Reproduction de : Thèse doctorat : Electronique : Cergy-Pontoise : 2005. / Titre provenant de l'écran titre. Bibliogr. p.121-129.

Th. doct.-ing.--Grenoble, I.N.P.G., 1979. N°: DI 88.

Thèse de doctorat : Electronique : Lille 1 : 2000. / Bibliogr. en fin de chapitres.

Le contrôle du magnétisme aux interfaces s’est avéré essentiel pour la spintronique et ses applications, en particulier celles basées sur des structures chirales de spin appelées skyrmions magnétiques. Ces skyrmions, décrits comme des solitons magnétiques, sont de potentiels vecteurs d’information. Dans des empilements ultraminces du type métal lourd / ferromagnétique / isolant, les skyrmions sont stabilisés par une interaction d’échange antisymétrique d’interface appelée interaction de Dzyaloshinskii-Moriya (DMI); celle-ci entre en compétition avec d’autres interactions telles que l’interaction d’échange symétrique ou l’anisotropie magnétique. Afin de contrôler ces skyrmions, les propriétés magnétiques aux interfaces doivent être ajustées finement et modulées par une excitation extérieure. Le champ électrique s’est avéré être un outil efficace pour manipuler ces propriétés d’interface. Il a notamment été montré dans un certain nombre d’études depuis 2009 qu’une différence de potentiel permet de modifier localement et de manière dynamique des propriétés telles que l’anisotropie magnéto-cristalline ou l’aimantation à saturation. Cependant, cet effet sur DMI, qu’il est crucial d’intégrer pour les systèmes avec skyrmions, n’avait pas été observé pour les films ultraminces.Cette thèse présente tout d'abord une optimisation des systèmes tricouches de type métal lourd/ferromagnétique/oxide dans lesquels peuvent exister des skyrmions. J’ai plus particulièrement étudié le système Ta/FeCoB/TaOx qui permet de énucléer des skyrmions en présence d’un faible champ magnétique appliqué perpendiculairement au plan des couches. Une étude approfondie en fonction de l’épaisseur de FeCoB et de l’état d’oxydation du TaOx a notamment été menée, permettant ainsi d’identifier les différentes zones présentant des skyrmions. D’autre part, le résultat majeur de cette thèse est la démonstration de la modulation de DMI par un champ électrique dans une tricouche Ta/FeCoB/TaOx. Des mesures de spectroscopie Brillouin sous champ électrique ont montré une très grande variation allant jusqu’à 130%. Puis, des observations complémentaires en microscopie à effet Kerr magnéto-optique ont permis de mesurer simultanément une variation monotone de DMI et de la taille des skyrmions en fonction du champ électrique avec une efficacité sans précédent. Puisque le champ électrique agit principalement sur l’interface entre le matériau ferromagnétique et l’oxyde (FeCoB/TaOx), cette étude indique l’existence d’une DMI de type Rashba, expliquant la forte sensibilité au champ électrique. Ces observations montrent également qu’un renversement du signe de l’IDM est possible, qui conduirait à une inversion de la chiralité des skyrmions. Cette manipulation dynamique de DMI permettrait de conférer un degré de contrôle supplémentaire pour le développement de mémoires ou de dispositifs logiques ou neuromorphiques à base de skyrmions. / Control of interfacial magnetism has emerged to be of paramount importance for spintronics applications specially involving chiral magnetic structures called skyrmions. Skyrmions are envisaged to be the future information carriers owing to their solitonic properties. In heavy metal/ ferromagnet/ insulator heterostructures, skyrmions are stabilized by interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction which is an antisymmetric exchange and competes with other interactions like symmetric exchange and magnetic anisotropy. In order to tune skyrmions, the interfacial magnetic properties need to be modulated. One of the energy efficient tools to maneuver interfacial magnetism is electric field effect. Voltage gating has been shown, in a number of studies since 2009, to locally and dynamically tune magnetic properties like interface anisotropy and saturation magnetization. However, its effect on interfacial Dzyaloshinskii-Moriya Interaction (DMI), which is crucial for the stability of magnetic skyrmions, has been challenging to achieve and has not been reported yet for ultrathin films.This thesis demonstrates an optimization of trilayer systems consisting of a heavy metal/ ferromagnet/ oxide where skyrmions can be stabilized. In particular, I focussed on the Ta/FeCoB/TaOx system to nucleate skyrmions in the presence of very small out of plane magnetic field. Further, the different skyrmionic zones as a function of the FeCoB thickness and TaOx oxidation state are studied. We then show electric field induced modulation of interfacial DMI which forms the most important result of this thesis. We demonstrate 130% variation of DMI with electric field in Ta/FeCoB/TaOx trilayers through Brillouin Light Spectroscopy (BLS). Using polar Magneto-Optical-Kerr-Effect microscopy, we further show a monotonic variation of DMI and skyrmionic bubble size with electric field, with an unprecedented efficiency. Since the electric field acts mainly on the FeCoB/TaOx interface, this study also points at the existence of the Rashba DMI explaining its high sensitivity to an applied voltage. We anticipate through our observations that a sign reversal of DMI with electric field is possible, leading to a chirality switch. This dynamic manipulation of DMI establishes an additional degree of control to engineer programmable skyrmion based memory, logic or neuromorphic devices.

