Electrically detected magnetic resonance (EDMR) is a sensitive spectroscopic technique, which can be used to readout few to single electron spins in semiconductor and carbon nanodevices for applications in solid state quantum information processing (QIP). Since only electrically active defects contribute to the EDMR signal, this technique can be used further to investigate defects and impurities in photovoltaic devices, in which they limit the sunlight-to-energy conversion efficiency significantly. Here, I employ X-band EDMR for semiconductor defect analysis and identify the most important recombination centres in Czochralski silicon with oxide precipitates, which can be intentionally grown to confine detrimental metallic impurities to inactive regions of the wafer in order to serve as a defect-free substrate for modern silicon photovoltaic devices. Those experiments show that oxide precipitation is accompanied by the formation of silicon dangling bonds. Furthermore, I describe a very promising route towards the fabrication and readout of few to single electron spins in carbon nanotube devices, which can be characterised structurally via transmission electron microscopy in order to relate their electrical and spin properties with their structure. Finally, I employ EDMR to read out electron spin states in donor-doped silicon field-effect transistors as a prerequisite for their application in QIP. I report on a novel cryogenic probe head for EDMR experiments in resonant microwave cavities operating at 0.35 T (9.7 GHz, X-band) and 3.34 T (94 GHz, W-band). This approach overcomes the inherent limitations of conventional X-band EDMR and permits the investigation of paramagnetic states with a higher spectroscopic resolution and signal intensity. Both advantages are demonstrated and discussed. I further report on a novel mechanism giving rise to the EDMR effect in donor-doped silicon field-effect transistors, which is capable of explaining why the EDMR signal intensities of the conduction electrons are enhanced by a factor of ∼100, while the donor resonance signals increase by a factor of ∼20 from X- to W-band only. The spin-relaxation and dephasing times are extracted from a series of pulsed-EDMR measurements and confirm this model. The author gratefully acknowledges funding from Trinity College Oxford, Department of Materials, EPSRC DTA, and Konrad-Adenauer-Stiftung e.V. (Begabtenförderung).

<div>Silicon based semiconductor technology is facing more and more challenges to continue the Moore's law due to its fundamental scaling limitations. To continue the pace of progress of device performance for both logic and memory devices, researchers are exploring new low-dimensional materials, e.g. nanowire, nanotube, graphene and hexagonal boron nitride. Transition metal dichalcogenides (TMDs) are attracted considerable attention due their atomically thin nature and proper bandgap at the initial study. Recently, more and more interesting properties are found in these materials, which will bring out more potential usefulness for electronic applications. Competing with the silicon device performance is not the only goal in the potential path finding of beyond silicon. Low-dimensional materials may have other outstanding performances as an alternative materials in many application realms. </div><div><br></div><div>This thesis explores the potential of TMD based devices in memory and logic applications. For the memory application, TMD based vertical devices are fully studied. Two-terminal vertical transition metal dichalcogenide (TMD) based memory selectors were firstly built and characterized, exhibiting better overall performance compared with some traditional selectors. Polymorphism is one of unique properties in TMD materials. 2D phase engineering in TMDs attracted great attention. While electric switching between semiconductor phase to metallic phase is the most desirable. In this thesis, electric field induced structural transition in MoTe₂ and Mo_1-xW_xTe₂ is firstly presented. Reproducible bipolar resistive random access (RRAM) behavior is observed in MoTe₂ and Mo_1-xW_xTe₂ based vertical devices. Direct confirmation of a phase transition from a 2H semiconductor to a distorted 2H_d metallic phase was obtained after applying an electric field. Set voltage is changed with flake thickness, and switching speed is less than 5 ns. Different from conventional RRAM devices based on ionic migration, the MoTe₂-based RRAMs offer intrinsically better reliability and control. In comparison to phase change memory (PCM)-based devices that operate based on a change between an amorphous and a crystalline structure, our MoTe₂-based RRAM devices allow faster switching due to a transition between two crystalline states. Moreover, utilization of atomically thin 2D materials allows for aggressive scaling and high-performance flexible electronics applications. Both of the studies shine lights on the new application in the memory field with two-dimensional materials.