Le travail de thèse a porté de façon générale sur l'étude des transitions dans les hétérostructures à cascade quantique. Deux types de structures ont été étudiés, le laser émettant dans la gamme des THz et le détecteur moyen infrarouge. Cette étude a été menée en champ magnétique appliqué perpendiculairement ou parallèlement aux couches des hétérostructures. Dans la première configuration, nous avons observé des oscillations de courant dans les deux types de structures associées dans le cas des lasers à des oscillations de puissance lumineuse ainsi que de courant seuil. Ces oscillations sont la signature de différents processus de relaxation élastiques et inélastiques. Par la quantification de Landau, les temps de vie des électrons sur les niveaux mis en jeu dans les transitions sont modifiés menant à une modulation du courant et de la puissance laser en fonction du champ magnétique. Un modèle a été développé pour en comprendre l'origine. Ce faisant les processus dominants limitant le fonctionnement des lasers ont été mis à jour. Dans le cas des détecteurs, le champ magnétique nous a permis d'étudier toutes les origines du courant d'obscurité et de mettre en exergue les facteurs limitant leur fonctionnement. Un modèle décrivant le transport dans ces structures a été élaboré à partir de cette étude. Enfin, dans la seconde configuration, en champ magnétique appliqué de façon parallèle aux couches des lasers à cascade, nous avons pu mettre en évidence un déplacement relatif des sousbandes de la transition radiative.

Pendant les deux dernières décennies, la manipulation des parois de domaines est devenuel'une des parties inamovibles de la spintronique. L'interaction entre les électrons deconduction polarisés en spin et les moments magnétiques localisés en termes demagnétorésistance géante en 1988 et en termes de couple de transfert de spin en 1996, a lancéune avalanche de travaux expérimentaux sur la dynamique de l'aimantation induite par uncourant polarisé. Malgré les recherches très intensives dans ce domaine, de nombreusesquestions fondamentales restent sans réponse. Par exemple, l'origine des paramètresphénoménologiques alpha et bêta, étant au coeur de la description de la dynamique del'aimantation, n'est pas entièrement comprise. Habituellement, dans les systèmes étudiésexpérimentalement les paramètres micromagnétiques sont fixés, de sorte qu'il est impossiblede vérifier leur rôle dans la dynamique de l'aimantation. Par exemple, un changement d'unparamètres tel que l'aimantation ou le moment angulaire, la largeur de paroi de domaine, etc,pourrait éclaircir la compréhension de la dynamique de parois induite par du champ ou decourant. Dans la première partie de mon travail que je vais décrire un alliage de Gd1-xCoxavec un gradient de composition (et donc d'aimantation). La composition de l'alliage estchoisi de façon que une interface magnétique compensée est présente dans nos couchesminces. Une telle couche mince sert de système modèle idéal avec un changement continu d'aimantation à une température constante. Ce système fait l'objet d'une étude sur la dynamiquede l'aimantation induite par le courant electrique, le champ magnétique et la lumière. Dans laseconde partie de l'ouvrage des tricouches Pt/Co/AlOx, un système déjà montré être adapté àla manipulation des parois de domaines rapide et reproductible, est étudiée. J'ai testéexpérimentalement et prouvé l'hypothèse reliant le rendement du couple de transfert de spin àle présence d'un champ magnétique transverse ayant pour origine l'effet Rashba auxinterfaces du cobalt.

