Ce mémoire présente une étude de la synthèse par la méthode Vapeur-Liquide-Solide (VLS) de nanofils de silicium et de germanium par Epitaxie par Jets Moléculaires ainsi que de l'effet de la présence de manganèse sur leur croissance. La croissance des nanofils est fortement modifiée par la présence de manganèse. Les nanofils de silicium élaborés sous un faible flux de manganèse présentent des propriétés morphologiques et structurales remarquables. La présence de manganèse modifie le diamètre d'équilibre des gouttes AuSi utilisées pour la croissance par voie VLS et permet l'élaboration de nanofils de silicium de longueurs élevées et de faibles diamètres. De plus, leur qualité cristalline est considérablement améliorée par rapport aux nanofils de silicium formés sans apport de manganèse. Dans ce mémoire nous proposons quelques explications à ce phénomène. Dans le cas des nanofils de germanium, l'incorporation de manganèse n'a pu être obtenue par codépôt. Aussi, (i) le dopage par implantation ionique de nanofils de germanium et (ii) la fonctionnalisation de nanofils de germanium par la formation d'hétérostructures type cœur/coquille Ge/GeMn ont été considérés : - les mesures d'aimantation effectuées sur des nanofils de germanium implantés au manganèse démontrent l'existence de propriétés ferromagnétiques avec des températures de Curie supérieures à 400K. Il s'agit d'un résultat très prometteur en vue d'applications utilisant des nanofils de germanium ferromagnétiques à température ambiante ; - pour accéder aux propriétés magnétiques des nanofils de germanium fonctionnalisés par dépôt de GeMn, nous avons mis au point une procédure de prises de contacts adaptée à la mesure de leurs propriétés de magnétotransport. Les caractéristiques électriques de ces dispositifs montrent que les propriétés de transport sont dominées par la présence de la couche coquille de GeMn, surtout à basse température. Des mesures de magnétotransport effectuées à 100K indiquent l'existence d'effets de magnétorésistance liés aux propriétés ferromagnétiques des nanofils de Ge ainsi fonctionnalisés. / This thesis presents a study of the Vapour-Liquid-Solid (VLS) synthesis of silicon and germanium nanowires by Molecular Beam Epitaxy and the effect of the presence of manganese on the growth properties. The presence of manganese strongly modifies the growth of nanowires and observed behaviours are very different for AuSi and AuGe systems. Silicon nanowires grown in the presence of manganese exhibit very interesting morphological and structural properties. The presence of manganese modifies AuSi droplets' diameter and allows manufacturing long nanowires with relatively small diameters. Moreover, the crystalline quality is dramatically improved as compared to that of silicon nanowires grown without manganese. In this manuscript we propose some explanation for the growth phenomena. In the case of germanium nanowires, manganese incorporation could not be obtained by concomitant deposition of germanium and manganese. Consequently, (i) the doping of germanium nanowires by ion implantation as well as (ii) germanium nanowires functionalization by core/shell Ge/GeMn heterostructures formation were considered: - magnetization measurements performed on implanted germanium nanowires demonstrate ferromagnetic properties with Curie temperatures above 400K. This result is very promising for the processing of devices using room-temperature ferromagnetic germanium nanowires ; - in order to access Ge/GeMn nanowires magnetic properties, we processed samples to probe nanowires magnetotransport properties. Electrical resistivities of devices show that transport properties are dominated by GeMn shell layer even more at low temperature. Magnetotransport measurements done at 100K indicate magnetoresistance effects linked with nanowires ferromagnetic properties.