<br></div><div><br></div><div>For the logic application, the ultra thin body nature of TMDs allows for more aggressive scaling compared with bulk material - silicon. Two aspects of scaling properties in TMD based devices are discussed, channel length scaling and channel width scaling. A tunability of short channel effects in MoS₂ field effect transistor (FET) is reported. The electrical performance of MoS₂ flakes is governed by an unexpected dependence on the effective body thickness of the device which in turn depends on the amount of intercalated water molecules that exist in the layered structure. In particular, we observe that the doping stage of a MoS₂ FET strongly depends on the environment (air/vacuum). For the channel width scaling, the impact of edge states in three types of TMDs, metallic T_d-phase WTe₂ as well as semiconducting 2H-phase MoTe₂ and MoS₂ were explored, by patterning thin flakes into ribbons with varying channel widths. No obvious charge depletion at the edges is observed for any of these three materials, which is different from what has been observed in graphene nanoribbon devices. </div>

Les transistors ayant un faible niveau de bruit à basse fréquence, une faible puissance de dissipation et fonctionnant à basse température (≤ 4.2 K) sont actuellement inexistants alors qu’ils sont très demandés pour la réalisation de préamplificateurs à installer au plus près des détecteurs ou des dispositifs à la température de quelques dizaines de mK, dans le domaine de l’astrophysique, de la physique mésoscopique et de l’électronique spatiale. Une recherche menée depuis de nombreuses années au LPN vise à réaliser une nouvelle génération de HEMTs (High Electron Mobility Transistors) cryogéniques à haute performance pour répondre à ces demandes. Cette thèse, dans le cadre d’une collaboration entre le CNRS/LPN et le CEA/IRFU, a pour but la réalisation de préamplificateurs cryogéniques pour des microcalorimètres à 50 mK.Les travaux de cette thèse consistent en des caractérisations systématiques des paramètres électriques et des bruits des HEMTs (fabriqués au LPN) à basse température. En se basant sur les résultats expérimentaux, l’une des sources de bruit à basse fréquence dans les HEMTs a pu être identifiée, c’est-à-dire la part du courant tunnel séquentiel dans le courant de fuite de grille. Grâce à ce résultat, les hétérostructures ont été optimisées pour minimiser le courant de fuite de grille ainsi que le niveau de bruit à basse fréquence. Au cours de cette thèse, différentes méthodes spécifiques ont été développées pour mesurer de très faibles valeurs de courant de fuite de grille, les capacités du transistor et le bruit 1/f du transistor avec une très haute impédance d’entrée. Deux relations expérimentales ont été observées, l’une sur le bruit 1/f et l’autre sur le bruit blanc dans ces HEMTs à 4.2 K. Des avancées notables ont été réalisées, à titre d’indication, les HEMTs avec une capacité de grille de 92 pF et une consommation de 100 µW peuvent atteindre un niveau de bruit en tension de 6.3 nV/√Hz à 1 Hz, un niveau de bruit blanc de 0.2 nV/√Hz et un niveau de bruit en courant de 50 aA/√Hz à 10 Hz. Enfin, une série de 400 HEMTs, qui répondent pleinement aux spécifications demandées pour la réalisation de préamplificateurs au CEA/IRFU, a été réalisée. Les résultats de cette thèse constitueront une base solide pour une meilleure compréhension du bruit 1/f et du bruit blanc dans les HEMTs cryogéniques afin de les améliorer pour les diverses applications envisagées. / Transistors with low noise level at low frequency, low-power dissipation and operating at low temperature (≤ 4.2 K) are currently non-existent, however, they are widely required for realizing cryogenic preamplifiers which can be installed close to sensors or devices at a temperature of few tens of mK, in astrophysics, mesoscopic physics and space electronics. Research conducted over many years at LPN aims to a new generation of high-performance cryogenic HEMTs (High Electron Mobility Transistors) to meet these needs. This thesis, through the collaboration between the CNRS/LPN and the CEA/IRFU, aims for the realization of cryogenic preamplifiers for microcalorimeters at 50 mK.The work of this thesis consists of systematic characterizations of electrical and noise parameters of the HEMTs (fabricated at LPN) at low temperatures. Based on the experimental results, one of the low-frequency-noise sources in the HEMTs has been identified, i.e., the sequential tunneling part in the gate leakage current. Thanks to this result, heterostructures have been optimized to minimize the gate leakage current and the low frequency noise. During this thesis, specific methods have been developed to measure very low-gate-leakage-current values, transistor’s capacitances and the 1/f noise with a very high input impedance. Two experimental relationships have been observed, one for the 1/f noise and other for the white noise in these HEMTs at 4.2 K. Significant advances have been made, for information, the HEMTs with a gate capacitance of 92 pF and a consumption of 100 µW can reach a noise voltage of 6.3 nV/√ Hz at 1 Hz, a white noise voltage of 0.2 nV/√ Hz, and a noise current of 50 aA/√Hz at 10 Hz. Finally, a series of 400 HEMTs has been realized which fully meet the specifications required for realizing preamplifiers at CEA/IRFU. The results of this thesis will provide a solid base for a better understanding of 1/f noise and white noise in cryogenic HEMTs with the objective to improve them for various considered applications.

