Les dernières années ont vu l'avènement des couches cristallines bidimensionnelles, appelées matériaux 2D. L'exemple le plus connu est le graphène, d'autres étant le nitrure de bore hexagonal isolant et le diséléniure de niobium supraconducteur. Ces matériaux 2D peuvent être empilés de manière contrôlée sous la forme d'hétérostructures de van der Waals pour obtenir les propriétés électroniques désirées. L’une des plus simples hétérostructures de van der Waals est l'empilement de deux couches de graphène tournées. Cet empilement donne naissance à un moiré qui peut être vu comme un potentiel superpériodique dépendant de l'angle entre les deux couches. Les propriétés électroniques des couches tournées de graphène sont intimement liées à ce moiré.Le sujet de cette thèse est l'étude expérimentale du lien entre la structure et les propriétés électroniques des couches tournées de graphène par Microscopie et Spectroscopie à effet tunnel à basse température.Alors que l'effet de l'angle entre les couches sur les propriétés électroniques a déjà été étudié en détail, la modification de celles-ci par une déformation des couches n'a été envisagée que récemment. La première partie de ce travail expérimental étudie la modification par la déformation des propriétés électroniques de couches de graphène tournées d'un angle de 1.26° crûes sur carbure de silicium. La déformation en question est différente dans les deux couches et son effet apparait clairement dans la densité locale d'états électroniques du moiré. Contrairement à une déformation appliquée identiquement aux deux couches, une différence de déformations entre les couches (déformation relative) modifie fortement la structure de bandes même à faibles valeurs de déformations. Alors que la déformation relative était spontanément présente, la deuxième partie de cette thèse s'intéresse à l'effet d'une déformation appliquée directement aux couches de graphène. Cette déformation vient d'une interaction induite par l'approche de la pointe STM vers la surface de graphène. La modification active de la densité d'états qui en résulte dépend de la position de la pointe dans le moiré avec l'apparition d'instabilités périodiques lorsque la distance entre la pointe et l'échantillon est très faible.La troisième partie de cette thèse concerne l'étude d'un autre type de modification des propriétés électroniques consistant en l'induction de supraconductivité dans les couches de graphène. Cette modification est effectuée par une croissance du graphène en une seule étape sur du carbure de tantale supraconducteur. Les résultats montrent la formation d'une couche de carbure de tantale de grande qualité sur laquelle les couches de graphène forment des moirés. La mesure à basse température de la densité d'états de ces moirés montre la présence d'un effet de proximité supraconducteur induit par le carbure de tantale. / Recent years have seen the emergence of two-dimensional crystalline layers, called 2D materials. Examples include the well-known graphene, insulating hexagonal boron nitride and superconducting niobium diselenide. The stacking of these 2D materials can be controlled to achieve desirable electronic properties under the form of van der Waals heterostructures. One of the simplest van der Waals heterostructures is the misaligned stacking of two graphene layers. Twisted graphene layers show a moiré pattern which can be viewed as a superperiodic potential that depends on the twist angle. The electronic properties of the twisted graphene layers are strongly linked to this moiré pattern.The subject of the present thesis is the experimental study of the link between the structural and the electronic properties of twisted graphene layers by means of low-temperature Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy (STM/STS).While the effect of the twist angle has already been studied in great details, the modulation of the electronic properties by the deformation of the layers has been explored only recently. In the first part of this experimental work, a strain-driven modification of the electronic properties is probed in graphene layers with a twist angle of 1.26° grown on silicon carbide. The determined strain is found to be different in the two layers leading to a clear signature in the local electronic density of states of the moiré even at low strain magnitudes. Contrary to a strain applied in the two layers, this difference of strain between the layers (relative strain) modifies strongly the electronic band structure even at low strain magnitudes. While this relative strain is natively present, the second part of the work explores the effect of an applied strain in the layers. This is realized by approaching the STM tip to the graphene surface to trigger an interaction between the two. The resulting active modification of the density of states is shown to depend on the position on the moiré, leading to periodic instabilities at very low tip-sample distances.In the third part of the work, another type of modification of the electronic properties is studied when superconductivity was induced in the graphene layers. This is done by growing graphene on superconducting tantalum carbide in a single-step annealing. The results show the formation of a high-quality tantalum carbide layer on which graphene layers form moiré patterns. The low-temperature density of states of these moirés show evidence of a superconducting proximity effect induced by the tantalum carbide.

