L'objectif de cette thèse est d'étudier la miniaturisation des dispositifs à mémoire non-volatile, de type FLASH, en remplaçant la grille flottante avec des monocouches de molécules redox, les polyoxométallates. Dans ce but, j'ai été engagé dans un programme visant à construire des dispositifs qui utilisent les propriétés des polyoxométallates (POMs) pour stocker des informations. Dans une approche générale, une molécule redox-active fixée à une surface d'électrode de silicium sert de support de stockage actif, et l'information est stockée dans les états d'oxydo-réduction discrets de la molécule (POM). Ce travail est organisé en quatre parties et commence par une brève introduction sur les mémoires moléculaires et les polyoxométallates. Il continue avec les résultats expérimentaux en Partie 2, la synthèse et la caractérisation des polyoxométallates fonctionnalisés; en Partie 3, les électrodes modifiés par des polyoxométallates et en Partie 4, l'étude électrique des condensateurs modifiés par des polyoxométallates.

La croissance du nombre d'études en électronique moléculaire depuis plusieurs décennies repose sur la perpective fascinante d'utiliser des " briques " moléculaires nanométriques pour la fabrication de composants électroniques. Le travail présenté ici s'inscrit dans cette perspective avec comme particularité d'utiliser les monocouches auto-assemblées (les SAMs) pour former le système moléculaire à étudier. La synthèse de ces travaux de recherche en électronique moléculaire durant ces 10 dernières années à l'IEMN sera présentée en se focalisant plus particulièrement sur quatre aspects de ces activités. Tout d'abord, nous aborderons la problématique de la formation expérimentale de la jonction moléculaire (métal ou semi-conducteur/molécules/métal). Dans ce cadre, nous décrirons la réalisation expérimentale de nombreux types de jonctions moléculaires par: électrodes coplanaires (espacées de 50 µm à 16 nm), masque mécanique, micro-nanopore, contact avec une électrode liquide (eGaIn et Hg) et Conducting AFM. Dans un second temps, nous discuterons des mécanismes de transport électronique au sein de la jonction. Pour cela nous étudierons une technique très utilisée depuis quelques années appelée Transition Voltage Spectrocopy (ou TVS), qui permet théoriquement de remonter au niveau d'énergie de l'orbitale moléculaire impliquée dans le transport électronique au sein de la molécule. Notre approche dans cette partie repose sur l'analyse par TVS d'un grand nombre de jonctions moléculaires formées par différentes techniques, et différentes molécules déposées en SAM (en fait 3 familles de molécules). Les résultats obtenus seront comparés à ceux obtenus par UPS et IPES afin d'estimer la pertinence de la technique TVS. Nous verrons que ce travail met en lumière l'importance de l'interface sur l'interprétation des résultats obtenus par TVS. Le troisième aspect traitera de la réalisation d'un composant moléculaire : le transistor à effet de champ, dont le canal conducteur est constitué d'une SAM. La fabrication à l'aide d'électrodes coplanaires de ce type de composant, nommé Self Assembled Monolayer Field Effect Transistor ou SAMFET, sera décrite. Nous verrons que ce transistor donne des valeurs de mobilités comparables à celles obtenues sur des transistors organiques avec un canal conducteur plus épais. De plus, les tensions nécessaires au fonctionnement de ce SAMFET sont très faibles (inférieures à 2V). C'est la première démonstration de SAMFET avec des tensions de fonctionnement proches du volt. Le quatrième et dernier volet portera sur la réalisation de jonctions moléculaires stimulables, c'est-à-dire des molécules dont la conductance change sous l'effet d'une excitation extérieure. Trois aspects seront détaillés : tout d'abord, nous comparerons les conditions de greffage sur substrat d'or pour des SAMs constituées de molécules dérivées quaterthiophène avec une ou deux fonctions thiol ; puis nous étudierons une molécule déposée en SAM capable de réagir avec des cations Pb2+ et modifier ses propriétés électroniques ; et enfin, nous examinerons des jonctions excitables optiquement nommées commutateurs électro-optiques. Pour ce dernier exemple, la jonction est constituée d'une molécule avec un groupement azobenzène. Ce groupement peut basculer optiquement et réversiblement entre deux isomères. Ces deux isomères ont des conductances différentes, le rapport des conductances moyen a été mesuré à environ 1,5.103 et avec une valeur maximum de 7.103. Ce ratio de conductance entre les deux isomères demeure à ce jour le plus élevé mesuré pour des jonctions moléculaires à base de molécules dérivées azobenzène.

Au cours de ce travail nous avons étudié la réalisation de couches moléculaires d’accroche terminées amine. Sur l’oxyde de silicium l’aminopropyletriméthoxysilane (APTMS) a été déposé à partir d’une solution, et via une méthode originale par voie sèche qui nous a permis de mettre en évidence les temps caractéristiques de greffage et d’organisation de la couche d’APTMS. Sur l’or, les monocouches d’aminoéthanethiol (AET) et d’aminothiophénol (ATP) ont été réalisées à partir d’une solution. Nous avons ensuite étudié les aspects structuraux et cinétiques du greffage des fullerènes C60 sur de telles couches d’accroche, constituées de terminaisons amines soit sur toute la surface soit en des zones isolées (couches binaires). Les techniques de spectroscopie UV-Visible, IRTF, Raman, et XPS ont permis d’observer le greffage des C60 sur les couches aminées. La spectroscopie Raman en mode exalté (SERS) a mis en lumière que les molécules d’ATP étaient plus inclinées après le greffage à reflux des C60. Les analyses des diverses couches à l’échelle moléculaire ont été menées par microscopie à sondes locales (AFM, STM), et les mesures électriques réalisées sur or à l’aide de la pointe STM ont montré le caractère isolant de la couche d’accroche seule et un gap proche de celui du C60 après greffage des fullerènes. Elles ont également mis en évidence que le C60 était greffé sélectivement sur les zones terminées amines des couches d’accroche binaires. Enfin, une application potentielle des couches de C60 étant les mémoires moléculaires, les propriétés électriques des diverses couches réalisées ont été mesurées à l’aide de contacts électriques évaporés. / In this work we studied the preparation of sticking amine- terminated molecular layers. On silicon dioxide, 3-aminopropyltrimethoxysilane (APTMS) was de- posited from a solution, and using an original dry method that allowed us to determine time constants of APTMS layer grafting and organization. On gold surfaces, monolayers of aminoethanethiol (AET) and aminothiophenol (ATP) molecules were prepared from a solution. Then, we studied structural and kinetic aspects of ullerene C60 grafting on such sticking layers, terminated by amines either all over the surface or on isolated areas (binary layers). UV-visible, FTIR, Raman and XPS spectroscopy techniques enabled to observe that C60 was grafted on the amine-terminated layers. Exalted Raman spec- troscopy (SERS) revealed ATP molecules were more tilted after C60 grafting under reflux. Analyses of all the layers were made at a molecular level by local probe microscopy (AFM, STM), and electrical measurements performed on gold using the STM tip showed the in- sulating nature of the sticking layer whereas a gap close to that of C60 appeared after grafting of fullerenes. They also highlighted that C60 was selectively grafted on amine- terminated zones within binary sticking layers. At last, one of potential applications of C60 layers being molecular memory cells, electrical properties of the various studied layers were measured through evaporated electrical contact pads.