Les microphones à électret dédiés à l'électronique grand public et les applications médicales (les audioprothèses) ont atteint les limites de la miniaturisation. Depuis la sortie du premier microphone basé sur une technologie microsystème sur silicium (MEMS: Micro-Electro-Mechanical Systems), les microphones à électret sont progressivement remplacés par les microphones MEMS. Les MEMS utilisent le silicium car il offre des caractéristiques mécaniques exceptionnelles avec de bonnes propriétés électriques et la technologie de fabrication est maintenant bien maîtrisée. La plupart des microphones MEMS qui sont décrits dans la littérature sont constitués d’une membrane qui vibre en dehors du plan du capteur, et utilisent la transduction capacitive. La miniaturisation de tels microphones est limitée car leur sensibilité est liée à la valeur de la capacité qui dépend de la taille de la membrane. En outre, les capteurs capacitifs sont très sensibles aux capacités parasites et aux non-linéarités. Cette thèse présente une nouvelle architecture de microphone MEMS qui utilise des micro-poutres qui vibrent dans le plan capteur. La transduction du signal est réalisée par des nanojauges piézorésistives intégrées dans le microsystème et attachées aux micro-poutres. Ce système de détection original ne présente pas les inconvénients de la détection capacitive et à la différence des piézorésistors classiques intégrés dans la membrane de silicium, les nanofils suspendus permettent d’éliminer les courants de fuite. De plus, l'amélioration de la détection est possible puisque le coefficient piézo-résistif longitudinal est inversement proportionnel à la section du nanofil. Les fluctuations de pression acoustique entraînent les déviations des micro-poutres qui produisent une concentration de contraintes dans les nanogauges. Le comportement du capteur, que l’on cherche à modéliser, est lié à des phénomènes mécaniques, acoustiques et électriques qui sont couplés. En raison des dimensions micrométriques du MEMS, les effets des dissipations thermique et visqueuse doivent être pris en compte dans le comportement acoustique. Pour prédire de façon fiable le comportement du capteur, deux modèles vibroacoustiques sont utilisés: un modèle éléments finis basé sur l'ensemble des équations de Navier-Stokes linéarisées et un modèle approché basé sur un schéma à constantes localisées (représentation par circuit électrique équivalent). Les deux modèles sont complémentaires dans le processus de conception pour déterminer la réponse en fréquence et le taux de bruit du capteur. Le travail est complété par la description des processus technologiques et les défis liés à la fabrication du prototype. Puis deux approches pour la caractérisation fonctionnelle du microphone MEMS sont présentées, la première en tube d’impédance, la seconde en champ libre. / Electret microphones dedicated to consumer electronics and medical applications (hearing aids) have reached the miniaturization limits. Since the release of the first microphone based on Silicon micromachining, electret microphones are constantly replaced by MEMS microphones. MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) microphones use Silicon that provides exceptional mechanical characteristics along with good electric properties and mature fabrication technology. Regardless of the transduction principle (capacitive, piezoresistive, piezoelectric, optical), all of the MEMS microphones reported in the state of the art literature are based on a membrane deflecting out of the plane of the base wafer. Most of the reported microphones and all of the commercially available MEMS use capacitive transduction. Downscaling of capacitive microphones is problematic, since the sensitivity depends on capacitance value. Moreover capacitive sensors suffer of high sensitivity to parasitic capacitance and nonlinearity. The drawbacks of capacitive detection may be overcome with use of piezoresistive properties of Silicon nanowires. Unlike the classical piezoresistors integrated into silicon membrane, suspended nanowires do not suffer of leakage current. Further improvement of piezoresistive detection is possible since the longitudinal piezoresistive coefficient rises inversely proportional to nanowire section. This thesis presents the considerations of novel MEMS microphone architecture that uses microbeams which deflect in the plane of the base wafer. Signal transduction is achieved by piezoresistive nanogauges integrated in the microsystem and attached to the microbeams. Acoustic pressure fluctuations lead to the deflection of the microbeams which produces a stress concentration in the nanogauges. Accurate simulations of the discussed transducer couple acoustic, mechanical and electric behavior of the system. Due to micrometric dimensions of the MEMS acoustic system, thermal and viscous dissipative effects have to be taken into account. To reliably predict the sensor behavior two acoustic models are prepared: the complete Finite Element Model based on the full set of linearized Navier-Stokes equations and the approximative model based on the Lumped Elements (Equivalent Cirtuit Representation). Both models are complementary in the design process to finally retrieve the frequency response and the noise budget of the sensor. The work is completed by the description of the technological process and the challenges related to the prototype microfabrication. Then the approach to the MEMS microphone characterization in pressure-field and free-field is presented.

