La structure électronique, le spectre de phonons et les effets du couplage électron-phonon (e-p) sur les propriétés de transport de nanofils de Si (SiNW) ont été étudiés systématiquement sur la base de calculs en liaisons fortes et en champ de forces de valence. La structure électronique des nanofils dépend de leur orientation et de leur diamètre, changeant d’une bande interdite directe à indirecte. La largeur de bande interdite décroît et tend vers celle du Si massif quand le diamètre croît. Les spectres de phonons dépendent également de l’orientation et du diamètre. Ils présentent quatre modes acoustiques ce qui est typique des systèmes unidimensionnels. La mobilité et le temps de vie des électrons dans des nanofils orientés [110] ont été calculés. Les calculs confirment qu’à température ambiante les propriétés de transport dans les SiNWs dépendent fortement de la diffusion par les phonons, impliquant à la fois des modes acoustiques et optiques tous dérivant des modes acoustiques du Si massif. La mobilité augmente et tend vers celle du massif quand le diamètre augmente, et elle décroît quand la température passe de 77K à 300K. La relation entre la mobilité et la densité de porteurs est plus complexe. Pour des densités inférieures à 10 19 cm-3, la mobilité est pratiquement constante car elle ne dépend pas de la position du niveau de Fermi. Pour des densités supérieures, la mobilité dépend très fortement de la densité de porteurs car le niveau de Fermi est suffisamment haut pour croiser le minimum de bande de conduction et le transport multi-bandes devient important. Un autre travail entrepris dans la thèse a concerné la modélisation en liaisons fortes et en fonctions de Green hors équilibre du transport balistique dans des hétérojonctions de nanotubes de carbone (n1,m1)/(n2,m2)/(n1,m1). La conductance des jonctions semiconductrices décroît exponentiellement quand la longueur du nanotube (n2,m2) augmente. Cependant la conductance de (12,0)/(9,0)/(12,0) augmente avec la longueur du nanotube (9,0). Cet accroissement anormal de la conductance est expliqué par l’évolution du potentiel. De plus, la relation entre la conductance et la symétrie de rotation dans les jonctions métalliques est étudiée. Un comportement universel de conductance est démontré et est interprété par la différence de phase des électrons qui traversent deux interfaces de la jonction. Finalement, la conductance balistique de multi-jonctions est étudiée et la possibilité de réaliser des composants basés uniquement sur des nanotubes de carbone est proposée. / In this thesis, the electronic structure, the phonon spectrum, and the electron-phonon (e-p) coupling effect in transport properties of Silicon Nanowires (SiNW) have been studied systematically based on Tight-Binding (TB) model and Valence-Force-Field (VFF) model. The electronic structure of SiNW is strongly dependent on the orientation and the diameter, even changing from direct gap to indirect gap, and the gap of SiNWs decreases and tends to the bulk value as the diameter increases. The phonon spectra are also dependent on the orientation and the diameter. It’s a character of nanowires that there are four acoustic phonon modes. Based on the calculation of both low field mobility and lifetime of electrons in SiNWs along [110], it’s confirmed that at room temperature the transport of carriers in SiNWs strongly depends on the phonon scattering, involving both optical phonons and acoustic phonons. The mobility increases and tends to the bulk value when the diameter increases. The mobility decreases in power law when the temperature increases from 77K to 300K. The relationship between the mobility and the density of carrier is more complicated. For low density of carrier (<10 19/cm3), the mobility is almost constant because it is approximately independent on the Fermi level at low concentration. For higher concentration, the mobility is strongly dependent on the density of carrier because the Fermi level is high enough to cross the conduction band edge (CBE) and multi-band transport becomes important. In a second study undertaken in this thesis, TB model and Nonequilibrium Green's Function (NEGF) are used to calculate the ballistic transport properties of carbon nanotube (CNT) heterojunctions (n1,m1)/(n2,m2)/(n1,m1). The conductance of semiconducting junctions decreases exponentially when the length of the middle CNT (n2,m2) increases. However, the conductance of (12,0)/(9,0)/(12,0) increases when the length of the CNT (9,0) increases. This anomalous increase of conductance is explained and reproduced very well by an exponentially dropped potential. Furthermore, the relationship between the conductance and the rotation symmetry in metallic jonctions is studied. The conductance spectra change periodically, and there are three different spectra at most for a special type of jonction. This universal behavior of conductance can be well understood by the phase difference of electrons, which travel through two interfaces of a junction. Finally, the ballistic conductance of multi-Iead junctions is studied and the possibility of making pure CNT electronic device is revealed.