O caráter aleatório e não homogêneo do crescimento de filmes finos, por processo de deposição, leva à formação de uma superfície rugosa que obedece, em geral, a uma geometria fractal. A dinâmica de crescimento da superfície do filme pode ser descrita por meio de modelos de crescimento discretos, simulações numéricas e equações diferenciais estocásticas. Os modelos e as equações nos fornecem os expoentes críticos, que descrevem o comportamento da rugosidade com a escala de observação e tempo de deposição. Crescemos filmes de platina e ouro através da técnica de implantação e deposição de íons por imersão em plasma metálico. Determinamos experimentalmente os expoentes críticos por meio de microscopia de tunelamento. Comparamos os nossos resultados experimentais com previsões dadas por alguns modelos teóricos. Verificamos que há um bom acordo entre eles e as previsões dadas pela equação estocástica de Kardar, Parisi e Zhang. A estrutura cristalina dos materiais também foi analisada por meio de difração de raios x. / The randomness and inhomogeneities in the growth of thin films generate a rough surface obeying, in general, fractal geometry. The growth dynamics of film surface can be described by theoretical discrete models, numerical simulations and stochastic differential equations. Models and equations give the critical exponents that describe the behavior of roughness with the observation scale and deposition time. We have synthesized platinum and gold films by metal plasma immersion ion implantation and deposition. We have measured the critical exponents by Scanning Tunneling Microscopy. Our experimental results were compared with some theoretical models predictions. We verified that there is a good agreement between them and the theoretical predictions given by the Kardar, Parisi and Zhang stochastic equation. The crystallographic structure was also analyzed by X-ray diffraction.

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With evidence ranging from visual representations by scanning tunneling microscopes to the fluid and dynamic language of poetry, my research shows that we are shifting from a culture primarily based on ‘sight’ to one that is involved with ‘touch,’ metaphorically and literally speaking. Recent developments in theory and technology, especially quantum physics and post-structuralism, have redefined representation to encompass the necessary reflex of the representer. To be sure, my research has also found feminist and postcolonial criticisms to echo this theory: both have sought to challenge representations due to the objectivity normally attributed to the representer, the Cartesian logic of which quantum theory has destabilized. Thus, by reading poetry with a quantum theoretical lens, specifically the works of Gertrude Stein, Marianne Moore, Anne Carson, and Theresa Hak Kyung Cha, I show how ‘touch’ plays into our language, consequently affecting how we think through language. / Master of Arts

La construction de circuits électroniques de section atomique est l'un des grands défis de la nanoélectronique ultime. Pour construire un circuit électronique atomique, il faut d'abord mettre au point l'instrument de construction puis choisir la surface-support stabilisant ce circuit. Sur la surface d'Au(111) préparée en ultra vide, nous avons mis en œuvre et stabilisé le tout premier LT-UHV-4 STM. Ce microscope à 4 pointes STM balayant en même temps et indépendamment une même surface a été construit pour le CEMES par la société ScientaOmicron. Sur l'Au(111), nous avons reproduit tous les résultats expérimentaux obtenus sur les meilleurs LT-UHV-STM à une pointe comme la précision en rugosité de 2 pm, les caractéristiques I-V sans moyenne sur un seul atome pendant plusieurs dizaines de minutes et la manipulation atomique suivant les modes de tiré, glissé et poussé d'un seul atome d'or sur la surface. Une fois cette optimisation réalisée, nous avons appliqué notre LT-UHV-4 STM à la surface de Si(100):H, support probable des futurs circuits atomiques électroniques. Le choix de ce support est discuté en détail avant l'enregistrement et l'analyse des images