La spintronique moléculaire et la photocatalyse sont deux domaines en constante évolution. Le premier s’attache à exploiter la possibilité de coupler deux phénomènes physiques, à savoir le transport d’un flux de porteurs de charges et le spin de l’électron, tandis que le second se concentre sur l’exaltation des propriétés chimiques de transfert d’électrons d’une espèce donnée grâce au phénomène physique d’irradiation lumineuse. Depuis quelques années, les nanotubes de carbone ont suscité un grand intérêt à la fois en tant que composant pour la spintronique moléculaire, en raison de leur grande cohérence de spin, et en tant que support idéal pour la catalyse moléculaire, grâce à leurs exceptionnelles propriétés électroniques de surface. Au cours de ce travail de thèse, nous nous sommes attachés à concevoir des complexes inorganiques possédant des propriétés physiques, (magnétiques ou optiques) et des propriétés chimiques (permettant leur assemblage non-covalent sur des nanotubes de carbone monoparoi) de manière à former des adduits complexes inorganiques-nanotubes aux propriétés exploitables en spintronique moléculaire et en photocatalyse. Les propriétés des complexes synthétisés ont été extensivement caractérisées (Chapitre 2), et les plus prometteurs de ces composés ont été assemblés avec succès sur les nanotubes de carbone (Chapitre 3), comme en attestent les mesures spectroscopiques réalisées. Enfin, les deux domaines d’applications concernés par nos travaux faisant intervenir des phénomènes de transport électronique, des études spécifiques sur des dispositifs électriques de type transistor à effet de champ dont le canal de conduction est constitué de nanotubes de carbone ont été réalisées (Chapitre 4). Celles-ci mettent à chaque fois en évidence l’existence d’une communication électronique entre les complexes inorganique et les nanotubes de carbone sur lesquels ils sont assemblés au sein des dispositifs. Bien qu’au final un couplage entre les propriétés magnétiques des complexes synthétisés et les propriétés de transport des nanotubes n’ait pas pu être mis en évidence, de nombreux phénomènes inattendus et extrêmement intéressants tels que des effets ambipolaires, des transferts de charge ou des ruptures de liaisons ont été observés. Par contre, un fort couplage opto-électronique a pu être obtenu entre un complexe et le flux de porteurs de charge des dispositifs, ce qui s’avère être de très bon augure pour des futures applications en photocatalyse. / Molecular spintronic and photocatalysis are two fields in constant evolution. While the first deals with the coupling of two physical properties, the flux of charge carriers and the spin of the electron, the second is focusing on the enhancement of the electron transfer of chemical species under light irradiation. Recently, there has been an increasing interest in carbon nanotubes as new components for molecular spintronics, since they possess high spin coherence, and as ideal materials for molecular catalysis, for their tremendous electronic surface properties. Our work consisted in conceiving inorganic complexes with both physical (magnetic or optic) and chemical (ability of realizing non covalent assembly on single-walled carbon nanotubes) properties, in order to create new nanotube-complex nanohybrids which could be exploited for molecular spintronics or photocatalysis applications. The properties of the synthesized complexes were extensively characterized (Chapter 2), and the most promising molecules were successfully assembled onto carbon nanotubes, as is proven by the spectroscopic measurement which were performed (Chapter 3). Finally, since both domains of applications we considered involve electronic transportation, specific studies were realized on field effect transistor devices with carbon nanotubes as the conduction channel (Chapter 4). They evidence strong electronic communications between the inorganic complexes and the carbon nanotubes onto which they are assembled in the devices. Even if in the end no coupling was observed between the magnetic properties of the inorganic complexes and the transport ones of the carbon nanotubes, numerous unexpected and very interesting phenomena such as ambipolar behavior, charge transfer effect or bond cleavage were evidenced. As for the optoelectronic coupling which was investigated for photocatalytic applications, a first step was made as the transport of the carbon nanotube field effect transistor devices onto which a complex was assembled shows a strong dependence with the applied light irradiation.