Pour augmenter la résolution globale des détecteurs à très basse température, aujourd'hui couramment utilisés dans de nombreux champs de la physique des particules et de l'univers, les expériences à venir ne pourront faire l'économie du développement d'une cryo-électronique performante, à la fois moins bruyante et plus proche du détecteur. Dans ce contexte, ce travail s'intéresse aux possibilités offertes par les gaz d'électrons bidimensionnels (2DEG) GaAlAs/GaAs à travers l'étude expérimentale de deux composants distincts : les QPC (Quantum Point Contact) et les HEMT (High Electron Mobility Transistor). En s'appuyant sur la quantification de la conductance dans les QPC, phénomène issu de la physique mésoscopique, un transistor balistique quantique fonctionnant à 4.2 K a été réalisé. Le transport électronique à travers les bandes 1D permet d'obtenir un gain en tension supérieur à 1 avec une puissance dissipée d'environ 1 nW. En raison de leur très faible capacité d'entrée, ces dispositifs constituent également des candidats idéaux pour multiplexer des matrices de bolomètres haute impédance (collaboration DCMB). Les HEMT présentent des performances compatibles avec une utilisation à basse température, ayant une puissance dissipée de ~ 100 µW et un gain supérieur à 20. Le faible bruit en tension équivalent en entrée (1.2 nV/Hz1/2 à 1 kHz et 0.13 nV/Hz1/2 à 100 kHz) ouvre la voie à leur utilisation dans la lecture de détecteur de forte impédance. Conformément à la loi de Hooge, ces performances sont obtenues au détriment d'une capacité d'entrée élevée estimée à environ 60 pF.

Dans cette thèse nous avons réalisé une étude théorique concernant les mécanismes de formation et les propriétés de transport électronique de fils de section atomique d’Au et de Pt.Pour cela, nous avons utilisé un Hamiltonien de Liaisons Fortes donnant accès aux propriétés électroniques et à l’énergie totale. Lors de nos simulations de traction de nanofils cristallins en Dynamique Moléculaire nous avons observé la formation de structures assimilables `a des nanotubes dont la chiralité évolue au cours de la déformation. En poursuivant la traction, nous avons observé la formation de structures planes (ou rubans) dans le cas de l’Au et du Pt. Ces rubans permettent de former des fils de section atomique pour l’Au mais pas pour le Pt, la différence étant liée aux propriétés mécaniques des éléments. Les calculs réalisés sur les propriétés de transport ont mis en évidence des effets d’interférence destructive induits par la géométrie du système. / In this thesis we study the formation mechanisms and the electronic transport propertiesof Au and Pt atomic wires. We have used a Tight Binding Hamiltonian giving access to theelectronic structure and to the total energy. By performing traction simulations of cristallinenanowires by Molecular Dynamics we observe the formation of structures similar to nanotubeswhose chirality evolve during the deformation. Following the traction process we observe theformation of planar structures (or ribbons) for both Au and Pt. These ribbons give rise to theformation of wires of atomic section for Au but not for Pt, the different behavior is related withthe different elastic properties of the two elements. Our preliminary results on the electronictransport properties show interference effects induced by the geometry which can cancel out theconductance.

