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.

Dans le cadre d'une étude sur les dispositifs à nanocristaux (NC) de silicium, tels que les mémoires flash à nanocristaux et le transistor à un électron, ce travail de thèse a pour objectif de modéliser avec précision le transport d'électrons par effet tunnel entre deux nanocristaux ; cela impose de tenir compte de l'élargissement des niveaux d'énergie électronique dans les NC induit par le couplage entre les électrons et les phonons. Les modes de vibration des NC de silicium de tailles variables ont dans un premier temps été calculés en utilisant l'Adiabatic Bond Charge Model (ABCM). Les résultats obtenus présentent une très bonne concordance avec les spectres Raman expérimentaux. Les densités d'états (DOS) des nanocristaux de grande taille ont été comparées avec la DOS du silicium massif. Il apparaît que les DOS sont globalement très proches, excepté dans des gammes de fréquences spécifiques où des modes de surface, inexistants dans le cristal massif, ont été identifiés. L'interaction électron-phonon a alors été prise en compte par un calcul de fonctions spectrales. Les fréquences d'interaction électron-phonon obtenues sont très grandes par rapport aux fréquences de transfert tunnel : l'interaction avec les phonons suffit donc à garantir un transport séquentiel. Le transfert tunnel d'un nanocristal à l'autre a été modélisé grâce à ces fonctions spectrales. Le courant à travers un dispositif comprenant deux nanocristaux a été calculé. L'étude de l'influence des différents paramètres sur ce courant à travers le dispositif montre une évolution conforme aux résultats attendus.

La prédiction et l'observation de très forts taux de magnétorésistance tunnel (TMR) dans des jonctions tunnel magnétiques à base de MgO a ouvert de nouvelles perspectives d'applications dans le domaine de l'électronique de spin. Ces forts taux de TMR ne peuvent s'expliquer qu'en prenant en compte la structure cristalline des électrodes et le filtrage de la barrière tunnel dépendant des symétries. <br />Un dispositif original de mesures de transport sous champ magnétique d'objets de taille nanométrique a été développé au cours de cette thèse. Il associe une électronique d'acquisition rapide et un Microscope à Force Atomique (AFM) muni d'une pointe métallique. Ce dispositif très versatile permet de contacter électriquement et d'étudier de différents types de nano-objets sans étapes compliquées de nanofabrication. <br />Ce dispositif a été utilisé pour étudier l'influence des interfaces sur le transport dans des jonctions tunnel Fe/MgO/Fe (100) cristallines obtenues par épitaxie. Deux états résonants d'interface (IRS) ont été observés pour la première fois dans ce système à 0.2eV et 1.1eV au dessus du niveau de Fermi pour les électrons minoritaires. Ces IRS modifient fortement le transport tunnel et le dominent autour de 1V avec une inversion de la TMR dynamique. Une étude en fonction de l'épaisseur de MgO a permis de trouver la symétrie dominant le transport de ces IRS.

Cette These experimentale examine le transport par effet tunnel entre deux couches ferromagnetiques separees par une barriere isolante ultrafine. L'enjeu de ces travaux est de rapprocher la comprehension theorique, basee sur des systemes ideaux, de la realite experimentale domin´ee par des jonctions comprenant une barriere amorphe. Au moyen de jonctions partiellement ou entierement epitaxiees integrant le materiau La0:7Sr0:3MnO3 dont nous avons confirme la polarisation de spin tunnel quasi-totale, l'influence de la structure electronique de materiaux isolants tels que SrTiO3, Ce0:69La0:31O1:845, TiO2, MgO (epitaxies) et Al2O3 (amorphe) sur le magnetotransport tunnel est mise en evidence. La theorie soutendant ces resultats est testee au moyen de mesures XMCD effectuees sur des barrieres de Al2O3 et MgO. La demi-metallicite de La0:7Sr0:3MnO3 est ensuite utilisee dans des jonctions La0:7Sr0:3MnO3 /SrTiO3 /La0:7Sr0:3MnO3 et La0:7Sr0:3MnO3 /SrTiO3 /Co afin d'affirmer quantitativement le caractere spectroscopique du transport tunnel polarise en spin entre electrodes ferromagnetiques. Ces etudes en tension montrent l'influence de la generation d'ondes de spin lors du transport tunnel sur l'ordre ferromagnetique de l'interface manganate/ isolant proche de sa temperature de transition metal-isolant. Enfin, nous utilisons l'electromigration aux interfaces afin de modifier la densite d'etats et le profil de potentiel des interfaces. Nous montrons comment il est possible de r´ealiser un dispositif aux proprietes de magnetotransport bistables; et nous examinons dans le regime tunnel Fowler-Nordheim les repercussions de ces modifications sur la formation d'etats quantifies au sein de la barriere, et l'evolution du couplage d'echange indirect entre les electrodes ferromagnetiques.