Cette thèse porte sur la croissance de films minces d’oxydes de zinc/fer (ZnxFe1-xO1+δ par ablation laser pulsée (PLD) et sur la possibilité de contrôler leurs propriétés structurales et physico-chimiques en variant les conditions d’élaboration : pression d’oxygène et température de croissance, proportions respectives de zinc/fer. Pour de fortes valeurs de x (x > 65%), les films sont monophasés de structure wurtzite type ZnO (films Fe:ZnO), avec une transparence optique dans la gamme UV-visible de 80% mais sans propriété ferromagnétique ; en fonction de leur teneur en fer (1-x), ils évoluent de très bons conducteurs électriques à quasi-isolants. Pour de faibles valeurs de x (x < 15%), les films sont également monophasés de structure spinelle type Fe3O4 (films Zn:Fe3O4). Ils présentent de très bonnes propriétés ferromagnétiques dès la température ambiante ainsi qu’une bonne conductivité électrique, les effets de localisation des porteurs de charge se manifestant en dessous de la température de Verwey. Le nombre de parois d’antiphase peut être diminué par une croissance en deux étapes, comme l’atteste les mesures de magnétorésistance. Aux taux intermédiaires de zinc (15% < x < 65%), les films sont nano-composites. Dans le cas d’une coexistence des phases Fe:ZnO et Zn:Fe3O4, la bonne conductivité de Zn:Fe3O4 jointe à la multiplicité des variantes épitaxiales et donc des interfaces fournit un matériau adapté à la thermoélectricité. Dans le cas d’une coexistence de la phase ferrromagnétique Zn:Fe3O4 avec la phase Zn:FeO antiferromagnétique de type sel gemme, un fort couplage d’échange ainsi qu’une anisotropie magnétique perpendiculaire élevée sont mis en évidence. / This thesis deals with the growth of thin films of zinc/iron oxides (ZnxFe1-xO1+δ) by pulsed laser deposition (PLD) and the possibility of controlling their structural and physicochemical properties by varying the elaboration conditions: oxygen pressure and growth temperature, respective proportions of zinc/iron. For high values of x (x> 65%), the films are single-phase with a ZnO-type wurtzite structure (Fe:ZnO films), with 80% optical transparency in the UV-visible range but without ferromagnetic properties; depending on their iron (1-x) content, they evolve from very good electrical conductors to near-insulators. For small values of x (x <15%), the films are also single-phase with a Fe3O4-type spinel structure (Zn:Fe3O4 films). They exhibit very good ferromagnetic properties at ambient temperature as well as good electrical conductivity, the localization effects of charge carriers occurring below the Verwey temperature. The number of antiphase walls can be decreased by a two-step growth, as evidenced by magnetoresistance measurements. At intermediate zinc rates (15% <x <65%), the films are nano-composites. In the case of a coexistence of the Fe:ZnO and Zn:Fe3O4 phases, the good conductivity of Zn:Fe3O4 combined with the multiplicity of epitaxial variants and thus of the interfaces provides a material suitable for thermoelectricity. In the case of a coexistence of the ferrromagnetic Zn:Fe3O4 phase with the Zn:FeO antiferromagnetic rocksalt phase, strong exchange coupling as well as high perpendicular magnetic anisotropy are demonstrated.

La spintronique classique utilise généralement des matériaux magnétiques pour produire un courant de spin à partir d’un courant de charge. Un autre moyen, plus récemment étudié, consiste à utiliser le couplage spin-orbite (SOC). Il permet de produire un courant de spin pur selon une direction transverse au courant de charge en tenant compte des principes de la mécanique quantique relativiste. Dans les matériaux à fort couplage spin-orbite, les courants de spin ainsi produits sont suffisamment importants pour imaginer les utiliser pour la commutation magnétique dans les dispositifs spintroniques. Le couplage spin-orbite, correspondant à une correction relativiste dans les équations du mouvement de l’électron, particule de spin 1/2, peut être grand dans des matériaux contenant des atomes lourds. Cela signifie qu’une conversion du courant de charge en courant de spin peut être obtenue en utilisant les propriétés de systèmes à fort SOC tel que le platine (Pt), le tungstène (W) ou le tantale (Ta), par exemple. Depuis peu, des systèmes électroniques bidimensionnels (2DEG), obtenus au niveau d’interfaces ou de surfaces particulières, ont démontré des propriétés permettant des effets d’inter-conversion particulièrement efficaces. En particulier des états Rashba ou des systèmes d’isolants topologiques, suscitent actuellement un fort engouement dans la communauté de la spintronique pour cette faculté d’inter-conversion spin-charge.Dans ce cadre particulier, depuis une dizaine d’années, les isolants topologiques ont été étudiés pour leurs propriétés électroniques non