STM. Les échantillons utilisés proviennent, soit du procédé semi-industriel pleine-plaque de silicium mis au point au CEA-LETI, soit de leur préparation in situ se déroulant directement dans la chambre de préparation du LT-UHV-4 STM. Nous avons pris soin de bien interpréter les images STM de la surface Si(100):H afin par exemple de déterminer la position de chaque atome d'hydrogène. La lithographie atomique par STM a été exploitée, par pointe, sur le LT-UHV-4 STM, en mode manipulation verticale atome-par-atome et mode balayage plus rapide mais rendant l'écriture atomique moins précise. Nous avons construit nos propres fils atomiques puis des plots de contact atomiques, petits carrés de Si(100)H dépassivés de quelques nm de côté. Les courants de fuite à 2 pointes et à l'échelle atomique ont ainsi pu être mesurés sur la surface de Si(100):H entre deux de ces plots. Pour préparer les contacts atomiques à au moins 2 pointes sur un fil atomique ou sur des plots de contact nanométrique, nous avons étudié en détail les différents types de contact pointe STM-liaison pendante unique montrant la difficulté d'atteindre un quantum de conductance au contact, de par un effet de courbure de bandes. Il est donc difficile sans une mesure de force complémentaire de déterminer en partant du contact tunnel les différentes étapes du contact mécanique, électronique au contact chimique. Nos résultats ouvrent la voie à la caractérisation des circuits électroniques construits atome par atome et à l'échelle atomique à la surface d'un semi-conducteur. / The construction of electronic circuits of atomic section is one of the great challenges of the ultimate nanoelectronics. To build an atomic electronic circuit, it is necessary first to develop the dedicated instrument to build up and then to choose the support surface stabilizing this circuit. On the Au(111) surface prepared in ultra-vacuum, we implemented and stabilized the very first LT-UHV-4 STM. This STM 4-probes microscopes scanning at the same time and independently the same surface was built for the CEMES by the ScientaOmicron company. On Au(111), we reproduced all the experimental results obtained on the best LT-UHV-STM with one probe such as the precision in roughness of 2 pm, the IV characteristics recording without any average on a single atom for several tens of minutes and the atomic manipulation following the pulling, sliding and pushing modes of a single gold atom on the surface. Once this optimization was carried out, we applied our LT-UHV-4 STM to the surface of Si(100):H, probable support of the future electronic atomic circuits. The choice of this medium is discussed in detail before recording and analysis of the STM images. The samples used come either from the semi-industrial full-wafer silicon process developed at CEA-LETI or from their in-situ preparation, which takes place directly in the preparation chamber of the LT-UHV-4 STM. We have taken care to interpret the STM images of the surface Si(100):H in order to locate the position of each hydrogen atom. The atomic lithography by STM has been exploited, by using one tip from our LT-UHV-4 STM, by atom-per-atom vertical mode and faster scanning mode. The last makes atomic writing less accurate. We have constructed our own atomic wires and then atomic contact pads, small squares of Si(100)H defeated by a few nm sides. The leakage currents with 2 probes at the atomic scale have thus been able to be measured on the surface of Si(100):H between two of these pads. To prepare the atomic contacts at least 2 probes on an atomic wire or on nanometric contact pads, we studied in detail the different types of contact points STM-single dangling bond showing the difficulty of reaching a quantum of conductance at contact, due to a possible bands bending. It is therefore difficult without a complementary force measurement to determine, starting from the tunnel contact, the different steps of the mechanical, electronic contact at the chemical contact. Our results open the way to the characterization of electronic circuits constructed atom-by-atom and at atomic scale on the surface of a semiconductor.