De manière ultime, l'électronique moléculaire aspire à utiliser une molécule unique comme partie active d'un composant. Une telle réalisation fusionnerait l'énorme potentiel de la chimie aux technologies les plus avancées des nanosciences. Cependant, les propriétés de transport électronique d'une seule molécule restent, aujourd'hui, l'enjeu de débats animés qui s'appuient sur des calculs et sur de trop rares expériences. Les expériences sont, en effet, difficiles car elles nécessitent de pouvoir fabriquer des électrodes de contact dont l'écartement correspond à la taille de la molécule. Notre travail contribue au développement de telles techniques instrumentales dont l'intérêt dépasse celui de l'électronique moléculaire et englobe, plus généralement, le transport électronique à l'échelle nanométrique. Dans la première partie, nous décrivons d'abord la technique. Elle fait appel à un microscope à effet tunnel modifié pour fabriquer des électrodes nanométriques (technique des jonctions brisées). Cette approche combine en fait deux domaines de recherche qui sont d'une part, les mesures de conductance moléculaire et, d'autre part, les contacts atomiques ponctuels. Plus précisément, la physique de la formation et du transport d'électrons dans ces derniers est particulièrement étudiée. Après avoir décrit l'instrumentation développée, nous présentons donc des résultats à la fois sur des contacts atomiques ponctuels (jonction Au-Au) et sur des contacts moléculaires (jonction Au-molécule-Au). Notamment, la quantification de la conductance et le transport balistique sont mis en évidence. Cela montre que la présence d'une seule molécule peut être décelée électriquement. Nous soulignons qu'en dépit des énormes progrès apportés par cette technique à la détermination de la conductance d'une molécule, la disparité des résultats expérimentaux reportés reste importante. Nous clôturons la première partie en insistant sur l'impérieuse nécessité d'études statistiques rigoureuses à partir des nombreuses données expérimentales. Nous effectuons ce travail pour les jonctions Au-Au. Dans la seconde partie nous développons des outils d'analyse statistique. Ils permettent d'extraire de chaque mesure de conductance d'une nanojonction d'Au les paramètres indispensables à leur étude (le temps de vie par exemple). La statistique de ces paramètres sur des dizaines de milliers de mesures dans différentes conditions expérimentales est discutée et, outre les aspects de transport, donne des informations sur la mécanique de ces nanosystèmes (i.e. sur des mécanismes de rupture de la nanojonction). Les outils développés permettent d'observer des effets fins. Il est montré qu'une petite fraction des électrons échappe au transport balistique. Enfin, nous montrons l'existence de fluctuations bistables et discutons de leur effet sur le transport balistique et de leur rapport avec les mouvements atomiques.

Les expériences présentées portent sur l'étude du transport de phonons de haute fréquence dans les semiconducteurs, en particulier leur analyse spectrale. Tout d'abord nous avons développé une technique de spectrométrie de phonons basée sur la mesure par temps de vol de la dispersion chromatique des phonons balistiques dans la gamme de centaines de GHz. Des informations précises sur l'interaction électron-phonon dans les semiconducteurs ont été obtenues : dans le germanium, l'absorption résonnante de phonons entre les niveaux singulet et triplet de l'état de base de l'impureté Sb et les règles de sélection sur les polarisations de phonons s'y attachant ont été vérifiées avec précision. La séparation accordable des niveaux d'énergie avec une pression uniaxiale nous a permis de déterminer la composition spectrale des impulsions de phonons transmis. Dans InSb (dégénéré) de type n, nous avons mis en évidence la non-interaction entre modes transverses et électrons de conduction. Dans le cas des modes longitudinaux, l'interaction est caractérisée par une coupure abrupte à haute fréquence lorsque le vecteur d'onde atteint le diamètre de la sphère de Fermi (2kF). Cette coupure, combinée à la détection à seuil de jonctions tunnel supraconductrices a été mise à profit pour réaliser une spectroscopie à 2kF, sans paramètre ajustable, des impulsions de phonons transmises dans le cristal. Des résultats sur la génération de phonons par excitation laser directe sont également présentés.

La réduction des dimensions des transistors MOS, brique de base des circuits intégrés, ne permet plus d'augmenter efficacement leurs performances. Une des solutions envisagées actuellement consiste à remplacer le silicium par d'autres semi-conducteurs à haute mobilité (Ge, III-V) comme matériau de canal.<br />A partir de modèles analytiques originaux, calibrés sur des simulations avancées (quantique, Monte Carlo), cette thèse démontre que, à des dimensions nanométriques, les performances attendues de ces nouvelles technologies sont en fait inférieures à celles des composants silicium conventionnels. En effet, les phénomènes quantiques (confinement, fuites tunnel) pénaliseraient davantage les dispositifs à matériaux de canal alternatifs.