conventionnelles qui prennent racine dans la définition théorique de l’effet Hall quantique entier donnée par Thouless, ainsi que dans les travaux de Haldane dans le graphène et de Kane dans des systèmes semi-conducteurs à faible bande interdite pourvus d’un SOC fort. Ces systèmes 2D présentent des propriétés électriques intrigantes : ils sont isolants en volume et conducteurs en surface. Ces états de conductions sont pourvus d’une dispersion linéaire en énergie en fonction du vecteur d’onde k, comme dans le cas du graphène, avec une hélicité en spin déterminée.De nombreuses questions restent néanmoins ouvertes quant à la compréhension des mécanismes à l’origine de ces états de conduction en surface, mais également quant à la manière la plus simple de détecter ces états topologiques. En vue de leur intégration dans des dispositifs spintroniques et de la réalisation d’interface TI/Matériaux ferromagnétiques un certain nombre de questions se posent : comment préserver la nature des états topologiques à l’interface ? Quels matériaux utiliser et quelle est la nature atomique de l’interface (diffusion atomique) ? Quels sont les échanges électroniques à l’interface ? Etc.L’une des applications utilisant les propriétés des isolants topologiques, est d’utiliser les propriétés de conversion du courant de charge en courant de spin (et vice versa) afin de modifier ou commuter l’aimantation d’un élément ou mémoire ferromagnétique déposé directement (ou séparé par une couche tampon) sur le matériau topologique lui-même. Un tel système de bicouches ou multi-couches devrait être capable de s’intégrer dans une mémoire vive magnétique (MRAM) ou d’accroître le potentiel des disques électroniques (SSD) en raison du caractère permanent et non volatile de l’état d’aimantation du matériau. C’est dans ce cadre que s’inscrit cette thèse. / Conventional spintronics generally uses magnetic materials to produce a spin current from a current of charge. Another means, more recently studied, is the use of spin-orbit coupling (SOC). It makes possible to produce a pure current of spin in a direction transverse to the charge current, taking into account the principles of relativistic quantum mechanics. In materials with strong spin-orbit coupling, the spin currents are large enough to imagine using them for magnetic switching in spintronic devices. The spin-orbit coupling, corresponding to a relativistic correction in the equations of motion of the electron, a spin 1/2 particle, can be large in materials containing heavy atoms. This means that a conversion from charge current to spin current can be obtained using the properties of SOC systems such as platinum (Pt), tungsten(W) or tantalum (Ta) for example. Recently 2 dimensionnal electronic gas (2DEG), obtained at particular interfaces or surfaces, have demonstrated properties allowing particularly effective inter-conversion effects. In particular Rashba states or topological insulator systems, are currently arousing a strong interest in the spintronics community for this faculty of spin-charge conversion.In this particular context, over the last ten years or so, topological insulators have been studied for their electronic properties which are rooted in the theoretical definition of the integer quantum Hall effect given by Thouless, as well as in the work of Haldane in graphene and Kane in low bandgap semiconductor systems with a strong SOC. These systems have intriguing electrical properties: they are insulating in volume and conductive on the surfaces. These conductivity states have a linear energy dispersion as a function of the k-wave vector, as in the case of the graphene, with a determined spin helicity.Nevertheless, many questions remain open as the understanding of the mechanisms at the origin of these states of surface conduction, but also as to the simplest way to detect these topological states. In order to integrate in spintronic devices and to realize TI/Ferromagnetic materials interface, a number of questions arise: how to preserve the nature of the topological states at the interface? What materials should be used and what is the atomic nature of the interface (inter-mixing) ? What are the electronic exchanges at the interface? Etc.One of the applications using the properties of topological insulators, is to use the conversion properties of the charge current to spin current in order to modify or switch the magnetization of a ferromagnetic element or memory deposited directly (or separated by a buffer layer) on the topological material itself. Such a two-layer system or multilayer should be capable of integration into a magnetic random access memory (MRAM) or of increasing the potential of disks (SSD) due to the permanent and non-volatile nature of the magnetisation state of the material. This is framework of this thesis.

