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Micro– and subsequently nano–scale fabrication techniques have reshaped our world more drastically than almost any other development of the last half-century. Spurred by the invention of the transistor at Bell Labs in 1947, monolithic integrated circuits—or microchips in the colloquial lexicon—were developed in ’59, kickstarting the modern digital age as we know it. More recently, the maturation of classical computing technology and significant advancements in materials science have led to a boom of interest in and progress by the quantum sector on both computation and communication fronts. The explosive growth currently underway in the field of quantum information science (QIS) marks the dawning of a new age, which will undoubtedly transform our world in ways we have yet to imagine. This dissertation seeks to leverage advanced nanofabrication approaches, atomically thin materials, and state of the art microscopy techniques to develop room-temperature single photon sources for QIS applications. A basic overview of 2D materials is provided in Chapter 1. Particular emphasis is placed on the optical properties of tungsten diselenide (WSe2), which is followed by a brief discussion of quantum emitters in 2D and other material systems. Chapter 2 describes the scanning near-field optical microscopy (SNOM) technique we use to investigate the photoluminescence (PL) response of strained WSe₂ with resolution well below the classical diffraction limit. The third chapter is dedicated to the various fabrication methods explored and developed to produce the plasmonic substrates necessary for near-field optical studies. The first section focuses on the creation of extremely flat metallic surfaces, while the second deals with extremely sharp metallic stressors. These two platforms enable the investigations of nanobubbles—touched upon in Chapter 2—and nanowrinkles, which are the subject of discussion in Chapter 4. The strain confinement provided by these wrinkles leads to highly localized quantum dot-like states that exhibit excitation power saturation at room temperature. Together, these studies lay the groundwork for achieving high-temperature quantum emission in atomically thin semiconducting van der Waals materials.

The Electron Localization Function (ELF) measures electron localization within matter and provides insights into the nature of bonds in materials and molecules. This thesis examines the relationship between ELF and binding energy in bimolecular systems, focusing on van der Waals interactions—specifically Keesom forces, Debye forces, and London dispersion forces—which play significant roles in molecular and crystalline materials. This research addresses the challenge of accurately calculating binding energies in crystalline materials by exploring their correlation with ELF. Using Density Functional Theory (DFT) with two exchange-correlation functionals, rev-vdW-DF2 and PBE-D3(BJ), this study proposes a method for calculating binding energies in crystalline materials with promising accuracy. By analysing the ELF and its correlation with binding energies in 75 bimolecular systems, the research demonstrates a strong linear correlation, with a coefficient of determination (R2) reaching up to 0.956. The findings suggest that ELF can effectively differentiate between weak and strong van der Waals interactions, providing a reliable metric for evaluating interaction strengths. The results indicate that ELF is a valuable tool for understanding the strength of molecular interactions, with potential applications in materials science and electronic structure theory. The study highlights the importance of refining the accuracy of the ELF-based method and expanding its scope to include other types of non-covalent interactions, such as halogen bonds. The main contribution of this thesis is the exploration of methodologies for analysing and predicting molecular interaction strengths within crystalline materials, which may improve computational approaches in the field. Deriving binding energies within the unit cell directly from the ELF has the potential to simplify practical calculations.