The scaling down of Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) transistors requires replacement of conventional silicon dioxide layer with higher dielectric constant (K) material for gate dielectric. In order to reduce the gate leakage current, and also to maximize gate capacitance, ‘high K’ gate oxide materials such as Al2O3, ZrO2, HfO2, Ta2O5, TiO2, Er2O3, La2O3, Pr2O3, Gd2O3, Y2O3, CeO2 etc. and some of their silicates such as ZrxSi1–xOy, HfxSi1–xOy, AlxZr1–xO2 etc. are under investigation. A systematic consideration of the required properties of gate dielectrics indicates that the key guidelines for selecting an alternate gate dielectric are (a) permittivity, band gap and band alignment to silicon, (b) thermodynamic stability, (c) film morphology, (d) interface quality, (e) compatibility with the materials/process used in CMOS devices and (f) reliability. In this study titanium dioxide (TiO2) is chosen as an alternate to silicon dioxide (SiO2). This thesis work is aimed at the study of the influence of process parameters like deposition rate, substrate temperature and annealing temperature on the electrical properties like maximum capacitance, dielectric constant, fixed charge, interface trapped charge and leakage current. For making this analysis we have used p–type single crystal silicon (<100>) as substrates and employed direct current (DC) reactive magnetron sputtering method with Titanium metal as target and Oxygen as reactive gas. TiO2 thin films have been deposited with an expected thickness of 50 nm with different deposition rates starting from 0.8 nm/minute to 2 nm/minute with different substrate temperatures (ambient temperature to 500ºC). Some of the samples are annealed at 750ºC in oxygen atmosphere for 30 minutes. SENTECH make Spectroscopic Ellipsometer is used for analyzing the optical properties such as thickness, refractive index etc. The thicknesses of all the samples that are extracted from the Ellipsometry are varying from 35 ± 2 nm to 50 ± 5 nm. Agilent make 4284A model L−C−R meter along with KarlSUSS wafer probe station is used for the C − V measurements and Keithley make 6487 model Pico ammeter/Voltage source is used for the I−V measurements. MOS capacitors have been fabricated with Aluminium as top electrode to perform the bi directional Capacitance−Voltage and also Current−Voltage analysis. The X–ray diffraction studies on the samples deposited at 500ºC showed that the films are amorphous. Dielectric constant (K) and effective substrate doping concentration (Na), flat band voltage (VFB), hysteresis, magnitude of fixed charges (Qf) as well as interface states density (Dit') and Equivalent Oxide Thickness (EOT) are obtained from the bi directional C−V analysis. A maximum dielectric constant of 18 is achieved with annealed samples. The best value of fixed charge density we have achieved is 1.2 x1011 per cm2 corresponding to the deposition rate of 2.0 nm/minute and with 500ºC substrate temperature. The ranges of Qf values that we have obtained are varying from 1.2x 1011 − 1.0 x1012 per cm2. It was also found that, the samples deposited at higher substrate temperatures show lower Qf values than the samples deposited at lower temperatures. The same trend is observed in case of interface states density also. The range of Dit' values we have obtained are in the range of 1.0 x 1012 cm–2eV–1 to 9x1012 cm–2eV–1. The best value of Dit' we have obtained is 1.0x1012 cm–2 eV–1 for the sample deposited at 0.8 nm/minute deposition rate and with substrate temperature of 400ºC. From the flat band voltage values of different set of samples, it was found that the flat band voltage is decreasing and in turn trying to approach the analytical value for the films deposited at higher deposition rates. The minimum EOT that we have achieved is 11 nm that corresponds to the film, which is annealed at 750ºC in oxygen atmosphere. From the I−V analysis it was found that the leakage current density is increasing with increase in substrate temperature and the same trend is observed with annealed films also. The minimum leakage current density achieved is 1.72x10–6 A/cm2 at a gate bias of 1V (corresponding field of 0.3 MV/cm). From the time dependent dielectric breakdown analysis it was found that the leakage current is exhibiting a