Dans cette thèse, nous utilisons différentes nanostructures plasmoniques pour contrôler l'émission de lumière excitée électriquement. Notre émission électrique provient d'une "nanosource STM" qui utilise le courant tunnel inélastique entre la pointe d'un microscope à effet tunnel (STM) et un échantillon métallique, pour exciter localement les plasmons polaritons de surface localisés et propagatifs. L’interaction de notre nanosource STM et d'une lentille plasmonique circulaire (une série de fentes concentriques gravées dans un film d'or épais) produit une microsource radialement polarisée de faible dispersion angulaire (≈ ± 4 °). L'influence des paramètres structuraux sur la propagation angulaire de la microsource résultante est également étudiée. En outre, une faible dispersion angulaire (<± 7 °) pour une grande plage de longueurs d'onde (650-850 nm) est obtenue. Ainsi, cette microsource électrique de lumière presque collimatée a une réponse spectrale large et est optimale sur une large plage d'énergie, en particulier en comparaison avec d'autres structures plasmoniques résonantes telles que les nanoantennes Yagi-Uda. L'interaction de notre nanosource STM et d'une lentille plasmonique elliptique (une seule fente elliptique gravée dans un film d'or épais) est également étudiée. Lorsque l'excitation STM est située au point focal de la lentille plasmonique elliptique, un faisceau lumineux directionnel à faible divergence est acquis. De plus, expérimentalement, nous trouvons qu'en changeant l'excentricité de la lentille plasmique elliptique, l'angle d'émission varie. On constate que plus l'excentricité de la lentille elliptique est grande, plus l'angle d'émission est élevé. Cette étude permet de mieux comprendre comment les nanostructures plasmoniques façonnent l'émission de lumière. L'interaction de SPP excités par STM et d'une structure de pile multicouche planaire plasmonique est également étudiée. Il est démontré qu'en utilisant l'excitation STM, nous pouvons sonder la structure de bande optique de la pile Au-SiO₂-Au. Nous trouvons que l'épaisseur du diélectrique joue un rôle important dans la modification du couplage entre les modes. Nous comparons également les résultats obtenus par excitation laser et STM de la même structure de pile. Les résultats indiquent que la technique STM est supérieure en sensibilité. Ces résultats mettent en évidence le potentiel de la STM en tant que technique de nanoscopie optique sensible pour sonder les bandes optiques des nanostructures plasmoniques. Enfin, l'interaction d'une nanosource STM et d'une plaque triangulaire individuelle est également étudiée. Nous trouvons que lorsque l'excitation STM est centrée sur la plaque triangulaire, il n'y a pas d'émission de lumière directionnelle. Cependant, lorsque la nanosource STM est située sur le bord du triangle, on obtient une émission de lumière directionnelle. Cette étude nous fournit une nouvelle voie pour atteindre l'émission de lumière directionnelle. Nous étudions également l'exploration du LDOS optique du triangle avec la nanosource STM. Ainsi, nos résultats montrent que la manipulation de la lumière est réalisée par des interactions SPP-matière. En utilisant des nanostructures plasmoniques, nous contrôlons la collimation, la polarisation et la direction de la lumière provenant de la nanosource STM. / In this thesis, we use different plasmonic nanostructures to control the emission of electrically-excited light. Our electrical emission is from an “STM-nanosource” which uses the inelastic tunnel current between the tip of a scanning tunneling microscope (STM) and a metallic sample, to locally excite both localized and propagating surface plasmon polaritons. The interaction of our STM-nanosource and a circular plasmonic lens (a series of concentric slits etched in a thick gold film) produces a radially polarized microsource of low angular spread (≈±4°). The influence of the structural parameters on the angular spread of the resulting microsource is also investigated. In addition, a low angular spread (<±7°) for a large wavelength range (650-850 nm) is achieved. Thus this electrically-driven microsource of nearly collimated light has a broad spectral response and is optimal over a wide energy range, especially in comparison with other resonant plasmonic structures such as Yagi-Uda nanoantennas. The interaction of our STM-nanosource and an elliptical plasmonic lens (a single elliptical slit etched in a thick gold film) is also studied. When the STM excitation is located at the focal point position of the elliptical