Le travail théorique présenté dans cette thèse concerne la formation de molécules ultra-froides bialcalines et le contrôle de leurs degrés de liberté externes et internes. Cette étude est motivée par les nombreuses expériences en cours visant à l'obtention d'un gaz quantique dégénéré de molécules dans leur état fondamental absolu. Le schéma de formation étudié repose sur le processus de transfert adiabatique stimulé (STIRAP) réalisé en présence d'un potentiel optique de piégeage (réseau optique) des atomes et des molécules.Nous avons déterminé les paramètres du réseau optique (intensité et fréquence du champ laser) qui permettent de piéger efficacement des dimères d'alcalins en évaluant la polarisabilité dynamique acquise par les molécules soumises à un champ externe. Ces calculs reposent en particulier sur la connaissance détaillée de la structure électronique des molécules. Nous avons identifié des plages de longueur d'ondes dites « magiques » où la polarisabilité est la même pour chaque niveau peuplé au cours du transfert adiabatique, permettant ainsi un transfert optimal. Ce formalisme nous a également permis d'obtenir les coefficients Van der Waals de l'interaction à longue portée nécessaires pour étudier les taux de collisions entre molécules.Nous avons réalisé une étude plus détaillée de la molécule RbCs. En étudiant précisément la probabilité de transition de la molécule vers un niveau excité, nous avons proposé un schéma STIRAP pour transférer des molécules de RbCs, initialement dans un niveau vibrationnel excité, vers leur état rovibrationnel fondamental.Ces travaux ont montré l'importance de la connaissance précise de la structure hyperfine de l'état électronique moléculaire excité pour réaliser un gaz dégénéré de molécules dans un état quantique bien défini. Un modèle asymptotique nous a permis d'obtenir une première estimation de la structure hyperfine des courbes d'énergies potentielles des premiers états moléculaires excités des molécules Cs2 et RbCs. / The theoretical work presented in this thesis is focused on the formation of ultracold bialcaline molecules and on the control of their external and internal degrees of freedom. This study is motivated by the increasing number of experiments aiming at obtaining a quantum degenerate gas of molecules in their absolute ground state. The formation scheme we worked on is based on the Stimulated Raman Adiabatic Passage (STIRAP) technique operated while molecules are trapped inside an optical lattice.We have determined the parameters of the optical lattice (intensity and wavelength of the laser) that allow for an efficient trapping of the alkali dimers by evaluating the dynamic polarizability of molecules in the presence of an external field. Such calculations require the accurate knowledge of the electronic structure of the molecules. We have identified the so-called ``magic'' wavelength for which all levels populated during the STIRAP sequence have the same polarizability, thus ensuring an optimal transfer. The same approach has also been used to compute the strength of the long-range interaction between polar bialkali molecules needed to evaluate collision rates.The particular case of the RbCs molecule has been investigated. We have selected a radiative transition allowing for an efficient STIRAP scheme yielding molecules in their rovibrational ground state. These works have raised the need for the precise knowledge of the hyperfine structure of the excited electronic molecular state involved in the STIRAP scheme. We have developed an asymptotic model to obtain a first estimate of the hyperfine structure for the potential curves of the lowest excited states of Cs2 and RbCs.

Die besonderen Eigenschaften von Graphen ermöglichen das Design von elektronischen Bauteilen im Nanometerbereich. Graphen kann auf der Oberfläche von Siliziumkarbonat (SiC) durch das Ausdampfen von Si epitaktisch gewachsen werden. Ein detailliertes Verständnis der atomaren und elektronischen Struktur der Grenzschicht zwischen Graphen und SiC ist ein wichtiger Schritt um die Wachstumsqualität zu verbessern. Wir nutzen Dichtefunktionaltheorie um das Hybridsystem Graphen-SiC auf atomarer Ebene zu beschreiben. Experimentelle Arbeiten auf der Si Seite von SiC haben gezeigt, dass die Grenzschicht (ZLG) durch eine teilweise kovalent gebundene Kohlenstofflage wächst; darüber bildet sich die erste Graphenlage (MLG). Durch das Konstruieren eines ab initio Oberflächenphasendiagrams zeigen wir, dass sowohl ZLG als auch MLG Gleichgewichtsphasen sind. Unsere Ergebnisse implizieren, dass Temperatur- und Druckbedingungen für den selbstbegrenzenden Graphenwachstum existieren. Wir zeigen, dass sich das Doping und die Riffellung von epitaktischem Graphene durch H-Interkalation reduzieren. Im Experiment unterscheidet sich das Graphenwachstum auf der C Seite qualitativ von der Si Seite. Zu Beginn des Graphenwachstums wird eine Mischung verschiedener Oberflächenphasen beobachtet. Wir diskutieren die Stabilität dieser konkurierenden Phasen. Die atomaren Strukturen von einigen dieser Phasen, inklusive der Graphen-SiC Grenzschicht, sind nicht bekannt wodurch die theoretische Beschreibung erschwert wird. Wir präsentieren ein neues Model für die bisher unbekannte (3x3) Rekonstruktion, das Si Twist Model. Die Oberflächenenergie vom Si Twist Model und von der bekannten (2x2)c Phase schneiden sich direkt an der Grenze zur Graphitbildung. Dies erklärt die experimentell beobachtete Phasenkoexistenz zu Beginn des Graphenwachstums. Wir schlussfolgern, dass auf der C Seite der kontrollierte Graphenewachstum durch Si-reiche Oberflächenphasen blockiert wird. / Graphene with its unique properties spurred the design of nanoscale electronic devices. Graphene films grown by Si sublimation on SiC surfaces are promising material combinations for graphene applications. Understanding the atomic and electronic structure of the SiC-graphene interface, is an important step to refine the growth quality. In this work, density-functional theory is used to simulate the SiC-graphene interface on an atomistic level without empirical parameters. Experimental work has shown that on the Si face of SiC, a partially covalently bonded carbon layer, the zero-layer graphene (ZLG), grows. On top of the ZLG layer forms mono-layer graphene (MLG) as large ordered areas and then few-layer graphene. By constructing an ab initio surface phase diagram, we show that ZLG and MLG are at least near equilibrium phases. Our results imply the existence of temperature and pressure conditions for self-limiting growth of MLG key to the large-scale graphene production. H intercalation significantly reduces both the corrugation and the graphene doping. Our calculations demonstrate that unsaturated Si atoms in the ZLG influence the electronic structure of graphene. The situation on the C face of SiC is very different. The experimental growth of large areas of graphene with well defined layer thickness is difficult. At the onset of graphene formation a phase mixture of different surface phases is observed. We will address the stability of the different occuring surface phases. However, the atomic structure of some of the competing surface phases, as well as of the SiC-graphene interface, is unknown. We present a new model for the (3x3) reconstruction, the Si twist model. The surface energies of this Si twist model, the known (2x2)c adatom phase, and a graphene covered (2x2)c phase cross at the chemical potential limit of graphite, which explains the observed phase mixture. We argue that well-controlled graphene formation is hindered by Si-rich surface phases.