constant value during the entire voltage stress time of 23 minutes. From the I–V characteristics it was found that the leakage current is following the Schottky emission characteristics at lower electric fields (< 1MV/cm) and is following the Fowler–Nordheim tunneling mechanism at higher electric fields. Since our aim is to study the electrical properties of titanium dioxide thin films for the application as high K gate dielectric in microelectronic applications more emphasis is given on the electrical properties. The maximum dielectric constant we have achieved is in the comparable range of the values for this parameter. The leakage current density values obtained are higher than the required for the microelectronic devices, where as the interface state density values and fixed charge density values are in the same range of values that are reported with this particular oxide and more care has to be taken to minimize these parameters. The EOT values we have achieved are also falling into the range of values that it actually takes as it was reported in the literature.

Today there is a great deal of interest in the development of gas sensors for applications like air pollution monitoring, indoor environment control, detection of harmful gases in mines etc. Based on different sensing principles, a large variety of sensors such as semiconductor gas sensors, thermoelectric gas sensors, optical sensors and thermal conductivity sensors have been developed. The present thesis reports a detailed account of a novel method followed for the design and development of a thermoelectric gas sensor for sensing of Volatile Organic Compounds. Thermoelectric effect is one of the highly reliable and important working principles that is widely being put into practical applications. The thermoelectric property of semiconducting tin oxide film has been utilized in the sensor that has been developed. The thermoelectric property of semiconducting tin oxide film has been utilized in the sensor. The deposition parameters for sputtering of tin oxide film have been optimized to obtain a high seebeck coefficient. A test set-up to characterize the deposited films for their thermoelectric property has been designed and developed. A novel method of increasing the seebeck coefficient of tin oxide films has been successfully implemented. Thin films of chromium, copper and silver were used for this purpose. Deposition of the semiconducting oxide on strips of metal films has led to a noticeable increase in the seebeck coefficient of the oxide film without significantly affecting its thermal conductivity. The next part of our work involved development of a gas sensor using this thermoelectric film. These sensors were further tested for their response to volatile organic compounds. The sensor showed significant sensitivity to the test gases at relatively low temperatures. In addition to this, the developed sensor is also selective to acetone gas.

In dieser Arbeit wird eine neue Methode und ein neuartiges FET -Sensorelement zum Nachweis von Flüssigkeitsbewegungen vorgestellt, das zudem bei Bedarf auch als Chemo- oder Biosensor fungieren kann. Das Einsatzspektrum von FET-basierten Sensoren in Lab on a Chip-Systemen wird dadurch entscheidend erweitert. Bei dem entwickelten FET-Sensor Bauelement handelt es sich um einen normally-on n-leitenden Dünnschichtfeldeffekttransistor mit Ti-Au-Kontakten, basierend auf Silicon-on-Insulator- Substraten, wobei das natürliche Oxid des Siliziumfilms als Schnittstelle zum Elektrolyten bzw. zur Flüssigkeit verwendet wird. Der mit 10exp16 Bor Atomen pro cm³ p-dotierte Siliziumdünnfilm hat eine Dicke von nur 55 nm und ist durch eine 95 nm dicke Siliziumdioxidschicht vom darunterliegenden Siliziumsubstrat von 600 µm Dicke elektrisch isoliert. Aufgrund der geringen Schichtdicke durchdringt die feldempfindliche Raumladungs- bzw. Verarmungszone die gesamte Dünnschicht, so dass durch Anlegen einer Backgatespannung am Substrat der spezifische Widerstand und die Empfindlichkeit des Bauelements eingestellt werden können. Grundlegende ISFET-Funktionalitäten wie die Empfindlichkeit auf Änderungen der Ionenstärke und des pH-Wertes werden nachgewiesen und ein ENFET-Glukosesensor realisiert. Zudem wird im Hinblick auf die Separation von Emulsionen der Nachweis