Cette thèse porte sur l'étude du transport électronique dans des structures de faibles dimensionnalités en silicium dopé. Elle s'inscrit notamment dans le contexte de la compréhension du transport mésoscopique et de la miniaturisation des dispositifs MOS.<br />Les nanostructures sont réalisées par oxydation localisée sous la pointe d'un microscope à force atomique (AFM), sur des substrats silicium sur isolant (SOI) ultra-minces. Cette technique a été choisie pour sa souplesse, sa résolution (10nm), l'absence d'effet de proximité. Elle permet d'obtenir des nanostructures de quelques centaines de nm2 de section.<br />Tandis qu'à température ambiante le comportement électronique est semblable à celui d'un dispositif MOS/SOI, à basse température des oscillations de courant se superposent à l'effet de champ, pour dominer le transport en dessous de 70K. Ainsi, le transport électronique est dominé par le blocage de Coulomb, qui se traduit par des oscillations de courant, une loi d'activation en température de la conductance et des structures de type « diamant de Coulomb » dans la carte de courant en fonction des tensions de grille et de drain. Nous associons le blocage de Coulomb dans ces structures aux puits de potentiel créés par la présence de dopants à l'intérieur du nanofil. Pour les faibles dopages les nanofils se comportent comme de chaînes unidimensionnelles d'îlots en série, alors que pour les forts dopages leur comportement se modélise par des chaînes bidimensionnelles.<br />La technique originale de nanofabrication utilisée permet la réalisation de nanostructures de test en vue d'explorer les mécanismes de conduction dans le silicium nanostructuré.

Les nanostructures semiconductrices isolées possèdent la propriété de confiner les charges sur des temps longs. La rétention de charges dépend de plusieurs paramètres tels que la taille de la nanostructure, la densité et la qualité de l'interface avec le diélectrique. Nous avons exploré ces propriétés à l'aide d'un AFM à l'air par microscopie à force électrostatique (EFM). L'EFM permet d'injecter des charges localement puis de sonder avec une sensibilité de quelques dizaine d'électrons seulement les comportements individuel aussi bien que collectif des nanostructures. Nous avons caractérisé l'interaction pointe-surface non-linéaire pour un couplage électrostatique, puis avons étudié le comportement de nanostructures de Si ou Ge déposées sur du SiO2. Nous avons mis en évidence d'une part la saturation du nuage de charge dans un nappe de nanocristaux, et d'autre part la propagation inhomogène de la charge à l'échelle de l'heure dans une nappe de nanocristaux plus dense.

Un milieu granulaire peut rester au repos même avec une surface libre inclinée, et il ne se met spontanément en mouvement qu'au dessus d'un angle critique. Il apparaît alors un écoulement de surface dont l'amplitude et la dynamique sont régies par la mobilisation et le dépôt de grains à l'interface avec la phase statique. Malgré son importance pratique, la dynamique de cette transition demeure largement inconnue. Le manuscrit présente une étude expérimentale de ce problème dans deux géométries d'écoulements granulaires différentes. Dans la première expérience, l'équilibre d'une couche de sable déposée dynamiquement sur un plan rugueux est rendu métastable: après avoir augmenté l'inclinaison du plan, une perturbation locale déclenche une avalanche. La mesure du seuil de déclenchement montre que la transition entre équilibre statique et écoulement est sous-critique. La forme et la dynamique des avalanches résultent d'un échange permanent de matière avec la couche statique, mobilisant à l'avant et déposant des grains à l'arrière. De manière surprenante, une saturation de l'amplitude est observée, qui peut être attribuée à la présence du fond solide. Nous avons aussi mis en évidence l'existence de deux types d'avalanches, l'un où la couche n'est mobilisée qu'en aval du point de déclenchement et laissant une trace triangulaire, et l'autre où l'écoulement envahit tout le plan par un front de remontée. L'étude montre que des mécanismes de propagation différents interviennent dans ces deux cas. La deuxième expérience consiste à étudier l'écoulement transitoire à la formation d'un talus. Nous avons observé l'influence prépondérante de la préparation sur l'écoulement. Deux effets sont mis en évidence, l'un associé à la densité et l'autre à la «texture» anisotrope acquise pendant le remplissage. Dans la dernière partie, nous discutons de la validité des modèles existants pour décrire les avalanches sur le plan incliné. En guise de conclusion, nous développons un modèle continu décrivant la dynamique des écoulements granulaires de surface et prenant appui sur les résultats expérimentaux présentés.