Cette thèse s'inscrit dans la thématique de l'électronique de spin à base de semiconducteurs. L'intégration de matériaux magnétiques dans des structures semiconductrices représentent actuellement un axe de recherche en plein essor qui amènera probablement une nouvelle génération de composants électroniques où seront associés deux degrés de liberté : la charge et le spin des porteurs. La finalité de ce travail est la détection électrique d'une injection de spins dans un puits de GaAs. Pour cela nous avons préalablement étudié des couches minces du semiconducteur ferromagnétique GaAs substitué Mn et des jonctions tunnel magnétiques GaMnAs/AlAs/GaMnAs. L'étude des couches minces de GaMnAs a permis de mettre en évidence la corrélation entre les propriétés magnétiques et électroniques et les jonctions tunnel ont permis de quantifier la polarisation en spin des porteurs du GaMnAs. Nous avons ensuite élaboré des structures où deux électrodes de GaMnAs sont séparées par un puits quantique AlAs/GaAs/AlAs. La première électrode permet de polariser les porteurs et la seconde d'analyser le courant polarisé en spin injecté dans le puits. La magnétorésistance (MR) dans ces structures est attribuée à un transport tunnel séquentiel avec accumulation de spins dans le puits de GaAs. La forte MR obtenue (40%) est la signature de la conservation du spin dans le puits et traduit ainsi que le temps de vie du spin des trous est supérieur au temps de séjour des trous dans ce puits. Les études de la MR en fonction de ces deux temps caractéristiques ont permis d'établir les conditions nécessaires afin de détecter une injection de spins dans un puits quantique semiconducteur. Ces expériences entièrement électriques nous ont aussi permis d'estimer le temps de vie du spin des trous dans ces puits de GaAs à la centaine de picosecondes à 4.2K.

L'effet tunnel dépendant du spin dans une structure métal ferromagnétique/isolant/métal ferromagnétique, composant une jonction tunnel magnétique, connaît ces dernières années un regain d'intérêt avec sa mise en évidence à température ambiante et avec ses multiples applications potentielles pour l'élaboration de nouveaux dispositifs micro-électroniques (mémoires non-volatiles, capteurs magnéto-résistifs, etc). Dans une jonction tunnel magnétique la transmission par effet tunnel des électrons, polarisés par les électrodes magnétiques, dépend de l'orientation relative des aimantations des électrodes et des caractéristiques de la barrière isolante. La résistance d'une jonction tunnel magnétique varie de plus de 20% en modifiant de manière sélective l'orientation de l'aimantation d'une électrode par rapport à l'autre, en appliquant un champ. Pour cela, une architecture appelée douce-dure est utilisée. Elle repose sur l'association d'une couche magnétique dure et d'une couche magnétique douce comme électrodes magnétiques de la jonction tunnel. Un aspect novateur de ce travail de thèse repose sur l'utilisation d'un système antiferromagnétique artificiel comme système magnétique dur. Ce système, constitué de deux couches magnétiques (Co et/ou CoFe) d'épaisseurs différentes, ayant leurs aimantations arrangées antiparallèles par couplage à travers une couche non magnétique (Ru), permet d'obtenir une grande rigidité magnétique, ajustable, avec une grande stabilité thermique (>300°C). Ce travail de thèse nous a amené à élaborer des jonctions tunnel magnétiques de taille micronique et à étudier la corrélation entre leurs propriétés magnétiques et leurs propriétés de transport polarisé en spin à des échelles macroscopiques et microscopiques. Il s'est avéré que, grâce à la sensibilité extrême du transport par effet tunnel polarisé en spin aux fluctuations de l'aimantation aux interfaces métal ferromagnétique/isolant, les jonctions magnétorésistives sont des systèmes idéaux pour étudier sélectivement l'évolution de la structure en domaines des couches ferromagnétiques en contact avec la couche isolante en fonction du champ magnétique appliqué.