plasmonic lens, a directional light beam of low angular spread is acquired. Moreover, in the experiment we find that by changing the eccentricity of the elliptical plasmonic lens, the emission angle is varied. It is found that the larger the eccentricity of the elliptical lens, the higher the emission angle. This study provides a better understanding of how plasmonic nanostructures shape the emission of light. The interaction of STM-excited SPPs and a planar plasmonic multi-layer stack structure is also investigated. It is demonstrated that using STM excitation we can probe the optical band structure of the Au-SiO₂-Au stack. We find that the thickness of the dielectric plays an important role in changing the coupling between the modes. We also compare the results obtained by both laser and STM excitation of the same stack structure. The results indicate that the STM technique is superior in sensitivity. These findings highlight the potential of the STM as a sensitive optical nanoscopic technique to probe the optical bands of plasmonic nanostructures. Finally, the interaction of an STM-nanosource and an individual triangular plate is also studied. We find that when the STM excitation is centered on the triangular plate, there is no directional light emission. However, when the STM-nanosource is located on the edge of the triangle, directional light emission is obtained. This study provides us a novel avenue to achieve directional light emission. We also study probing the optical LDOS of the triangle with the STM-nanosource. Thus, our results show that the manipulation of light is achieved through SPP-matter interactions. Using plasmonic nanostructures, we control the collimation, polarization, and direction of the light originating from the STM-nanosource.

NaCl et KCl sont des matériaux à large bande interdite d’énergie, qui sont de plus en plus utilisés sous forme de couches minces en sciences des surfaces et dans des études de spectroscopie de molécules individuelles, pour découpler électroniquement des molécules organiques d’un substrat métallique. De plus, la réactivité de NaCl et KCl, sous forme de cristaux massifs, sous irradiation électronique ou photonique, a été beaucoup étudiée depuis les années 1970s. Dans ce mémoire de thèse, nous présentons les résultats d’une étude détaillée de couches minces de NaCl et de KCl sur Ag(001) par microscopie et spectroscopie à effet tunnel (STM/STS), diffraction des électrons lents (LEED) et spectroscopie d’électrons Auger (AES) sous ultravide. Afin d’obtenir des couches minces de haute qualité sur une surface métallique et de contrôler les propriétés de ces couches (épaisseur, taille et orientation des domaines, etc.), nous étudions en détails la formation de la couche en fonction des paramètres de croissance. De plus, les mesures de topographie STM montrent que l’épaisseur apparente et le contraste STM des couches isolantes dépendent de la différence de potentiel pointe-surface. Nous décrivons les modifications induites par irradiation électronique d’halogénures d’alcalins dans le régime de couches ultraminces. Les cinétiques et produits de réaction sont examinés dans le cas de couches de NaCl sur Ag(001). Les modifications structurales et chimiques sous faisceau d’électrons d’énergie 52-60 eV et 3 keV sont étudiées en utilisant respectivement le LEED et l’AES. Les effets de l’irradiation sur la géométrie et l’épaisseur des couches (allant de 2 à 5 couches atomiques) sont mesurés en STM. Nous observons que la déplétion en chlore induite par l’irradiation suit une cinétique différente de celles précédemment décrites pour les couches épaisses et cristaux massifs de NaCl. Les atomes de sodium produits par la dissociation de NaCl diffusent vers les zones nues de la surface Ag(001), où ceux-ci forment des superstructures Na-Ag connues pour le système Na/Ag(001). La modification des couches est le résultat de deux processus, pouvant être interprétés comme une désorganisation rapide de la couche avec l’arrachement de molécules de NaCl des bords d’îlots, et une perte lente de l’ordre structural à l’intérieur des îlots de NaCl due à la formation de trous par déplétion du chlore. La cinétique de la croissance des superstructures Na-Ag est expliquée par la diffusion limitée sur la surface irradiée, en raison de l’agrégation de molécules de NaCl désordonnées aux bords de marches du substrat. Nous avons également entrepris l’étude par STM de molécules de PTCDA déposées sur le substrat métallique Ag(001) et sur le système KCl/Ag(001). Nous obtenons une monocouche de PTCDA sur