We report on conductance measurements in carbon nanotube based double quantum dots connected to two normal electrodes and a central superconducting finger. By operating our devices as Cooper pair beam splitters, we provide evidence for Crossed Andreev Reflection (CAR). We inject Cooper pairs in the superconducting electrode and measure the differential conductance at both left and right arm. The contacts split the device into two coupled quantum dots. Each of the quantum dots can be tuned by a lateral sidegate. If the two sidegates are tuned such that both quantum dots are at a transmission resonance, a considerable part of the injected Cooper pairs splits into different normal contacts. On the contrary, if only one of the two dots is at resonance, nearly all pairs tunnel to the same normal contact. By comparing different triple points in the double dot stability diagram, we demonstrate the contribution of split Cooper pairs to the total current. In this manner, we are able to extract a splitting efficiency of up to 50% in the resonant case. Carbon Nanotubes ensure ballistic transport and long spin-flip scattering lengths. Due to these properties they are promising candidates to investigate EPR-type correlations in solid state systems.

Dans le cadre de cette thèse, on étudie le comportement mécanique de panneaux sandwich métalliques avec une âme à architecture gaufrée. Ces structures fournissent une alternative économiquement avantageuse aux nids d'abeilles hexagonaux car leur production de masse est réalisable par emboutissage progressif de tôles planes. Les différentes géométries possibles de la structure gaufrée sont limitées par des risques de rupture lors de la fabrication. Ainsi, l'étude de l'optimisation de la capacité portante des panneaux sandwich à âme gaufrée est contrainte par la rupture ductile du matériau de base. Le choix d'un modèle de rupture ductile approprié pour prédire le comportement à rupture du matériau de base joue donc un rôle central dans cette recherche. La première partie de cette thèse est entièrement consacrée aux évaluations expérimentale et numérique des capacités prédictives de deux versions du modèle de rupture de Mohr-Coulomb; l'une étant la version originale, l'autre intégrant un indicateur d'endommagement. En limitant notre attention aux contraintes planes induites par la traction uni-axiale et équi-biaxiale dans la tôle d'acier doux, on réalise des essais de rupture sur des éprouvettes entaillées et des essais de poinçonnement à l'aide d'un poinçon circulaire afin d'identifier les paramètres du modèle de rupture. Un test de Hasek et un essai d'emboutissage d'une structure gaufrée sont utilisés afin d'évaluer les capacités prédictives des deux modèles de rupture. Le modèle avec indicateur d'endommagement utilisant une fonction poids dépendant de l'état de contrainte prédit l'apparition de la rupture lors de l'essai d'emboutissage avec la meilleure précision. Dans la deuxième partie de cette thèse, pour l'étude de la fabrication de la structure gaufrée, on utilise le modèle de Mohr-Coulomb avec indicateur d'endommagement pour déterminer la profondeur d'emboutissage maximale en fonction de la géométrie de l'outil de mise en forme. Le comportement en grandes déformations est décrit par un modèle de plasticité quadratique avec écrouissage isotrope et une loi d'écoulement non associée. Des cartes de sensibilité aux principaux paramètres sont développées : rigidité au cisaillement de la partie cœur, résistance au cisaillement, résistance au délaminage et au flambement élastique des peaux en fonction de la géométrie de la structure cœur. Une méthode d'optimisation des performances des panneaux sandwich à âme gaufrée est développée pour les panneaux rectangulaires sur appuis simples soumis à un chargement latéral uniforme. Les résultats des expériences de flexion quatre points montrent que les panneaux sandwichs optimisés offrent des plus grandes résistance et rigidité (pour un moindre poids) que des panneaux avec une partie cœur en mousse de polyéthylène de haute densité. La dernière partie de cette thèse se concentre sur l'étude de la résistance à la perforation des panneaux sandwich métalliques à âme gaufrée. L'effet des paramètres décrivant la géométrie de la structure cœur et le l'influence du matériau constituant les peaux est étudié. On s'intéresse en particulier à un acier doux, un acier " dual-phase " DP780 et un acier martensitique à très haute résistance. Un nouveau modèle utilisant un indicateur d'endommagement avec une fonction poids basée sur le critère de Hosford est utilisé pour modéliser la réponse à la rupture de ces matériaux. Une étude paramétrique de la résistance à la perforation des panneaux sandwich pour différentes tailles de cellule élémentaire de la partie cœur est réalisée à l'aide d'un modèle éléments finis. La résistance à la perforation diminue avec la taille de la cellule et avec la hauteur de la partie cœur. Ainsi, le panneau sandwich le plus mince offre une résistance supérieure à la perforation. Des essais sont réalisés qui confirment ce résultat important.