Les fonctionnelles de la densité couramment utilisées ont rencontrées un succès spectaculaire dans la modélisation des systèmes physiques, chimiques, et biologiques. Toutefois, elles se sont avérées inadaptées pour décrire certaines situations, comme par exemple les forces de dispersion de London ou les phénomènes de corrélation forte. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés à des développements récents de la formulation de l’énergie de corrélation exprimée à partir du théorème de fluctuation-dissipation et connexion adiabatique, visant à pallier ces problèmes. En particulier, différentes implémentations des méthodes au-delà de l’approximation de la phase aléatoire, qui permettent la prise en compte de la contribution d’échange dans le calcul de l’énergie de corrélation, ont été comparées. Ensuite, afin de réduire drastiquement la complexité numérique, une procédure d’orthogonalisation des vecteurs utilisées pour représenter la matrice diélectrique a été développée. Ces méthodes ont ensuite été appliquées au calcul de l’énergie de liaison de petits complexes moléculaires. La formulation de l’énergie de corrélation de la théorie de perturbation de Møller-Plesset dans le contexte matrice diélectrique est aussi présentée et testée. En parallèle, des calculs utilisant les méthodes semi-empiriques numériquement efficaces ont été conduits sur trois ensembles de molécules afin d’en tester les performances concernant les énergies de liaisons en les comparant aux valeurs de références disponibles dans la littérature / Commonly used density functionals have encountered a spectacular success in the modelling of physical, chemical or biological systems. However, they have proven to be unsuitable to describe some situations, such as London’s dispersion forces or strong correlation behaviour. In this thesis, we have been interested in recent developments in the formulation of the correlation energy from the adiabatic connection fluctuation dissipation theorem, to overcome these problems. In particular, different implementations of methods beyond the random phase approximation, which allow to take into account the exchange contribution in the computation of the correlation energy, have been compared. Then, in order to drastically decrease the numerical complexity, an orthogonalization procedure of the vectors used to represent the dielectric matrix has been developed. Then these approaches were applied to the calculation of the binding energy of small molecular complexes. The formulation of the correlation energy of the Møller-Plesset perturbation theory within the dielectric matrix context is also presented and tested. In parallel, calculations using numerically efficient semi-empirical methods were conducted over three molecular sets in order to test their performances regarding the binding energies by comparing them to reference values available in the literature

Cette thèse porte sur l’étude du transport de charge et de spin dans les nanostructures 0D, 2D et les hétérostructures 2D-0D de Van der Waals (h-VdW). Les nanocristaux pérovskite de La0.67Sr0.33MnO3 ont révélé des magnétorésistances (MR) exceptionnelles à basse température résultant de l’aimantation de leur coquille indépendamment du coeur ferromagnétique. Les transistors à effet de champ à base de MoSe2 ont permis d’élucider les mécanismes d’injection de charge à l’interface metal/semiconducteur 2D. Une méthode de fabrication des h-VdW adaptés à l’électronique à un électron est rapportée et basée sur la croissance d’amas d’Al auto-organisés à la surface du graphene et du MoS2. La transparence des matériaux 2D au champ électrique permet de moduler efficacement l’état électrique des amas par la tension de grille arrière donnant lieu aux fonctionnalités de logique à un électron. Les dispositifs à base de graphene présentent des MR attribuées aux effets magnéto-Coulomb anisotropiques. / This thesis investigates the charge and spin transport processes in 0D, 2D nanostructures and 2D-0D Van der Waals heterostructures (VdWh). The La0.67Sr0.33MnO3 perovskite nanocrystals reveal exceptional magnetoresistances (MR) at low temperature driven by their paramagnetic shell magnetization independently of their ferromagnetic core. A detailed study of MoSe2 field effect transistors enables to elucidate a complete map of the charge injection mechanisms at the metal/MoSe2 interface. An alternative approach is reported for fabricating 2D-0D VdWh suitable for single electron electronics involving the growth of self-assembled Al nanoclusters over the graphene and MoS2 surfaces. The transparency the 2D materials to the vertical electric field enables efficient modulation of the electric state of the supported Al clusters resulting to single electron logic functionalities. The devices consisting of graphene exhibit MR attributed to the magneto-Coulomb effect.