Ce travail porte sur la fabrication d'un support inorganique de nanofils de silicium dédié à la détection sensible de biomolécules par désorption/ionisation laser (LDI) en spectrométrie de masse (MS). Cette technique, contrairement à l'analyse LDI assistée par matrice (MALDI), permet de s'affranchir des ions parasites de la matrice organique qui interfèrent avec les molécules de masses inférieures à 700 Da. La littérature fait état de la difficulté à déterminer les paramètres liés à la performance de la technique : nous avons varié la morphologie, la composition, la chimie de surface des nanofils de silicium et nous avons discuté de l'importance des propriétés optiques et thermiques, de la mouillabilité de surface et de l'accessibilité des molécules au faisceau laser. Le support de nanofils optimal montre une haute sensibilité de détection des molécules de petites masses (50 fois supérieure au MALDI), il s'adapte à des analyses protéomiques et nous a permis d'instaurer un contrôle complémentaire au suivi de la réaction de méthylation pour la conception d'une biopuce à peptides. Nous avons finalement travaillé sur l'intégration de ce support dans un laboratoire sur puce. Une goutte d'1 µL d'un mélange de peptide (50.10-15M) a été déplacée par microfluidique discrète (électromouillage sur diélectrique) puis analysée avec succès par LDIMS. Finalement, nous avons développé une méthode originale combinant la chimie et la topographie de surface des nanofils de silicium à des techniques de lithographie optique : des zones de différentes tensions de surface liquide/solide sont ainsi créées et sont favorables à l'adhésion localisée de protéines, de cellules et de bactéries.

L'étude porte sur le transport, électronique et de spin, dans des microstructures et nanostructures à base de silicium, le matériau phare de l'industrie microélectronique.<br />Nous avons étudié un procédé de lithographie assistée par microscope à force atomique (AFM) pour fabriquer des nanofils sub-100-nm ultraminces (8 à 15 nm) de silicium, connectés à une structure de test sur silicium sur isolant (SOI). Les mesures électriques ont mis en évidence le comportement de transistor à effet de champ (FET) des nanocircuits. Le piégeage des électrons aux défauts d'interfaces et de l'oxyde, est la cause de la déplétion cumulative des fils ultraminces au cours des mesures successives I(V). Le dépiégeage peut être contrôlé par application d'une tension sur la grille du nanofil. Les fils ont ainsi révélé un effet mémoire (écriture/lecture par piégeage/dépiégeage sous tension de grille positive/négative).<br />Nous avons par ailleurs étudié le transport du spin dans un canal de silicium. L'étude théorique a souligné la possibilité d'utiliser un faible champ magnétique pour manipuler le spin en obtenant des longueurs de précession et de diffusion de spin micrométriques, compatibles avec la technologie actuelle. L'injection et la collecte électriques ont été réalisées dans un dispositif mémoire magnétique intégrée sur silicium (MEMIS), similaire à un SpinFET. Néanmoins, la qualité des jonctions hybrides métal ferromagnétique/isolant/silicium (FMIS) conditionnent l'efficacité d'injection et de collecte du spin et de l'effet de magnétorésistance ; dans ce sens, nous avons exploré quelques techniques d'élaboration de jonctions Co/AlO/Si et Co/MgO/Si avec des oxydes minces de l'ordre du nanomètre. Nous avons obtenu des jonctions FMIS avec une injection électrique par tunnel direct, ce qui présente une piste prometteuse pour l'injection cohérente du spin. Nous avons également caractérisé des jonctions redresseur semiconducteur ferromagnétique /semiconducteur (MSS) du type Ge3Mn5/Ge qui se sont avérées très intéressantes pour l'injection du spin.