Les systèmes conjugués font l'objet d'un développement considérable en raison de leurs propriétés opto-électroniques qui, associées à la flexibilité des matériaux organiques, permettent de réaliser de nouveaux dispositifs électroniques. Dans ce contexte, les oligo- et polymères conjugués dérivés du fluorène et du cyclopenta[2,1-b:3',4'-b']dithiophène ont été utilisés pour élaborer des diodes électroluminescentes, des transistors à effet de champ et des cellules photovoltaïques. Ce travail de thèse porte sur la synthèse et la caractérisation de systèmes conjugués dérivés de l'indéno[1,2- b]thiophène, hétérocycle hybride entre le fluorène et le cyclopentadithiophène, et explore le potentiel de ces nouveaux matériaux pour des applications en électronique organique. Le premier chapitre bibliographique décrit différentes approches d'ingénierie moléculaire visant à contrôler les propriétés électroniques des systèmes conjugués et montre l'intérêt des dérivés du fluorène, du cyclopentadithiophène et des quelques dérivés de l'indéno[1,2-b]thiophène pour l'élaboration de dispositifs électroniques. Le deuxième chapitre est consacré à la mise au point d'une série d'oligothiophènes terminés par des motifs indéno[1,2-b]thiophène. Le transport de charge dans ces matériaux dépend clairement de la substitution des molécules. Au cours du troisième chapitre, une série d'analogues du stilbène dérivés du fluorène et de l'indéno[1,2-b]thiophène est décrite et montre des propriétés de transport de charge intéressantes comme en témoignent les performances des transistors à effet de champ correspondants. Enfin, le dernier chapitre concerne des polymères conjugués à faible gap dérivés de l'indéno[1,2- b]thiophène pour une application potentielle en photovoltaïque.

Ce travail porte sur la réalisation d'un système d'analyse chimique constitué d'un réseau de micro-chambres abritant des microcapteurs de pH de type transistors à effet de champ à grille suspendue très sensibles aux charges contenues dans l'espace sous le pont-grille. Les transistors à grille suspendue ont été fabriqués en utilisant les procédés de la microtechnologie de surface. Une couche d'isolation finale a été choisie afin de permettre l'utilisation de ces transistors en solution comme capteurs de pH. L'intégration des canaux microfluidiques réalisés en Polydiméthylsiloxane (PDMS) sur les transistors à grille suspendue ont permis d'effectuer une série de mesures de pH, soit en statique, soit en flux continu et de travailler sur les conditions optimales de rinçage des capteurs. L'effet de la hauteur de gap sous le pont de grille sur la sensibilité au pH est présenté. Par ailleurs, de premières mesures dans le domaine fréquentiel ont pu être faites sur des transistors sans et avec les microcanaux en PDMS. Ceci nous a permis d'observer un comportement fréquentiel particulier et dépendant de l'ambiance autour des transistors, et en particulier du pH, ce qui permet de développer une nouvelle méthode de mesure du pH.

Cette thèse démontre le potentiel d'utilisation du graphène pour la fabrication de transistors à effet de champ à couche mince. Celui-ci est préparé par exfoliation en phase liquide et co-déposé avec un polymère semiconducteur du type n. Cette stratégie montre que le graphène améliore le comportement ambipolaire du polymère et plus particulièrement le transport des trous ce qui renforce l'application des matériaux composites au graphène dans les circuits logiques.Par la même approche de mélange, de nouveaux nanorubans de graphène dispersés en solution, ont été utilisés pour améliorer la performance des dispositifs basés sur un polymère amorphe de type p. Ces nanorubans forment une voie de percolation pour les charges améliorant ainsi la performance des dispositifs dans l'obscurité ainsi que sous illumination. Finalement, les dispositifs photosensibles multifonctionnels ont été examinés par l'introduction de molécules photochromiques avec différents substituants au sein des films semi-conducteurs à base de polymère ou de molécules de petite taille qui ont été trouvés influer la photocommutation. / This thesis demonstrates that graphene produced by liquid-phase exfoliation can be co-deposited with a polymerie semiconductor for the fabrication of thin film field-effect transistors. The introduction of graphene to the n-type polymeric matrix enhances not only the electrical characteristics of the devices, but also the ambipolar behavior and the hole transport in particular. This provides a prospective pathway for the application of graphene composites for logic circuits.The same approach of blending was adopted to enhance the electrical characteristics of an amorphous p-type polymer semiconductor by addition of an unprecedented solution processable ultra-narrow graphene nanoribbon. GNRs form percolation pathway for the charges resulting in enhanced deviee performance in daras weil as under illumination therefore paving the way for applications in (opto)electronics.Finally, multifunctional photoresponsive devices were examined by introducing photochromic molecules exposing different substituents into small molecule or polymeric semiconductor films that were found to affect the photoswitching behavior.