We have developed a general theory of the plasmonic enhancement of many-body phenomena resulting in a closed expression for the surface plasmon-dressed Coulomb interaction. It is shown that this interaction has a resonant nature. We have also demonstrated that renormalized interaction is a long-ranged interaction whose intensity is considerably increased compared to bare Coulomb interaction over the entire region near the plasmonic nanostructure. We illustrate this theory by re-deriving the mirror charge potential near a metal sphere as well as the quasistatic potential behind the so-called perfect lens at the surface plasmon (SP) frequency. The dressed interaction for an important example of a metal–dielectric nanoshell is also explicitly calculated and analyzed. The renormalization and plasmonic enhancement of the Coulomb interaction is a universal effect, which affects a wide range of many-body phenomena in the vicinity of metal nanostructures: chemical reactions, scattering between charge carriers, exciton formation, Auger recombination, carrier multiplication, etc. We have described the nanoplasmonic-enhanced Förster resonant energy transfer (FRET) between quantum dots near a metal nanoshell. It is shown that this process is very efficient near high-aspect-ratio nanoshells. We have also obtained a general expression for the force exerted by an electromagnetic field on an extended polarizable object. This expression is applicable to a wide range of situations important for nanotechnology. Most importantly, this result is of fundamental importance for processes involving interaction of nanoplasmonic fields with metal electrons. Using the obtained expression for the force, we have described a giant surface-plasmoninduced drag-effect rectification (SPIDER), which exists under conditions of the extreme nanoplasmonic confinement. Under realistic conditions in nanowires, this giant SPIDER generates rectified THz potential differences up to 10 V and extremely strong electric fields up to 10^5-10^6 V/cm. It can serve as a powerful nanoscale source of THz radiation. The giant SPIDER opens up a new field of ultraintense THz nanooptics with wide potential applications in nanotechnology and nanoscience, including microelectronics, nanoplasmonics, and biomedicine. Additionally, the SPIDER is an ultrafast effect whose bandwidth for nanometric wires is 20 THz, which allows for detection of femtosecond pulses on the nanoscale.