Cette thèse est dédiée à l'étude des propriétés de magnéto-transport des gaz d'électrons bidimensionnel, et plus spécifiquement du graphène sur carbure de silicium (G/SiC) ainsi qu’à l'interface entre les oxydes complexes LaAlO3 (LAO) et SrTiO3 (STO). Nous exploitons la génération d’un champ magnétique intense (jusqu'à 80 T) et les très basses températures (jusqu'à 40 mK) pour étudier les propriétés de transport quantique, qui sont évocatrices de la structure de bandes électroniques sous-jacente. Dans G/SiC, à la limite du régime d’effet Hall quantique, nous mesurons un plateau de Hall ultra-large quantifié à R=h/2e² couvrant un champ magnétique de plus de 70 T (de 7 T à 80 T). La résistance longitudinale est proche de zéro mais présente, de manière inattendue, de faibles oscillations périodiques avec l’inverse du champ magnétique. Sur la base d’observations microscopiques, ce gaz d’électrons 2D est modélisé par une matrice de graphène ayant une densité de porteurs de charge faible, parsemée d’ilots de taille micrométrique ayant un dopage plus important. Les simulations numériques des propriétés de transport reproduisent bien le plateau de Hall et la présence des oscillations. Au-delà du substrat de SiC qui agit comme un réservoir de charge et stabilise le facteur de remplissage à ν=2, un transfert de charge dépendant du champ magnétique entre les ilots chargés est responsable de la présence des oscillations de la magnétorésistance. Cette étude originale fournit de nouvelles perspectives pour des applications en métrologie. Les propriétés remarquables des gaz d’électrons 2D à l'interface entre les oxydes complexes LAO et STO sont aujourd'hui envisagées pour le développement de futurs dispositifs multifonctionnels. Toutefois, leurs propriétés électroniques sont encore mal connues et nécessitent des recherches plus approfondies. Dans ces systèmes, la magnétorésistance montre des oscillations de Shubnikov-de Haas (SdH) quasi-périodiques et un effet Hall linéaire jusqu'à 55 T à basse température. Nous observons une différence d’un ordre de grandeur entre la densité de porteurs extraite de la période des oscillations SdH et la pente de la résistance de Hall, impliquant la présence de nombreuses sous-bandes à l'énergie de Fermi. Les oscillations quasi-périodiques de la magnétorésistance sont bien reproduites par des simulations numériques prenant en compte l'effet Rashba à l'interface. De plus, à partir de l'évolution des oscillations SdH avec la tension de grille à très basse température (40mK), nous identifions les sous-bandes électroniques contribuant au transport, les orbitales atomiques dont elles dérivent, ainsi que leur localisation spatiale dans la profondeur de l'interface. / This thesis is devoted to the study of the magneto-transport properties of two dimensional electron gas (2DEG), and more specifically graphene on silicon carbide (G/SiC) as well as the interface between two complex oxides LaAlO3 / SrTiO3 (LAO/STO). We take advantage of very high magnetic field (up to 80 T) and very low temperature (down to 40 mK) to investigate the quantum transport properties, which are evocative of the underlying electronic band-structure. In G/SiC, close to the quantum Hall breakdown regime, we measure an ultra-broad quantum Hall plateau at R=h/2e² covering a magnetic field range of more than 70 T (from 7 T to 80 T). Accordingly, the longitudinal resistance is close to zero, but displays unexpected weak 1/B-periodic oscillations. Based on microscopic observations, this 2DEG is modeled as a low charge carrier density graphene matrix decorated by micrometers-size puddles with larger doping. Numerical simulations of the transport properties reproduce well both the broad Quantum Hall plateau and the presence of the oscillations. Besides the SiC substrate which acts as a charge reservoir and stabilizes the quantum Hall state at filling factor ν=2, a magnetic field dependent transfer of charges involving the puddles is responsible for the presence of the oscillating features. This original study provides new insights for resistance metrology purposes. The 2DEG arising at the interface between the complex oxides LAO and STO is nowadays envisioned for future multi-functional devices. Their electronic properties are still a matter of debate and require further investigations. The high field magneto-resistance of this 2DEG displays quasi-periodic Shubnikov-de Haas Oscillations (SdHO) and a linear Hall effect up to 55 T at low temperature. We observe a large discrepancy between the carrier density extracted from the period of the SdHO and the slope of the Hall resistance, which constitutes a strong evidence for the presence of many sub-bands crossing the Fermi energy. The quasi-periodic oscillations of the magneto-resistance are well reproduced by numerical simulations taking into account the strong Rashba effect at the interface. In addition, from the back-gate voltage evolution of the SdHO at sub-kelvin temperature, we identify the electronic sub-bands contributing to transport, the orbital symmetry from which they derive, as well as their spatial localization along the interface.