Le contenu de ce rapport vise à résumer l'ensemble des activités de recherche que j'ai menées durant ces dernières 10 années ainsi que les perspectives et les projets pour les années à venir. Le dossier se scinde en plusieurs parties. La première partie de mon rapport expose mes travaux scientifiques effectués. Leur contenu s'intègre dans le cadre de l'électronique de spin et repose essentiellement sur l'étude du magnétisme et du transport polarisé en spin dans des systèmes de jonctions tunnel magnétiques. Ce travail m'a amené à élaborer des systèmes type jonctions tunnel magnétiques et à étudier la corrélation entre leurs propriétés magnétiques et leurs propriétés de transport polarisé en spin à des échelles macroscopiques et microscopiques. Les travaux sur les JTMs epitaxiees ont démontré qu'une physique au-delà du modèle des électrons libres gouverne le transport électronique dans les systèmes cristallins. La mise en évidence directe de la corrélation entre la structure électronique et chimique de l'interface métal oxyde et le transport tunnel polarisé en spin montre un fort potentiel pour le contrôle des caractéristiques magnéto-électriques de dispositifs spintroniques. Les études actuelles sur les effets de cohérence électronique dans des structures epitaxiees à multiples barrières tunnel et le contrôle de propriétés magnétiques par des courants de spin hors-équilibre ouvrent la voie vers une nouvelle physique et de nouvelles applications. D'une part, la complexité des mécanismes de transport dans les systèmes épitaxies a généré un important investissement personnel dans les techniques de calcul de structure électronique ab-initio ainsi que dans la création des outils de modélisation des propriétés magnétiques et de transport tunnel. D'autre part, du point de vue expérimental, l'ensemble des techniques que j'ai utilise regroupe l' épitaxie par jets moléculaires et la pulvérisation cathodique en ce qui concerne l' élaboration des échantillons, ainsi que des méthodes de caractérisation in situ (diffraction d' électrons RHEED, spectroscopie Auger) ou ex-situ (AFM pour la structure, MFM pour le micro magnétisme, VSM et e et Kerr pour le magnétisme macroscopique, et des diverses techniques de mesure électriques sous champ pour le magneto-transport). Une deuxième partie du rapport résume des résultats récents obtenus sur des systèmes tunnel complexes. Une autre partie du rapport résumé mes objectifs et projets de recherche pour les années à venir. Ils consistent a poursuivre les études de magnétisme et transport polarise en spin dans des hétéro-structures complexes de faible dimensionnalité avec un accent tout particulier vers le développement d'un axe théorique orienté vers la modélisation du transport électronique par des techniques type ab-initio. Dans un rapport annexe , je présente mon Curriculum Vitae, ma production scientifique, et un résumé des activités que j'ai effectuées dans l'enseignement, l'administration de la recherche, la participation a des contrats et des responsabilités collectives.

Les fluctuations de point zéro de la charge sur la capacité d'une jonction tunnel connectée à un circuit de polarisation sont, dans quasiment toutes les situations expérimentales, supérieures à la charge de l'électron. De ce fait, les effets de la granularité de l'électricité sont masqués, sauf dans les circuits qui contiennent une «île», électrode connectée au reste du circuit seulement par des jonctions tunnel et des capacités. La charge de l'île étant quantifiée, ses fluctuations sont bloquées. Si la capacité de l'île est suffisamment petite et la température suffisamment basse, aucun électron ne peut pénétrer sur l'île par effet tunnel à cause de l'accroissement d'énergie électrostatique que cela entraînerait. Nous avons observé cet effet, appelé «blocage de Coulomb», dans la «boîte à électrons», où une île est délimitée par une jonction tunnel et une capacité. Une source de tension couplée à l'île à travers la capacité permet d'y contrôler le nombre d'électrons. Nous avons conçu et fait fonctionner deux dispositifs à jonctions tunnel nanométriques basés sur ce principe, le «tourniquet» et la «pompe», à travers lesquels le courant est contrôlé électron par électron. Dans nos expériences, la précision du transfert est de l'ordre du pourcent. Elle devrait être un million de fois plus grande dans des versions de ces dispositifs comportant plus de jonctions. On pourrait alors les utiliser pour une nouvelle mesure de la constante de structure fine alpha.