Although scalingof CMOS technology has been predicted to continue for another decade, novel technological solutions are required to overcome the fundamental limitations of the decananometer MOS transistors. Single Electron Transistor (SET) has attracted attention mainly because of its unique Coulomb blockade oscillations characteristics, ultra low power dissipation and nanoscale feature size. Despite the high potential, due to some intrinsic limitations (e.g., very low current drive) it will be very difficult for SET to compete head-to-head with CMOS’s large-scale infrastructure, proven design methodologies, and economic predictability. Nevertheless, the characteristics of SET and MOS transistors are quite complementary. SET advocates low-power consumption and new functionality (related to the Coulomb blockade oscillations), while CMOS has advantages like high-speed driving and voltage gain that can compensate the intrinsic drawbacks of SET. Therefore, although a complete replacement of CMOS by single-electronics is unlikely in the near future, it is also true that combining SET and CMOS one can bring out new functionalities, which are unmirrored in pure CMOS technology. As the hybridization of CMOSand SET is gaining popularity, silicon SETs are appearing to be more promising than metallic SETs for their possible integration with CMOS. SETs are normally studied on the basis of the classical Orthodox Theory, where quantization of energy states in the island is completely ignored. Though this assumption greatly simplifies the physics involved, it is valid only when the SET is made of metallic island. As one cannot neglect the quantization of energy states in a semi conductive island, it is extremely important to study the effects of energy quantization on hybrid CMOSSET integrated circuits. The main objectives of this thesis are: (1) understand energy quantization effects on SET by numerical simulations; (2) develop simple analytical models that can capture the energy quantization effects; (3)analyze the effects of energy quantization on SET logic inverter, and finally; (4)developa CAD framework for CMOS-SETco-simulation and to study the effects of energy quantization on hybrid circuits using that framework. In this work the widely accepted SIMON Monte Carlo (MC) simulator for single electron devices and circuits is used to study the effects of energy quantization. So far SIMON has been used to study SETs having metallic island. In this work, for the first time, we have shown how one can use SIMON to analyze SET island properties having discrete energy states.It is shown that energy quantization mainly changes the Coulomb Blockade region and drain current of SET devices and thus affects the noise margin, power dissipation, and the propagation delay of SET logic inverter. Anew model for the noise margin of SET inverter is proposed, which includes the energy quantization term. Using the noise margin as a metric, the robustness of SET inverter is studied against the effects of energy quantization. An analytical expression is developed, which explicitly defines the maximum energy quantization (termedas “Quantization Threshold”)that an SET inverter logic circuit can withstand before its noise margin upper bound crosses the acceptable tolerance limit. It is found that SET inverter designed with CT : CG =0.366 (where CT and CG are tunnel junction and gate capacitances respectively) offers maximum robustness against energy quantization. Then the effects of energy quantization are studied for Current biased SET (CBS), which is an integral part of almost all hybrid CMOS-SET circuits. It is demonstrated that energy quantization has no impact on the gain of the CBS characteristics though it changes the output voltage levels and oscillation periodicity. The effects of energy quantization are further studied for two circuits: Negative Differential Resistance (NDR) and Neurone Cell, which use CBS. A new model for the conductance of NDR characteristics is also formulated that includes the energy quantization term. A novel CAD framework is then developed for CMOS-SET co-simulation, whichuses MCsimulator for SET devices alongwithconventional SPICE. Using this framework, the effects of energy quantization are studied for some hybrid circuits, namely, SETMOS, multiband voltage filter, and multiple valued logic circuits. It is found that energy quantization degrades the performance of hybrid circuit, which could be compensated by properly tuning the bias current of SET devices. Though this study is primarily done by exhaustive MC simulation, effort has also been put to develop first order compact model for SET that includes energy quantization effects. Finally it has been demonstrated that the SET behavior under energy quantization can be predicted byslightlymodifyingthe existing SETcompact models that are valid for metallic devices having continuous energy states.

Les propriétés physico-chimiques d'un nanocristal semi-conducteur sphérique, intermédiaires entre la molécule et le solide, dépendent de sa taille. Empilés ou dispersés, ces nanocristaux sont les briques architecturales de nouveaux matériaux fonctionnels aux propriétés ajustables, en particulier pour l'optoélectronique. Cette thèse s'inscrit dans le développement de ces nouveaux matériaux et présente avant tout une méthodologie pour la simulation du transport électronique dans un solide à nanocristaux en régime de faible couplage électronique appliquée à des nanocristaux de silicium dans une matrice de SiO2 pour les applications photovoltaïques. La cinétique du déplacement des porteurs est liée au taux de transfert tunnel (hopping) entre nanocristaux. Ces taux sont calculés dans le cadre de la théorie de Marcus et prennent en compte l'interaction électron-phonon dont l'effet du champ de polarisation dans la matrice ainsi que les interactions électrostatiques à courte et longue portée. Le calcul des états électroniques (électrons et trous) en théorie k.p associé à l'utilisation de la formule de Bardeen donne au code la capacité, par rapport à la littérature, de fournir des résultats (mobilité ou courant) en valeur absolue. Les résultats de mobilité ainsi obtenus pour des empilements cubiques idéaux viennent contredire les résultats de la littérature et incitent à considérer d'autres matériaux notamment en ce qui concerne la matrice pour obtenir de meilleurs performances. En outre, les résultats de simulation de dispositifs montrent l'impact considérable des électrodes sur les caractéristiques courant-tension. Aussi, un nouvel algorithme Monte-Carlo Cinétique accéléré a été adapté afin de pouvoir reproduire le désordre inhérent à la méthode de fabrication tout en maintenant un temps de simulation raisonnable. Ainsi l'impact du désordre en taille se révèle faible à température ambiante tandis que les chemins de percolation occultent la contribution des autres chemins de conduction. Des résultats de caractérisation comparés aux simulations tendent par ailleurs à indiquer que ces chemins peuvent concentrer les porteurs et exhiber un phénomène de blocage de coulomb. Enfin, la section efficace d'absorption est calculée théoriquement et permet d'obtenir le taux de génération sous illumination qui se révèle proche du silicium massif. Et une méthode en microscopie à sonde de Kelvin est décrite pour caractériser la durée de vie des porteurs c'est-à-dire le taux de recombinaison, les résultats ainsi obtenus étant cohérents avec d'autres techniques expérimentales.