Ce travail de cette thèse présente les études sur l'influence du nouveau dégrée de liberté quantique, causé par le couplage tunnel entre les couches, sur les propriétés de transport des multi-puits quantiques dans un champ magnétique, à basse température, et sous irradiation micro-ondes. De nouvelles oscillations de résistance sont observées dans les systèmes d’électrons bi- et multicouches. Elles résultent d'une interférence entre les oscillations entre les sous-bandes et les oscillations induites par les micro-ondes. Des états à résistance nulle apparaissent lorsque les systèmes bicouches de haute qualité sous irradiation micro-ondes même en présence d’une diffusion additionnelle. Le mécanisme inélastique de la photorésistance est la contribution dominante à basses températures et sous un champ électronique modéré. Ce modèle confirme l'intégrité des estimations théoriques pour le temps de relaxation inélastique et mène à une explication satisfaisante de la photorésistance dans les systèmes d’électrons bi-et multicouches. Dans un champ magnétique intense, la suppression de l’effet tunnel entre les couches provoque des nouveaux états corrélés à cause d’une interaction électron-électron entre les différentes couches. Dans cette thèse, les systèmes électroniques tricouches, formés par de triples puits quantiques révèlent de nouveaux états de l’effet Hall Quantique fractionnaire si l’effet tunnel est supprimé par une composante parallèle du champ magnétique aux très basses températures (mK). / This work is devoted to the investigation of the influence of the additional quantum degree of freedom caused by tunnel coupling on transport properties of multilayer electron systems in magnetic fields, at low temperatures and under microwave excitation. Microwave-induced resistance oscillations in bi- and multilayer electron systems are the consequence of an interference of magneto-intersubband and microwave-induced resistance oscillations which leads to peculiar oscillations in magnetoresistance. High-quality bilayer systems exposed to microwave irradiation exhibit zero-resistance states even in the presence of intersubband scattering. The inelastic mechanism of microwave photoresistance is found to be the dominant contribution at low temperatures and moderate microwave electric field. This model confirms the reliability of theoretical estimates for the inelastic relaxation time and leads to a satisfactory explanation of photoresistance in bi- and multilayer electron systems. In high magnetic fields, the suppression of tunnelling between layers causes new correlated states owing to electron-electron interaction in neighboured layers. In this thesis, trilayer electron systems formed by triple quantum wells reveal new fractional quantum Hall states if tunnelling is suppressed by a parallel component of the magnetic field at mK temperatures.