Baigiamajame magistro darbe aptariama oro srauto greičio netolygumo aerodinaminiame vamzdyje problema ir aktualumas. Išanalizuota būdinga mokslinė literatūra ir aprašyti būdingiausi oro srauto greičio darbinės dalies skerspjūvyje nustatymo metodai. Naudojant CAD aplinkos programą sumodeliuotas trimatis aerodinaminio vamzdžio modelis ir pritaikius analizės baigtiniais elementais metodą, atliktas oro srauto greičio pasiskirstymo aerodinaminio vamzdžio darbinėje dalyje ir jos viduriniame skespjūvyje tyrimas. Tyrimo rezultatai išanalizuoti ir pateiktos išvados ir siūlymai. / In this master's thesis deals discusses the inadequacy of air flow speed in wind tunnel and the relevance of the problem. Performed analysis of the scientific literature and describe the most typical technique of air flow mesurements in wind tunnel. Using a CAD program modeled three-dimensional wind tunnel model and performed air flow velocity testing in wind tunenel test section and their midle cros area section usig CFD program. The results is evaluated and stated the conclusions and suggestions.

In August 2013 the Norrala tunnel just north of Söderhamn was flooded, which caused a train stuck in thetunnel. In the future the intensity and the amount of rainfall are expected to increase in this area, which canlead to an increased risk of flooding. The purpose of this study was to use GIS to investigate whether it is possible to identify which railroadtunnels that are exposed to flooding during heavy rainfall. In order to investigate this, a GIS analysis wasperformed on the Norrala tunnel. The data used for this study was the National Elevation Model. The result of the study contains maps representing the catchment area for the tunnels and wetness index forthe north and the middle rescue tunnel. The flood analysis shows that the rescue tunnel that was flooded in August 2013 has a catchment area of1,1km², which is 20 times as big as the catchment area for any of the other tunnel entrances. The studyshows that GIS is a great tool for flood mapping. With the chosen method in combination with theNational Elevation Model, it is possible to identify tunnels that are exposed to flooding. The field study that was performed shows that the Swedish property map has flaws concerning hydrology.More than 90% of the water that ended up in the tunnel came from the west side of the highway E4,through a passage for wildlife. After the tunnel, the water was initially directed through a manmade streamthat follows the route of the property map. Further down, the manmade stream disappears and the waterthen follows the topography to the protection barrier nearby the tunnel. In the study, no calculations were made about the amount of water that flooded to the tunnel during theflooding in August 2013. Investigations of the climate change indicate that the amount of rainfall willincrease in the area. Therefore a further investigation is recommended, where the goal should be to protectthe tunnel from flooding. The method that has been used is applicable at any type of infrastructure. The Swedish TransportAdministration is recommended to use this method to investigate infrastructure and for future planning. / I augusti år 2013 översvämmades Norralatunneln strax norr om Söderhamn, vilket orsakade att ett tåg fastnade i tunneln. I framtiden förväntas intensiteten och mängden nederbörd att öka i detta område, vilket kan leda till en ökad risk för översvämning. Syftet med examensarbetet var att med GIS undersöka om det går att identifiera vilka järnvägstunnlar som är översvämningshotade vid kraftig nederbörd. GIS-analyser utfördes på Norralatunneln, där den Nationella Höjdmodellen användes som indata till undersökningen. Resultatet av studien innehåller ett antal kartor som redovisar avrinningsområden för samtliga tunnelmynningar och fuktighetsindex för den norra och mellersta räddningstunneln. Översvämningsanalysen visar att den räddningstunnel som översvämmades i augusti år 2013 har ett avrinningsområde på 1,1 km², vilket är mer än 20 gånger så stort som avrinningsområdet för någon av de andra tunnelmynningarna. Studien visar att GIS är ett bra verktyg för översvämningskartering och med den valda metoden i kombination med den Nationella Höjdmodellen är det möjligt att identifiera översvämningshotade tunnlar. Den fältstudien som genomfördes visar på brister i fastighetskartan gällande vattendrag. Mer än 90 % av vattnet som rann in i tunneln kom från västsidan av E4:an genom en älgpassage. Därefter leddes vattnet ner mot räddningstunneln via en grävd bäck som till en början följer fastighetskartans sträckning. Den tydligt grävda bäcken försvinner dock och vattnet följer därefter topografin till skyddsdiket intill tunnelmynningen.  I arbetet gjordes inga beräkningar på hur mycket vatten som flödade ner till tunneln i samband med översvämningen. Undersökningar av framtida klimat visar på att nederbördsmängden i området kommer att öka. Därför rekommenderas en vidare studie där målet borde vara att ta fram ett lämpligt alternativ för att skydda tunneln från översvämning. Analyserna som har utförts är tillämpningsbara även på andra typer av infrastruktur, därför rekommenderas Trafikverket att använda sig av metoden vid projektering och undersökning av infrastruktur.