erbracht, dass die Benetzung mit Hexan und Toluol eine Änderung der spezifischen Leitfähigkeit bewirkt, und die Empfindlichkeit des Bauelements nach Beschichtung mit einem hydrophoben Methacrylatcopolymerfilm erhalten bleibt. Hinsichtlich der Verwendung des FET-Sensor Bauelements zum Nachweis von Flüssigkeitsbewegungen wird zunächst ein theoretisches Modell entwickelt, dessen Kernaussage ist, dass sich in einem rechteckigen Kanal der relative Bedeckungsgrad mit Flüssigkeit direkt proportional zum Drainstrom des FET-Sensors verhält. Basierend auf diesem theoretischen Modell, welches experimentell belegt wird, können mittels eines einzelnen FET-Sensors Füllstand und Füllgeschwindigkeit bzw. bei bekannter Füllgeschwindigkeit Kapillarvolumen und Kapillargeometrie bestimmt werden. Abweichungen von der direkten Proportionalität erlauben zudem, Rückschlüsse auf die Benetzungseigenschaften der Kapillaren und die Dynamik an der Halbleitergrenzfläche zu ziehen. Ist ein Sensorelement vollständig mit Flüssigkeit bedeckt, wird mittels Lösungsmitteltropfen als Markerobjekten die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt. Ändert sich die Ionenkonzentration im Elektrolyten als Funktion der Strömungsgeschwindigkeit, so kann die Strömungsgeschwindigkeit durch Messung der Ionenkonzentration mittels FET-Sensor ebenfalls ermittelt werden. Als wichtigster Demonstrator für die Verwendung des FET-Sensors wird ein komplexes Lab on a Chip-System zur Separation von Emulsionen auf chemisch strukturierten Oberflächen entwickelt, bei dem der Separationsvorgang mittels FET-Sensorarray verfolgt werden kann. Zur einfachen Herstellung chemisch modifizierter Oberflächen für die Separationsexperimente werden die Abscheidung von nanoskaligen hydrophoben Methacrylatcopolymerfilmen und die selektive Fluorsilanisierung von Oberflächen sowie deren Lösungsmittelbeständigkeit in Wasser, Toluol und Aceton untersucht. Dabei zeigt sich, dass die Hydrophobie nach Lösungsmittelbehandlung weitestgehend erhalten bleibt, Wasserrückstände im Methacrylatfilm aber zu einer reversiblen Schichtdegradation führen können. Als Modellsystem werden Hexan-Wasser- bzw. Toluol-Wasser-Emulsionen verwendet, die auf Oberflächen getrennt werden, deren eine Seite hydrophil, und deren andere Seite hydrophob ist (Stufengradient). Der Separationsprozess beruht auf der großen Affinität des Wassers hin zu polaren Oberflächen, wobei das wenig selektive Lösungsmittel zur unpolaren Seite gedrängt wird. Zur Erlangung eines tieferen Verständnisses des Prozesses werden die Tropfenkoaleszenz und der Einfluss geometrischer Beschränkungen untersucht. Die Versuche werden sowohl auf offenen Oberflächen als auch im Spalt, unter Verwendung von hydrophilen und hydrophoben Oberflächen, durchgeführt. Es zeigt sich, dass sich die Dynamik der Tropfenkoaleszenz im Spalt umgekehrt zur Dynamik auf offenen Oberflächen verhält. Dies wird mittels eines hierzu entwickelten theoretischen Modells erklärt, welches die Minimierung der Oberflächenenergie und Hystereseeffekte einbezieht. Das Lab on a Chip-System schließlich besteht aus einem mit Siliziumnitrid beschichteten FET-Sensorchip, auf den eine Separationszelle aufgeklebt ist. Neben dem Einlass für die Emulsion ist ein weiterer Einlass vorhanden, durch den Salzsäure für eine pH-Reaktion zugegeben werden kann. Der gesamte Separationsprozess sowie die anschließende pH-Reaktion, lassen sich bequem am PC anhand der Änderung der Stromstärke der einzelnen Sensoren verfolgen und analysieren. Wichtige Ergebnisse hier sind: 1) Mittels eines quasi 1-dimensionalen Sensorarrays kann der Verlauf einer Flüssigkeitsfront in einem 2-dimensionalen Areal überwacht bzw. dargestellt werden. 2) Anhand der Signatur des Signalverlaufs bei pH-Änderung und Flüssigkeitsbewegung, können beide Prozesse unterschieden werden. Der Sensor kann also zum Nachweis von Flüssigkeitsbewegungen und zugleich als Chemosensor eingesetzt werden. Es wurde also nicht nur ein neuartiges, äußerst robustes, chemikalienbeständiges und biokompatibles Multifunktionssensorelement mit Abmessungen im Mikrometer- bis Millimeterbereich entwickelt, sondern auch eine neue Methode entwickelt, mit der es möglich ist, sowohl (bio-)chemische Reaktionen als auch die Bewegung von Flüssigkeiten in Lab on a Chip-Systemen nachzuweisen.