Les principaux objectifs de cette thèse sont la fabrication et la caractérisation structurale à haute résolution de nanorubans de graphène à bords atomiquement lisses ainsi que leur intégration dans des composants et l'étude du transport électronique. En premier lieu, nous montrons que des nanorubans de graphène cristallins de largeur inférieure à 100 nm et avec des qualités structurales supérieures l'état de l'art peuvent être découpé par un faisceau électronique focalisé d'énergie modérée en présence d'oxygène. Les caractéristiques des rubans obtenus sont également supérieures à l'approche précédente utilisant la vapeur d'eau. Dans un deuxième temps, la structure des nanorubans est caractérisée jusqu'à l'échelle atomique par microscopie électronique en transmission corrigée des aberrations sphériques. Nous montrons que la cristallinité des nanorubans, tant en leur centre que le long des bords de découpe, est préservée. Les performances de notre approche atteignent l'état de l'art et sa reproductibilité permet de fabriquer des rubans longs de plusieurs centaines de nanomètres mais de largeur aussi fine que 16 nm. Ensuite, nous avons transposé la découpe de nanoruban suspendus à une configuration partiellement suspendue sur substrat SiO2/Si permettant de les intégrer dans des composants adaptés aux mesures de transport électronique à basse température et sous champ magnétique. Le transport électronique dans les rubans contactés de 60 x 300 nm présente un gap et des oscillations en balayage de grille arrière qui sont en accord avec un mécanisme de blocage de Coulomb dans un domaine de taille de l'ordre de la taille du ruban. Si ces résultats montrent la persistance de barrières tunnel, ses bords semblent de qualité suffisante pour ne pas induire de confinement supplémentaire. Au-delà des composants mésoscopiques, notre méthode de fabrication des rubans par gravure électronique sous oxygène ouvre des perspectives dans deux domaines en émergence. Elle est compatible avec l'ultravide et parfaitement adaptée au développement d'une technologie atomique à base de graphène. Une caractérisation de la contamination du graphène ainsi qu'une caractérisation électrique de dispositifs de graphène qui a été fait par microscopie à effet tunnel multisonde en ultra vide. Enfin, les rubans de graphène que nous produisons ont les dimensions et qualités structurales requises pour observer un comportement plasmonique du graphène dans le visible et ainsi interagir avec des structures plasmoniques métalliques. Ce couplage a été examiné en étudiant le signal Raman du graphène au voisinage de colloïdes d'or. / The main objectives of this thesis are the fabrication and high-resolution structural characterisation of graphene nanoribbons with atomically smooth edges as well as their device integration and electronic transport study. In first place, we show that crystalline graphene nanoribbons with width under 100 nm and structural properties better than the state of the art can be patterned by a focused electron beam in presence of oxygen. The structural characteristics of the ribbons are also better than the old process using water vapour. Secondly, nanoribbons structure is characterized down to the atomic scale by spherical aberration corrected transmission electron microscopy. We show that the nanoribbons crystallinity, of the centre as well as along the cut edges, is preserved. The performance of our process reaches the state of the art and its reproducibility allows to produce ribbons with length of hundreds of nanometer but as narrow as 16 nm. After that, we have transposed the suspended nanoribbon etching to a partially suspended configuration on a SiO2/Si substrate allowing the integration in devices suitable for electronic transport measurements at low temperature and under magnetic field. The electronic transport in contacted ribbons of 60x300 nm shows a gap and oscillations on backgate scanning measurements that are in agreement with a Coulomb blockade mechanism with dot sizes in the range of the ribbon surface. Even though those results show the persistence of tunnel barriers, the edges quality look good enough to avoid additional confinement. Other than mesoscopic devices, our ribbon fabrication process by electronic beam under oxygen atmosphere opens perspectives in two emergent fields. The process is ultra high vacuum compatible and perfectly adapted to the development of an atomic graphene based technology. A characterisation of contaminants of graphene samples as well as electrical characterisation of graphene devices has been performed in a multiprobe scanning tunnelling microscope in ultra high vacuum. Finally, our graphene nanoribbons have the right dimensions and structural qualities required for the observation of plasmonic behaviour of graphene in visible light and so interact with metallic plasmonic structures. This coupling has been analysed by studying the Raman signal of graphene at the close environment of gold colloids.