La miniaturisation des composants électroniques qui permet aujourd'hui une intégration à grande échelle a été possible grâce aux innovations des procédés de fabrication. Ces modifications affectent profondément le comportement électrique des transistors MOS lorsque la longueur de grille devient inférieure à 100nm, altérant notre compréhension physique de ce dispositif. Ce travail de thèse se situe dans le domaine de l'étude des performances des transistors fabriqués dans les filières avancées (technologies sub-45nm) et l'analyse de leur réponse électrique. Il propose d'améliorer les méthodologies existantes et apporte de nouvelles techniques d'extraction qui permettent une analyse des paramètres électriques valide dans un environnement industriel, sur des transistors courts. L'utilisation des ces nouvelles techniques permet une compréhension physique plus juste, utile pour prédire les performances des technologies futures.

En spintronique, l’étude des hétérostructures multicouches composées d'une électrode ferromagnétique et d'une couche isolante mince, c'est-à-dire des jonctions tunnel magnétiques (JTM), est particulièrement importante. Le système canonique est le Fe/MgO/Fe où les hautes valeurs du rapport de la magnétoresistance tunnel (TMR) ont été mesurées. Le facteur crucial définissant la performance de la jonction est l’imperfection structurelle dans un dispositif réel. Dans notre travail, nous nous sommes concentrés sur des lacunes d'oxygène dans MgO. Au moyen de la théorie de la fonctionnelle de densité, nous avons étudié les propriétés électroniques de l'état fondamental des lacunes d'oxygène simples et doubles dans MgO massif, appelées respectivement centres F et M. Nous avons ensuite étudié l'impact de ces lacunes sur le transport balistique dans les jonctions magnétiques. Nous avons démontré le rôle supérieur joué par les centres M et nous avons prouvé qu'un transport cohérent, préservant le spin et la symétrie des électrons, est possible en présence de centres M. / In sprintronics, the study of multilayer heterostructures composed of a ferromagnetic electrodes and a thin insulating layer, i.e. magnetic tunnel junctions (MTJs), is of special importance. The canonical systems are MTJs made of Fe/MgO/Fe where hight tunneling mangetoresistance ratio (TMR) values were measured. The crucial factor defining the junction performance is the structural imperfection appearing in a real devices. In our work we focused in particular on oxygen vacancies in MgO. By means of density functional theory we studied ground state electronic properties of single and double oxygen vacancies, referred as F and M centers, respectively, in bulk MgO. We then switched to full junctions where we investigated the impact of vacancies on the ballistic transport. We demonstrated that M centers played a superior role and proved that coherent transport, preserving electrons spin and symmetry, is possible in presence of paired vacancies.

L'objectif de cette thèse est de développer des méthodes théoriques et numériques pour calculer la diffusion d'ondes de spin et leur transport balistique à travers deux types de nanomatériaux magnétiques désordonnés de terres rares - métaux de transition, à savoir le cobalt-gadolinium et le fer-gadolinium, comme éléments constitutifs des systèmes de nanojunctions. La modélisation développée dans ce travail décrit proprement les conséquences du désordre caractéristique de ces systèmes, à savoir de type alliage et celui de type structurel. Les méthodes théoriques et numériques développées servent en particulier à explorer les attributs de ces nanojonctions comme des filtres et des éléments de transmission assistée par résonance dans des dispositifs magnoniques. La thèse développe une version dynamique et non-locale pour l'approximation du potentiel (DNLCPA) afin d'étudier la dynamique de spin des systèmes ultraminces magnétiques désordonnés Fe-Gd et Co-Gd. Les potentiels aléatoires dynamiques de diffusion sont dérivés d'une manière inédite, exploitant les propriétés de phase des excitations de spin élémentaires dans le cadre du formalisme de Dyson. La méthode théorique est ensuite développée en deux manières fondamentales différentes, pour l'appliquer convenablement aux nano systèmes désordonnés qui présentent les types de désordre alliage et structurel. L'approche DNLCPA est ensuite conjuguée avec la théorie de raccordement de phase des champs (PFMT) pour étudier le transport balistique d'ondes de spin à travers les nanojonctions Co-Gd et Fe-Gd entre des gUides d'ondes de Co et Fe respectivement. L'approche PFMT-DNLCPA donne pour la première fois une modélisation des propriétés de diffusion et de transport d'ondes de spin incidents sur les nanojonctions, elle réussit à démontrer, modéliser et à quantifier la perte d'énergie en diffusion balistique due à chaque type de désordre. / The aim of this thesis is to develop theoretical and numerical methods to analyze the ballistic spin waves scattering and transport across two types of rare earth - transition metals disordered magnetic nanomaterials, namely the cobalt-gadolinium and the iron-gadolinium types, as building blocks for nanojunction systems. The theoretical computations developed in this work account properly for the consequences of the characteristic disorder present in these systems, whether alloy disorder for the former or structural amorphous-like disorder for the latter. The developed methods serve, in particular, to explore the attributes of these nanojunctions as filters and elements for resonance assisted transmission in a magnonic device. The thesis develops a novel and dynamic non-local version of the coherent potential approximation (DNLCPA), to study the spin dynamics on disordered ultrathin Co-Gd and Fe-Gd magnetic systems. The dynamic random scattering potentials are derived in a completely novel approach, exploiting the phase properties of the elementary spin excitations within the Dyson formalism. This approach is then developed in two different fundamental manners, and applied appropriately for the disordered nanosystems presenting alloy and structural disorder. The DNLCPA approach is incorporated with the phase field matching theory (PFMT) to study the spin waves ballistic transport across the Co-Gd and the Fe-Gd nanojunctions, sandwiched between Co and Fe leads respectively. This PFMT-DNLCPA method yields for the first time the description of the scattering and transport properties for the spin waves incident on the nanojunctions. Furthermore, our computations successfully demonstrate, model and quantify the diffusive energy loss in ballistic scattering due to each type of disorder.