L’interaction statique et dynamique entre une sonde locale et un film de liquide provoque la déformation de ce dernier. Ce phénomène a été décrit par des équations analytiques, qui ont été analysées et résolues numériquement. Les potentiels d’interaction sonde/liquide et liquide/substrat ont été déduits à partir de l’intégration des forces de dispersion. La différence de pression à travers l’interface air/liquide a été calculée avec une équation de Young-Laplace modifiée, qui prend en compte les effets de la gravité, de tension superficielle, ainsi que les potentiels d’interaction liquide/substrat et sonde/liquide. Pour le cas statique, l’équation modifiée de Young-Laplace en équilibre a été examinée. La théorie de la lubrification a été utilisé pour décrire l’évolution du film liquide, afin d’analyser le phénomène dynamique. Des simulations numériques de la forme de la surface d’équilibre et de l’évolution dynamique du film ont été réalisées. Des comportements stables et instables ont été discernés, et les résultats ont confirmé l’existence d’une distance de seuil, pour le cas statique, et d’une combinaison de paramètres d’oscillation, pour la situation dynamique, pour lesquelles le saut du liquide vers la sonde se produit. Une analyse théorique a confirmé l’existence de conditions critiques qui séparent les régimes de comportement. Ces conditions critiques indiquent le rôle des paramètres physiques et géométriques dans la stabilité du système. Pour le cas dynamique, les résultats préliminaires sont rapportés et une interprétation qualitative du phénomène est formulée. En outre, des expériences de spectroscopie AFM de force et amplitude ont été effectuées et comparées avec les résultats numériques. / The static and dynamic interaction between a local probe and a liquid film provokes the deformation of the latter. This phenomenon has been described by means of analytical equations, which had been analyzed and numerically solved. Probe/liquid and liquid/substrate interaction potentials have been deduced from the integration of the dispersion forces. The pressure difference across the air/liquid interface has been calculated with a modified Young-Laplace equation, which takes into account the effects of gravity, surface tension, the liquid film/substrate and the probe/liquid interaction potentials. For the static case, the equilibrium modified Young-Laplace equation has been considered. The lubrication theory has been used to describe the liquid film evolution, in order to analyze the dynamic phenomenon. Numerical simulations of the equilibrium surface shape and the dynamic evolution of the film have been performed. Stable and unstable behaviors had been discerned, and results confirmed the existence of a threshold distance, for the static case, and a combination of oscillation parameters, for the dynamic situation, for which the jump of the liquid to contact the probe occurs. A theoretical analysis confirmed the existence of critical conditions separating the behavior regimes. This critical conditions indicate the role of the physical and geometric parameters in the system stability. For the dynamic case, preliminary results are reported and a qualitative interpretation of the phenomenon is formulated. In addition, AFM force and amplitude spectroscopy experiments had been performed and compared with the numerical results.

Les descriptions des interactions faibles et notamment de la dispersion représentent un problème majeur pour la théorie de la fonctionnelle de la densité. En effet, le caractère fortement local des fonctionnelles rend problématique la description des interactions à longue-portée. Aussi, plusieurs stratégies sont envisagées: des corrections des fonctionnelles existantes ou une introduction de méthodes post-Hartree-Fock par séparation de portée. Des résultats dans les deux cas sont exposés. Tout d'abord, la méthodologie hybride est appliquée à des dimères de métaux de transition (Cr2, Mn2 et Zn2). Ensuite, le calcul de coefficients de corrections pour la dispersion dans un cadre relativiste est présenté. Enfin, les interactions faibles peuvent également résulter de l'interaction d'une molécule avec un champ magnétique. Dans ce cadre, une modélisation de la modification de la densité électronique dans les systèmes aromatiques sous l'influence d'un champ magnétique extérieur est présentée. / In quantum chemistry description of weak interactions, and particularly dispersion forces, are major problems for density functional theory. The strongly local character of functional does not allow to describe properly the long range interactions. Thus, two different strategies have been considered. Correcting the available functional or introduce post-Hartree-Fock methods by mean of range separation.Results in the two cases are discussed. First, the range separated hybrid methodology is applied to transition metal dimers (Cr2, Mn2 and Zn2). Then, correction coefficients for dispersion are calculated within the relativistic framework. Within this relativistic framework, a modelling of the electronic density in aromatic system under the influence of an external magnetic field is also presented.