Parmi les objets nanométriques les plus importants figurent les nanofils, qui peuvent<br />être utilisés soit comme coeur d'un dispositif, soit comme élément d'adressage d'un autre<br />nano-objet. Cette thèse explore deux voies de fabrication de nanofils.<br />La première concerne un procédé d'écriture directe de motifs d'or de dimension<br />nanométrique, par transfert d'atomes depuis une pointe STM vers la surface. Des lignes d'or<br />de largeur 15 nm, d'épaisseur 3 nm et de longueur 300 nm ont pu être tracées sur une surface<br />de silicium.<br />La seconde voie concerne un procédé de fabrication de nanofils de silicium (SiNWs)<br />par décomposition thermique du silane (SiH4) sur une surface recouverte d'agrégats d'or, par<br />la technique VLS (Vapor Liquid Solid). Deux moyens de chauffage ont été utilisés pour<br />forcer la croissance horizontale des fils à partir d'une électrode prédéposée sur une surface<br />isolante. Dans un premier temps, la surface a été chauffée sous l'impact d'un faisceau laser<br />continu focalisé, pour induire localement un fort gradient thermique latéral sur une zone de<br />diamètre 3 μm. Dans un second temps, la croissance des nanofils de Si a été forcée à partir de<br />lignes de tungstène sub-microniques chauffées par effet Joule, par passage d'un courant de<br />forte densité.<br />Les mécanismes de croissance sont discutés.

La manipulation à grande l'échelle de microparticules dispersées dans une solution peut être réalisée, même si cela reste délicat, en employant la force de diélectrophorèse (DEP). Cette force résulte de la polarisation des microparticules sous l'influence d'un champ électrique non uniforme. L'objectif de ma thèse de doctorat est d'exploiter la force de diélectrophorèse en vue de réaliser un tri ou un assemblage de particules. Le système de tri de particules développé est entièrement fabriqué au sein de la salle blanche du LAAS. Les dimensions et géométries du système ont été déterminées grâce à des simulations préliminaires en utilisant le logiciel COMSOL. Ce système nous a permis de trier et séparer des billes de latex de 5µm et 10µm avec un taux d'erreur inférieur à 2% et un flux d'environ 100µm/s. Nous avons également séparé des levures mortes et vivantes. En effet, les propriétés électriques des levures diffèrent selon leur état de viabilité. Après tri, la portion de cellules viables a été enrichie par un facteur 4. Les erreurs de tri sont principalement dues au fait que les levures ont des tailles inhomogènes ce qui influe sur la force de diélectrophorèse. Les forces de diélectrophorèse permettent aussi d'attirer divers objets vers les zones de fort gradient de champ électrique. Ces travaux se focalisent sur l'assemblage par DEP de nanotubes de carbone et de nanofils de silicium. Nous avons développé un procédé de salle blanche qui permet d'assembler ces objets, à grande échelle, sur des sites spécifiques. Ces objets sont ensuite connectés individuellement en vue d'une caractérisation électrique. L'intégration contrôlée à grande échelle des ces objets est importante en vue d'un éventuel transfert industriel vers les acteurs de la microélectronique. Ce procédé d'intégration à grande échelle (plusieurs cm2) permettra d'avoir une approche statistique lors des caractérisations électriques. Tous ces travaux ont pour but d'étudier le mouvement de particules en solut ion soumises à des champs électriques afin de contrôler leurs mouvements et leur localisation.