Ag(001) qui présente un arrangement avec une maille carrée. Sur les films de KCl, des molécules de PTCDA isolées ainsi que des structures empilées compactes ont été trouvées. / NaCl and KCl are wide band gap materials that are increasingly used as thin films in surface science and single-molecule spectroscopy studies to electronically decouple organic molecules from a metal substrate. In addition, the reactivity of bulk NaCl and KCl crystals under electron irradiation has been widely studied since the year 1970 s. In this dissertation, we report a detailed investigation on the structures of two different thin films of NaCl and KCl grown on the Ag(001) substrate by scanning tunneling microscopy (STM), scanning tunneling spectroscopy (STS), low energy electron diffraction (LEED), and Auger electron spectroscopy (AES) in ultrathin vacuum condition. In order to obtain high-quality thin films and to control the properties of these films on the metal surface (film thickness, domain size, domain orientation, etc), we study in detail the film growth, especially as a function of the growth parameters. In addition, the apparent height measurements by STM show that the apparent thickness and the STM contrast of these two insulating films are bias dependent. We report on an electron-induced modification of alkali halides in the ultrathin film regime. The reaction kinetics and products of the modifications are investigated in the case of NaCl films grown on Ag(001). Their structural and chemical modification upon irradiation with electrons of energy 52–60 eV and 3 keV is studied using LEED and AES, respectively. The irradiation effects on the film geometry and thickness (ranging from between two and five atomic layers) are examined using STM. We observe that Cl depletion follows different reaction kinetics, as compared to previous studies on thick NaCl films and bulk crystals. Na atoms produced from NaCl dissociation diffuse to bare areas of the Ag(001) surface, where they form Na-Ag superstructures that are known for the Na/Ag(001) system. The modification of the film is shown to proceed through two processes, which are interpreted as a fast disordering of the film with removal of NaCl from the island edges and a slow decrease of the structural order in the NaCl with formation of holes due to Cl depletion. The kinetics of the Na-Ag superstructure growth is explained by the limited diffusion on the irradiated surface, due to aggregation of disordered NaCl molecules at the substrate step edges. We have also investigated the deposition of PTCDA molecules on the metallic substrate Ag(001) and on the KCl/Ag(001) system using STM. We obtain a monolayer of PTCDA molecules on Ag(001) that is arranged in a square unit cell. On KCl films, both individual PTCDA molecules and a densely packed structure are found.

Scanning Tunneling Microscopy (STM) uses quantum tunneling effect to study the surfaces of materials on an atomic scale. Since the probe of the microscope is on the order of nanometers away from the surface, the device is prone to noises due to vibrations from the surroundings. To minimize the random noises and floor vibrations, passive vibration isolation is a commonly used technique due to its low cost and simpler design compared to active vibration isolation, especially when the entire vibration isolation system (VIS) stays inside an Ultra High Vacuum (UHV) environment. This research aims to analyze and build a single-stage passive VIS for an STM. The VIS consists of a mass-spring system staying inside an aluminum hollow tube. The mass-spring system is comprised of a circular copper stage suspended by a combination of six extension springs, and the STM stays on top of the copper stage. Magnetic damping with neodymium magnets, which induces eddy currents in the copper conductor, is the primary damping method to reduce the vibrations transferred to the mass-spring system. FEMM and MATLAB® are used to model magnetic flux density and damping coefficients from eddy current effect, which will help determine the necessary damping ratios for the VIS. Viton, which demonstrates a high compatibility with vacuum environments, will also serve as a great damping material between joints and contacts for the housing tube. Viton will be modeled as a Mooney-Rivlin hyperelastic material whose material parameters are previous studied, and Abaqus will be used as a Finite Element Analysis software to study the Viton gaskets’ natural frequencies. The natural frequencies of the aluminum hollow tube will also be investigated through Abaqus.