Pour augmenter les performances des MOSFET, il est indispensable de comprendre les différents phénomènes physiques qui dégradent la mobilité apparente des électrons et trous traversant le canal et qui limitent l’amélioration obtenue par réduction de sa longueur. Pour cela, une étude précise du transport par des simulations Monte-Carlo a été effectuée. Cette méthode de simulation semi-classique permet de résoudre l’équation de transport de Boltzmann en prenant en compte à la fois le régime quasi-balistique, les interactions avec les phonons, les impuretés ionisées, la rugosité de surface, et le confinement quantique, par génération aléatoire des électrons et de leurs interactions, décrites selon les lois de la mécanique quantique.Un modèle simple de mobilité a alors pu être établi et validé par les simulations. Il est basé sur trois paramètres importants : la mobilité à canal long, la résistance d’accès et la résistance balistique. Ce modèle de mobilité s’est avéré compatible avec des résultats expérimentaux, ce qui suggère que la résistance d’accès est déterminante dans la réduction de mobilité apparente.Par ailleurs, la contribution du transport balistique dans la mobilité a été calculée en tenant compte précisément du confinement quantique et des fonctions de distribution des différentes sous-bandes, ce qui a ainsi permis d’améliorer le modèle de mobilité apparente de Shur qui sous-estime (d’environ 50 Ω.µm) la résistance balistique. Cette résistance balistique est inférieure à la résistance d’accès mais elle pourrait avoir une incidence sur les dispositifs ultimes. / To improve the MOSFET performances, it is necessary to understand the physical phenomena contributing to the apparent mobility of electrons and holes crossing the channel, and limiting the improvement obtained by reducing the channel length. Therefore, a precise study of transport using Monte Carlo simulations was performed. This semi-classical simulation method allows for solving the Boltzmann transport equation, taking into account the quasi-ballistic regime, phonon and Coulomb scattering, surface roughness, as well as the quantum confinement, by randomly generating electrons and their scattering events described by the laws of quantum mechanics.A simple mobility model has been established and validated by the simulations. It is based upon three important parameters: the long channel mobility, the access resistance, and ballistic resistance. This mobility model proved compatible with experimental results, suggesting that the access resistance is determining in the apparent mobility reduction.By the way, the ballistic transport contribution in the mobility was calculated by taking into account the quantum confinement accurately and the distribution functions of the different subbands, allowing for an improvement of Shur’s apparent mobility model, which underestimates (of about 50 Ω.µm) the ballistic resistance. The latter is lower than the access resistance but it could have an incidence on the ultimate devices.Keywords: MOSFET, FDSOI, mobility degradation, analytical model, contact resistance, ballistic, multi-subband Monte Carlo, simulation.