Le contexte énergétique actuel est un enjeu sociétal. L'utilisation de l'énergie solaire au travers de cellules solaires photovoltaïques à bas-coût et à haut rendement, est une des voies envisagées pour répondre aux besoins énergétiques. Ce travail de thèse a permis de démontrer la faisabilité de cellules solaires hybrides, basées sur une jonction de type " cœur/coquille " entre des nanofils de silicium obtenus par gravure chimique et du PEDOT polymérisé par voie électrochimique. Les principaux avantages d'une telle structure sont à la fois la simplicité et le faible coût des méthodes utilisées pour la réalisation de la cellule. Les nanofils de silicium, grâce à leur capacité à piéger la lumière, conduisent à des propriétés d'anti-reflet très intéressantes avec notamment des valeurs de réflexion inférieures à 3% sur toute la gamme spectrale du visible. La réalisation de telles jonctions a fait l'objet d'une étude poussée sur les différentes caractéristiques de dépôt du polymère, tels que l'intensité lumineuse, le potentiel appliqué et la durée du procédé. L'influence de ces paramètres sur la mesure I(V) de la cellule solaire hybride complète a également été étudiée. On peut noter en particulier que l'on obtient ainsi une densité de courant de fuite très faible et une résistance de fuite très élevée, permettant d'émettre l'hypothèse d'une bonne passivation des états de surface. Ceci constitue une voie prometteuse pour obtenir un bon transport de charges en polarisation inverse.

Les cellules photovoltaiques proposent une solution au problème énergétique en raison de leur source inépuisable: le soleil. Plusieurs types de cellules, qu'elle soient inorganiques ou organiques, sont étudiées, avec comme objectif d'obtenir de hauts rendements pour de faibles coûts. Dans ce contexte, ce travail de thèse se propose d'étudier des cellules solaires hybrides nanostructurées à base de nanofils de silicium et de matériaux organiques afin de bénéficier des avantages de ces différents matériaux. La morphologie controlée de la croissance des nanofils de silicium par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) via un procédé Vapeur-Liquide-Solide est présentée. Le mélange de matériaux organiques est ensuite déposé sur les nanofils de silicium par un procédé d'enduction par centrifugation. Dans ce type de cellules hybrides, les nanofils de silicium jouent le rôles de matériaux accepteurs ou aident à l'absorption de la lumière. Pour améliorer les performance de ces cellules, il est nécessaire d'optimiser la qualité du réseau de nanofils par une gravure chimique visant à éliminer les traces de catalyseur résiduelles ainsi que l'oxyde natif du silicium. Cet effet de la gravure a été largement étudié et discuté. De plus les propriétés d'accepteur d'électrons des nanofils de silicium à base de catalyseurs de Bismuth ont été étudiées. Les résultats montrent clairement le potentiel de ce type de cellules, notamment 1) l'augmentation de la conversion de lumière par l'amélioration de l'efficacité du rendement quantique pour les grandes longueurs d'onde, 2) l'utilisation d'une grande variété de nanofils avec des morphologies et propriétés électriques finement controlées.

Dans la lignée des progrès technologiques récents en électronique, ces dernières décennies ont vu l’émergence d’une variété de systèmes permettant l’interface bioélectronique, allant de la mesure de l’activité électrique émise par l’ensemble du cerveau jusqu’à la mesure du signal émis par un neurone unique. Bien que des interfaces électroniques avec les neurones ont montré leur utilité pour des applications cliniques et sont communément utilisés par les neurosciences fondamentales, leurs performances sont encore très limitées, notamment en raison de l’incompatibilité relative entre les systèmes à l’état solide et le vivant. Dans ce travail de thèse, nous avons étudié des techniques et des matériaux nouveaux permettant une approche alternative et qui pourraient améliorer le suivi de l’activité de réseaux de neurones cultivés in situ et à terme la performance des neuroprothèses in vivo. Dans ce travail, des réseaux de nanofils de silicium et des microélectrodes en diamant sont élaborés pour respectivement améliorer la résolution spatiale et la stabilité des électrodes dans un environnement biologique. Un point important de cette thèse est également l’évaluation des performances de transistors à effet de champ en graphène pour la bio électronique. En raison des performances remarquables et combinées sur les aspects électrique, mécanique et chimique du graphène, ce matériau apparaît comme un candidat très prometteur pour la réalisation d’une électronique permettant