Ce manuscrit présente l'étude d'une nouvelle méthode de détection électronique différentielle de l'hybridation entre nucléotides, utilisant des réseaux de transistors à effet de champ et une fixation des ADN sondes de type polylysine. Les structures employées sont des réseaux d'EOSFETs, possédant une interface du type électrolyte/oxyde/semi-conducteur (EOS), qui peuvent être immergés dans un électrolyte de mesure dans lequel est plongée une électrode de référence. <br />La première partie de ce travail détaille les expériences nous ayant permis de montrer le faisabilité d'une détection électronique d'abord de polylysine, puis d'ADN sur une réseau d'EOSFETs. Des micro- ou macro-gouttelettes de solutions contenant ces bio-polymères chargés ont été déposées en des endroits prédéfinis sur les réseaux de capteurs. Ces dépots locaux induisent des variations des caractéristiques courant-tension des transistors exposés, pouvant être corrélées à un apport de charges soit positives dans le cas de la polylysine, soit négatives en ce qui concerne l'ADN. Le signal électronique est proportionnel au nombre moyen d'oligonucléotides de 20 bases par unité de surface, tant que celui-ci reste inférieur à 1000-10000 molécules par µm², avec une variation de 10 mV pour 100 à 1000 molécules déposées par µm². Une saturation du signal électronique est observée au delà. La détection de micro-dépots de faibles concentrations en bio-polymères est limitée par l'existence de signaux électroniques parasites observés avec des solutions servant aux dilutions. La variations des signaux électroniques en fonction de la concentration en sel a également été caractérisée.<br />L'utilisation d'un protocole d'hybridation sur fixation polylysine, sans étape de blocage visant à limiter l'adsorption non spécifique de cibles a conduit à la mise en évidence d'un signal différentiel de l'ordre de 5 mV lors d'hybridations et de mesures dans un électrolyte de KCl 20 mM. L'hybridation à haut sel et la détection à bas sel permettent d'obtenir des différences d'environ 15 mV. Aucun signal électronique significatif d'appariement n'a été observé en utilisant un bloqueur. La sensibilité de détection électronique de l'hybridation, estimée à 100-1000 double-brins de 20 paires de bases par µm² est proche de celle associée à la technique classique de fluorescence (0,5 à 80 double-brins par µm²).

Nous présentons dans ce mémoire une étude sur l'influence de la texture de la couche organique sur le transport des porteurs. Pour mesurer la mobilité des porteurs, deux techniques ont été mises en place : le temps de vol et la réalisation de transistors à effet de champ. La première partie de ce mémoire est consacrée au fluorène. La synthèse d'un copolymère fluorène-fluorénone a permis d'améliorer l'empilement p-p, et donc la formation d'excimères. Cela nous a permis de comprendre l'origine du décalage vers le jaune de la luminescence du fluorène, mais aussi d'obtenir un nouveau composé présentant de très bonnes propriétés de luminescence dans le jaune. Une analogie avec les poly(alkylthiophènes) nous a permis de comprendre les limitations du transport dans les polymères de la famille du fluorène. Nous avons finalement étudié la relation texture-transport dans deux familles dérivées du thiophène : des copolymères thiophène-bipyridine et des fractions solubles de gels de polythiophène.

Dans des hétérostructures semiconductrices à basse température, il est possible de réaliser des systèmes d'électrons purement bidimensionnels de densité électronique variable. A basse densité, la théorie prédit que les corrélations entre électrons dominent les fluctuations quantiques, conduisant à un état collectif tel le cristal de Wigner. Dans les systèmes réels, la présence de désordre rend la situation plus complexe : l'observation récente d'une transition métal-isolant, non prévue par les théories d'électrons indépendants, pose la question de la compétition entre les interactions et le désordre en dimension deux. Ce travail présente des mesures de transport en fonction du champ électrique, et des mesures de fluctuations de résistance, à très basse température dans des gaz bidimensionnels de trous formés dans des puits quantiques SiGe et GaAs. Dans ces systèmes, la masse effective élevée des porteurs et la faible densité permettent d'atteindre un régime pour lequel les interactions ne sont plus négligeables. Dans les échantillons désordonnés (SiGe), pour lesquels les lois de transport peuvent être expliquées dans le cadre de particules indépendantes, les effets de champ électrique sont dus au chauffage des porteurs. Par contre, dans les échantillons moins désordonnés (GaAs), les lois de transport en température et en champ électrique à très faible densité sont en accord avec l'existence d'une phase collective. Dans les échantillons GaAs, les mesures de fluctuations de résistance, ou bruit en 1/f, montrent l'existence d'une transition de phase à basse densité. Ces résultats sont compatibles avec les scénarios de formation d'une phase collective en présence de désordre par l'intermédiaire d'une transition de percolation.