influence of the carbonates (CO32-) is directly felt on the stacking parameter, which is smaller. The compounds are semiconductors with high electronic resistivity values (of the order of 106Ω.cm) and are not ionic conductors.The ordered phase "15R" SrFe0.6Cr0.4O2.8 becomes disordered when 10% of the iron is substituted with sulfates (SrFe0.5Cr0.4O2.1(SO4)0.1) and adopts a pseudo-cubic structure. Its physical properties are then modified because we switch from a ferromagnetic to an antiferromagnetic behavior (TN=800K). This oxygen-deficient compound shows more or less large structural defects and a semiconductor behavior. No ionic conduction phenomenon is observed.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre du développement de nouveaux matériaux permettant de se substituer aux métaux pour les applications de transport de l’électricité. L’excellente conductivité électriques des nanotubes de carbone (NTC) ainsi que le fait qu’ils peuvent être assemblés sous forme de fil en font une alternative prometteuse. Cependant, la conductivité électrique des fils en NTC n’est pas encore suffisante pour directement concurrencer les métaux. Ce travail de thèse cherche à identifier et comprendre les points bloquants pour les dépasser et ainsi améliorer la conductivité des fils en NTC. Les nanotubes de carbones sont fabriqués par la technique de Chemical Vapour Deposition sous forme de tapis. Ces tapis dit "filable" permettent d'extraire une nappe de NTC que l’on densifie ensuite pour former un fil. Tous les travaux de la littérature sur ce type de fil rapportent des résistivités supérieures à 1 mΩ.cm. Afin de comprendre cette limite apparente, une étude approfondie du transport électronique de ces fils est présentée en étudiant le comportement de la résistance du matériau entre 3 K et 300 K. Cette analyse met en évidence que le transport dans les fils de NTC est dominé par les contacts entre NTC en dessous de 70 K et qu’il est dominé par le transport intrinsèque des NTC au-dessus de 70 K. L'amélioration de la conductivité des fils en NTC à température ambiante passe par l’amélioration de la conductivité intrinsèque des NTC. Pour ce faire, deux techniques sont présentées dans ce travail, l’amélioration de la qualité structurale des NTC obtenue par un recuit à plus de 2000 °C et le dopage. L'amélioration linéaire de la conductivité du fil de NTC avec la qualité structurale des NTC nous a permis d’atteindre un record de résistivité à 0.76 mΩ.cm. Le dopant présenté dans ce travail (PtCl4) est pour la première fois utilisé pour des fils en NTC. Ce dopant possède une excellente efficacité (résistivité diminuées par 3) et une très grande stabilité dans le temps. L’amélioration de la qualité structurale des NTC augmente fortement l’efficacité de dopage. La qualité structurale est indispensable pour atteindre d’excellentes conductivités électriques. Un schéma récapitule l’influence des différents paramètres expérimentaux sur le transport électronique des fils en NTC. Enfin, l’étude du transport électronique dans les matériaux en NTC a permis de développer un nouveau modèle de transport s’ajustant à la fois à nos travaux ainsi qu’à tous ceux de la littérature. Ce modèle consiste en deux résistances en série. La première résistance décrit le transport dans les matériaux en NTC en dessous de 70 K et est très bien décrite par la théorie d’un Liquide de Luttinger. La deuxième résistance dépend à la fois du transport intrinsèque des parois métalliques et semi-conductrices des NTC ainsi que de l’arrangement des NTC entre eux (faisceaux ou individualisés). Ce modèle permet de tirer les informations intrinsèques aux fils comme la façon dont les électrons sont injectés dans les NTC, l’influence des NTC semi-conducteurs par rapport aux métalliques et les libres parcours moyen des électrons dans la structure. L’ensemble de ces résultats indique que les paramètres indispensables pour obtenir des fils très conducteurs sont pour des NTC: d’une excellente qualité structurale, fabriqué sous forme individualisée et avec une forte proportion de parois métalliques. / The overall framework of this PhD. work is to develop new materials to replace metals in electrical wiring. Carbon nanotubes (CNT) are a good alternative as they show a high electrical conductivity as well as they can be assembled into yarns. However, CNT yarns have not yet reached the electrical conductivity of individual CNTs preventing them from competing with metals. The aim of this work is to identify the factors limiting the CNT yarn conductivity, increase the CNT yarn conductivity and model their electrical transport. In this work, carbon nanotubes are grown in array by Chemical Vapour Deposition. Our CNT arrays are spinnable meaning that, CNT webs can be drawn from it and then densified into yarns. All the published works on this type of CNT yarns reveal that their resistivities are limited above 1 mΩ.cm. In order to understand this apparent limitation, we present an extensive study of the CNT yarn electrical transport by measuring the yarn resistance behavior from 3 K to 300 K. We show that the CNT yarn electrical transport is dominated by the contact resistance between CNTs below 70 K and by the intrinsic CNT resistance above. In order to improve the CNT yarn electrical conductivity at room temperature, it is essential to improve the intrinsic CNT conductivity. Two ways are investigated, the first one is to increase the CNT structural quality by annealing above 2000 °C, and the second one is doping. Annealing treatment drastically improves the CNT structural quality, revealing that the CNT yarn resistivity linearly decreases with the CNT quality improvement. This treatment allows reaching a resistivity record of 0.76 mΩ.cm for undoped yarn made from CNT array. In addition, we present a new dopant for CNT yarn (PtCl4) that shows both high doping efficiency (CNT resistivity decreased by almost a factor of 3) and a very long term stability. By combining successively annealing and doping treatments, we found out that the doping efficiency is drastically increased by the CNT structural quality improvement. From all our experimental studies and the literature data analysis, we present a scheme showing the influence of many parameters on the CNT yarn electrical transport. After bringing to light that existing electrical transport models do not correctly explain the CNT yarn electrical transport, we developed a new model that perfectly fits both our data and those of the literature. Our model consists in two resistances in series. The first resistance represents the CNT material electrical transport below 70 K and is very well explained by the Luttinger Liquid theory. The second resistance depends on both the intrinsic CNT wall electrical transport (metallic or semi-conducting) and the CNT arrangement (bundled or individualized). Our model allows extracting CNT yarn physical parameters such as the way electrons tunnel from one CNT to another, the role of semi-conducting walls versus metallic ones and the electron mean free paths in the structure. All these results highlight that the main ways to make CNT yarns with high electrical conductivities involve individualized CNTs, with an excellent structural quality and also a high metallic CNT wall content.