une interface stable et sensible avec un réseau de neurones. Nous montrons dans ce travail l’affinité exceptionnelle des neurones avec une surface de graphène brut et la réalisation d’une électronique de détection rapide et sensible à base de transistor en graphène. / In line with the technological progress of last decades a variety of adapted bioelectrical interfaces was developed to record electrical activity from the nervous system reaching from whole brain activity to single neuron signaling. Although neural interfaces have reached clinical utility and are commonly used in fundamental neuroscience, their performance is still limited. In this work we investigated alternative materials and techniques, which could improve the monitoring of neuronal activity of cultured networks, and the long-term performance of prospective neuroprosthetics. While silicon nanowire transistor arrays and diamond based microelectrodes are proposed for improving the spatial resolution and the electrode stability in biological environment respectively, the main focus of this thesis is set on the evaluation of graphene based field effect transistor arrays for bioelectronics. Due to its outstanding electrical, mechanical and chemical properties graphene appears as a promising candidate for the realization of chemically stable flexible electronics required for long-term neural interfacing. Here we demonstrate the outstanding neural affinity of pristine graphene and the realization of highly sensitive fast graphene transistors for neural interfaces.

Un « Nanonet », acronyme pour « NANOstructured NETwork », est défini comme un réseau de nanostructures unidimensionnelles à fort facteur de forme et aléatoirement orientées sur un substrat. Dans ce travail de thèse, une étude approfondie de nanonets à base de nanofils de silicium est présentée en vue d'une intégration dans des capteurs d'ADN. Une méthode de fabrication simple de ces réseaux a tout été d'abord développée afin d'obtenir des nanonets homogènes et reproductibles. La surface des nanofils a ensuite été fonctionnalisée afin de permettre la détection de l'hybridation de l'ADN par fluorescence. Les capteurs ainsi réalisés présentent une excellente sélectivité et une meilleure limite de sensibilité que des substrats plans. Les propriétés électriques des nanonets de silicium ont également été étudiées ce qui a mené à la description des mécanismes de conduction de ces réseaux. Ainsi, il a été démontré que le comportement électrique de ces structures est dominé par les nombreuses jonctions nanofil-nanofil et suit la théorie de la percolation électrique. De plus, une procédure d'optimisation de ces jonctions a finalement permis de stabiliser les propriétés électriques des nanonets de silicium.Ces réseaux possèdent donc des propriétés remarquables provenant des constituants individuels, les nanofils, qui présentent une surface spécifique élevée, mais également de leur structure en réseaux aléatoires offrant la possibilité de les manipuler simplement et à bas coût à l'échelle macroscopique. Ces travaux ouvrent la voie à l'intégration des nanonets de silicium dans des capteurs d'ADN reposant sur la détection électrique. / A "nanonet", acronym for "NANOstructured NETwork", is defined as a network of one-dimensional nanostructures with high aspect ratio and randomly oriented on a substrate. In this work, a comprehensive study of nanonets based on silicon nanowires is presented for integration into DNA sensors. First, a simple method for the network fabrication has been developed in order to obtain homogeneous and reproducible nanonets. Then, the nanowire surface has been functionalized, so that the DNA hybridization detection is possible by fluorescence. The elaborated sensors exhibit excellent selectivity and a better sensitivity limit than planar substrates. The electrical properties of the silicon nanonets have also been investigated which resulted in the description of the conduction mechanisms of these networks. It has been shown that the electrical behaviour of such structures is ruled by the numerous nanowire-nanowire junctions and follows the electrical percolation theory. Moreover, an optimization procedure of these junctions has allowed stabilizing the electrical properties of silicon nanonets.Therefore, these networks have attractive characteristics which arise from the individual components, the nanowires with a high specific surface, but also from the structural properties of the network itself which can be simply manipulated, at a low cost, on macroscopic scales. This work paves the way for the integration of silicon nanonets into DNA sensors based on electrical detection.