Cette thèse développe une théorie effective de liquide de Fermi pour décrire la dynamique électronique dans un circuit RC quantique dans des régimes de forte interaction. Ce dispositif est composé d'une boîte quantique connectée à un réservoir d'électrons par un point de contact quantique. La boîte quantique est aussi couplée capacitivement à une grille métallique. Ce dispositif n'admet pas de courant continu, mais seulement un courant alternatif. Son comportement est analogue à celui d'un circuit RC classique et ne respecte pas les lois de Kirchhoff si le transport est cohérent. La résistance de relaxation de charge est universellement fixée à R_q = h/2e^2 , sans dépendre de l'ouverture du point de contact quantique, différement de ce qui est observé en transport direct. Nous étudions des régimes de blocage de Coulomb, provoqués par les fortes interactions électroniques. Nous démontrons que la dynamique électronique est sans interactions de façon effective à basse énergie. Nous prouvons la validité d'une formule de Korringa-Shiba généralisée, prédisant l'universalité de R_q même en présence de fortes interactions. Nous étudions aussi les comportements non universels de R q causés par la présence d'un champ magnétique. Une attention particulière est dédiée à la physique Kondo. Nous démontrons l'existence d'un pic géant pour R q , correspondant à la destruction du singulet Kondo. Notre approche est étendue à des dispositifs de symétrie SU(4), respectée par des boîtes quantiques avec dégénérescence orbitale. En appliquant les méthodes analytiques ici dévéloppées, nous dérivons l'expression exacte de la température Kondo dans le cas avec symétrie SU(4).

My thesis is devoted to the study of transport properties of Silicon Nanowires obtained by a bottom-up approach. The choice for the material system has been limited to undoped SiNWs because they are considered as the ultimate choice for ultrascaled electronic devices. For these systems, the problem of an effective carrier injection in the semiconductor is particularly important. The mechanism of carrier injection in Gate-All-Around Schottky barrier transistors was studied by temperature dependent measurements. Multiple gates are used to discriminate between different device switching mechanisms occurring either at the source and drain contacts, or at the level of the silicon channel. The gating scheme has proved be effective in suppressing the Schottky barrier enabling carrier injection at low temperature. Moreover, different electronic functionalities like p-n junctions and logic gates can be successfully implemented in such devices without the need of doping. I will describe a novel technique for the fabrication of metal silicide contacts to individual silicon nanowires based on an electrically-controlled Joule annealing process. This has enabled the realization of silicide-silicon-silicide tunnel junctions with silicon channel lengths down to 8nm. The silicidation of silicon nanowires by Nickel and Platinum could be observed in-situ and in real time by performing the experiments of Joule assisted silicidation in the chamber of a Scanning Electron Microscope. Lastly, signatures of resonant tunneling through an isolated Platinum Silicide cluster were detected in a Silicon tunnel junction. Tunneling spectroscopy in a magnetic field revealed the Zeeman splitting of the ground and the excited states.