Die vorliegende Arbeit behandelt die Herstellung geordneter C60-Schichten, ihre elektrochemische Nanostrukturierung in wässrigen Lösungen und ionischen Flüssigkeiten und den Einsatz geordneter und nanostrukturierter Fullerenschichten in organischen Dünnschichttransistoren. Geordnete C60-Schichten wurden durch thermische Verdampfung im Hochvakuum hergestellt. Als Substratmaterial wurden HOPG (Graphit), Glimmer und einkristallines Silizium verwendet. Die größten einkristallinen Bereiche werden auf HOPG-Substraten erhalten. Die laterale Ausdehnung der C60-Kristallite parallel zu den Graphitstufen kann bis zu 50 µm erreichen, orthogonal zu den Stufen ist das Wachstum durch die Graphitstufen begrenzt. Die elektrochemische Reduktion von C60 -Schichten in wässriger Lösung ist elektrochemisch irreversibel. Die geflossene Ladung beträgt ein Vielfaches der theoretisch möglichen Menge. Durch die Reduktion tritt eine Nanostrukturierung der Schichtoberfläche ein, die Größe der gebildeten Cluster beträgt 20 nm bis 50 nm. Fullerenpolymere und hydriertes C60 sind die chemischen Hauptprodukte der elektrochemischen Nanostrukturierung in wässriger Lösung. Die Reduktion von Fullerenschichten in ionischen Flüssigkeiten ist aufgrund der geschlossenen Schichtoberfläche und des starken Potentialabfalls in der Fullerenschicht zunächst kinetisch gehemmt und setzt erst bei negativeren Potentialen im Bereich der Reduktion zum C60-Dianion ein. Die Reduktion der Fullerenschichten ist elektrochemisch irreversibel, zum Teil aber chemisch reversibel. Es konnte erstmals der Einsatz nanostrukturierter C60 -Schichten als aktives Halbleitermaterial in Feldeffekt-Transistoren gezeigt werden. Für die Verwendung nanostrukturierter Fullerenschichten in Feldeffekt-Transistoren wurde 11-(3-Thienyl-)undecyl-trichlorosilan als Haftvermittler eingesetzt. Die gezeigten Ergebnisse von C60 -Transistoren mit hoher Ladungsträgerbeweglichkeit und der erfolgreichen Verwendung nanostrukturierter Fullerenschichten in Transistorstrukturen zeigen die Möglichkeiten des C60 als aktives Halbleitermaterial auf.

Die vorliegende Arbeit behandelt die Charakterisierung von epitaktischem Graphen auf Siliziumkarbid (0001) mittels Raman-Spektroskopie. Nach der Einführung theoretischer sowie experimenteller Grundlagen werden das Wachstum von Graphen auf Siliziumkarbid (SiC) behandelt und die untersuchten Materialsysteme vorgestellt. Es wird gezeigt, dass das Raman-Spektrum von epitaktischem Graphen auf SiC (0001) neben den Phononenmoden des Graphens und des Substrats weitere Signale beinhaltet, welche der intrinsischen Grenzflächenschicht, dem Buffer-Layer, zwischen Graphen und SiC zugeordnet werden können. Das Raman-Spektrum dieser Grenzflächenschicht kann als Abbild der phononischen Zustandsdichte interpretiert werden. Fortführend werden verspannungsinduzierte Änderungen der Phononenenergien der G- und 2D-Linie im Raman-Spektrum von Graphen untersucht. Dabei werden starke Variationen des Verspannungszustands beobachtet, welche mit der Topographie der SiC-Oberfläche korreliert werden können und erlauben, Rückschlüsse auf Wachstumsmechanismen zu ziehen. Die Entwicklung einer neuen Messmethode, bei der das Raman-Spektrum von Graphen durch das SiC-Substrat aufgenommen wird, ermöglicht die detektierte Raman-Intensität um über eine Größenordnung zu erhöhen. Damit wird die Raman-spektroskopische Charakterisierung eines Graphen-Feldeffekttransistors mit top gate ermöglicht und ein umfassendes Bild des Einflusses der Ladungsträgerkonzentration und der Verspannung auf die Positionen der G- und 2D-Raman-Linien von quasifreistehendem Graphen auf SiC erarbeitet.

Un nanonet possède des propriétés remarquables qui proviennent non seulement des propriétés intrinsèques de chaque nanostructure mais aussi de leur assemblage en réseau ce qui les rend particulièrement attractifs pour de multiples applications, notamment dans les domaines de l’optique, l’électronique ou encore le biomédical. Dans ce travail de thèse, des nanonets constitués de nanofils de silicium ont été intégrés pour la première fois sous forme de transistors à effet de champ avec une grille en face arrière. La filière technologique développée est parfaitement compatible avec une production des dispositifs en masse, à bas coût et à grande échelle pour un budget thermique n’excédant pas 400°C. Des avancées technologiques majeures ont été réalisées grâce à la maîtrise du frittage des jonctions entre nanofils, de la siliciuration des contacts et de la passivation des nanofils avec de l’alumine. Les transistors à nanonets fabriqués présentent des caractéristiques électriques excellentes, stables sous air et reproductibles qui sont capables de concurrencer celles des transistors à nanofil unique. Une étude approfondie de la percolation par des mesures expérimentales et des simulations Monte-Carlo a mis en évidence que la limitation de la conduction par les jonctions entre nanofils permet d’améliorer considérablement les performances électriques. Après une intégration des dispositifs sous forme de biocapteurs, il a été montré que les transistors sont sensibles électriquement à l’hybridation de l’ADN. Bénéficiant d’un procédé de fabrication compatible avec l’industrie de la microélectronique, une intégration 3D de ces transistors à nanonet sur un circuit de lecture peut alors être envisagée ce qui ouvre la voie à des biocapteurs portables, capables de détecter l’ADN en temps réel et sans marquage. De plus, la flexibilité mécanique et la transparence optique du nanonet offrent d’autres opportunités dans le domaine de l’électronique flexible. / A nanonet exhibits remarkable properties which arises from, not only, the intrinsic properties of each nanostructure but also from their assembly into network which makes them particularly attractive for various applications, notably in the field of optics, electronics or even biomedical. During this Ph.D. work, silicon nanowire-based nanonets were integrated for the first time into field effect transistors with a back gate configuration. The developed technological process is perfectly suitable with a large-scale and massive production of these devices at low cost without exceeding a thermal budget of 400°C. Major technological breakthroughs were achieved through the control of the sintering of nanowire junctions, the contact silicidation and the nanowire passivation with alumina. The as-fabricated nanonet transistors display outstanding, air stable and reproducible electrical characteristics which can compete with single nanowire-based devices. An in-depth study of percolation using experimental measurements and Monte-Carlo simulations highlighted that the conduction limitation by nanowire junctions allow to enhance drastically the electrical performances. After device integration into biosensors, it has been shown that transistors are electrically sensitive to DNA hybridization.Beneficiating from a fabrication process compatible with the microelectronic industry, a 3D integration of these nanonet-based transistors onto a readout circuit can therefore be envisioned which opens new avenues for portable biosensors, allowing direct and label-free detection of DNA. Furthermore, mechanical flexibility and optical transparency offer other opportunities in flexible electronic field.