Ma thèse de doctorat traite de l'étude théorique des phénomènes thermoélectriques qui se produisent dans des nanostructures supraconductrices qui sont l'objet de plusieurs lignes de recherche de la physique de la matière condensée. Nous nous focalisons sur quatre dispositifs basés sur les supraconducteurs et de minces barrières isolantes où le transport de la charge et de la chaleur est gouverné par l'effet tunnel quantique. Nous commençons par analyser une jonction métal Normal-Isolant-Supraconducteur (N-I-S). En principe, aucun courant à une particule ne peut s'écouler dans ce circuit quand le voltage de polarisation est en dessous du gap d'énergie de S. Pourtant, un courant de fuite en dessous du gap est observé dans la courbe caractéristique courant-voltage (I-V) expérimental de ce dispositif, même à très basses températures. Nous montrons que l'absorption de photons de l'environnement électromagnétique à haute température connecté à la jonction est une origine possible du processus de tunnel à un électron en dessous du gap. Nous considérons une jonction N-I-S connectée à l'environnement soit directement soit indirectement au moyen d'une ligne de transmission résistif à basse température. Nous analysons analytiquement et numériquement le courant en dessous du gap dans ces deux circuits. Ensuite nous considérons un transistor hybride à un électron (SET) constitué d'une île de métal normal N contrôlée avec une tension de grille et connectée, au moyen de deux jonctions à effet tunnel, à deux fils supraconducteurs S polarisés en tension (S-I-N-I-S). Lorsque l'on fait varier le voltage de N correctement dans le temps, un courant contrôlable à un électron s'écoule entre les deux supraconducteurs. En principe, la réflexion d'Andreev, c'est-à-dire l'effet tunnel à deux électrons de N à S, peut être interdite. Expérimentalement, ce processus à deux particules contribue aussi au courant total à travers le SET. Nous montrons que l'échange de photons entre ce dispositif et l'environnement électromagnétique où il est disposé rend la réflexion d'Andreev énergétiquement possible. De plus, nous discutons comment cet effet limite la précision du processus de tunnel à un électron nécessaire pour les applications métrologiques. Ensuite nous nous focalisons sur les caractéristiques thermodynamiques des jonctions supraconductrices à effet tunnel. Nous discutons d'abord des capacités de refroidissement électronique des dispositifs à double jonction S1-I-N-I-S1 et S2-I-S1-I-S2, où les supraconducteurs S2 et S1 ont un gap d'énergie différent. Après nous étudions le design et le fonctionnement d'un nanoréfrigérateur électronique à cascade basé sur une combinaison de ces deux structures. Nous montrons numériquement que une île de métal normal peut être réfrigérée au dessous de 100 mK à partir d'une température de 500 mK. Nous discutons ensuite de la réalisation pratique et des limitations d'un tel dispositif. Enfin, nous considérons la dynamique d'une jonction à sauts de phase quantique (QPSJ) connectée à une source de micro-ondes. En ce qui concerne une jonction Josephson ordinaire, une QPSJ peut montrer des marches de Shapiro duals, c'est-à-dire des plateaux de courant bien définis situés à des multiples entiers de la fréquence des micro-ondes dans la courbe caractéristique I-V. Aucune observation expérimentale n'a abouti jusqu'à maintenant. Les fluctuations thermiques et quantiques peuvent nettement étaler la courbe I-V. Pour comprendre ces effets, nous déterminons la caractéristique I-V d'une QPSJ polarisée en courant, irradiée avec des micro-ondes et connectée à un environnement résistif et inductif. Nous montrons que l'effet de ces fluctuations est gouverné par la résistance de l'environnement et par le rapport entre l'énergie de phase-slip et l'énergie inductive. Nos résultats sont importants pour les expériences qui visent à l'observation des marches de Shapiro duals dans les QPSJ pour la définition du courant quantique standard. / The aim of my Ph.D. thesis is to study theoretically the thermoelectric phenomena occurring in some superconducting nanostructures which are the object of various research lines in condensed matter physics. Specifically, we focus on four different devices based on superconductors and insulating tunnel barriers where both charge and heat transport are governed by the quantum tunneling effect. We start by considering a voltage-biased Normal metal-Insulator-Superconductor (N-I-S) tunnel junction. No single-particle current is expected to flow in this circuit when the applied voltage is below the superconducting energy gap of S. However, in real experiments, a subgap leakage current is observed in the current-voltage (I-V) characteristic of this device, even at very low temperatures. We show that the absorption of photons from the high-temperature electromagnetic environment connected to the junction is a possible origin of the single-particle tunneling below the gap. We first consider a N-I-S junction directly coupled to the environment. Then we focus on a circuit where a low-temperature lossy transmission line is inserted between them. For both these circuits, we analyze analytically and numerically the subgap leakage current. We find, in particular, that it is exponentially suppressed as the length and the resistance per unit length of the line are increased. Then, we go beyond the single N-I-S junction considering a hybrid single-electron transistor (SET) constituted by a gate-controlled normal-metal island (N) connected to two voltage-biased superconducting leads (S) by means of two tunnel junctions (S-I-N-I-S). A controlled single-electron current flows between the two superconductors by properly changing in time the gate potential of N. In principle, the Andreev reflection, i.e., the tunneling of two electrons from N to S can be ideally suppressed when the charging energy of N is larger than the energy gap of S. Actually, in real experiments, this two-particle tunneling process also contributes to the total current through the SET. We show that the exchange of photons between the S-I-N-I-S device and the high-temperature electromagnetic environment where it is embedded makes the Andreev reflection energetically possible. We discuss how this effect limits the single-electron tunneling accuracy needed for metrological applications. Next, we focus on the thermodynamical features of the superconductor-based tunnel junctions. We first consider the well-known electronic cooling capabilities of the S1-I-N-I-S1 and S2-I-S1-I-S2 double-junction devices, where S2 and S1 are superconductors with different energy gaps. Then, we study the design and operation of an electronic nanorefrigerator based on a combination of these two structures, i.e., a cascade cooler. We show numerically that a normal-metal island can be cooled down to about 100 mK starting from a bath temperature of 500 mK. We discuss the practical implementation, potential performance and limitations of such a device. Finally, we consider the dynamics of a quantum phase-slip junction (QPSJ) connected to a microwave source. With respect to an ordinary Josephson junction, a QPSJ can sustain dual Shapiro steps, consisting of well-defined current plateaus at multiple integers of the microwave frequency in the I-V characteristic. Their experimental observation has been elusive up to now. We argue that thermal and quantum fluctuations can smear the I-V curve considerably. To understand these effects, we determine the I-V characteristic of a current-biased QPSJ under microwave irradiation and connected to an inductive and resistive environment. We find that the effect of these fluctuations is governed by the resistance of the environment and by the ratio of the phase-slip energy and the inductive energy. Our results are of interest for experiments aimed at the observation of dual Shapiro steps in QPSJ devices for the definition of the quantum current standard.

Dans cette thèse, nous utilisons des outils de simulation moléculaire pour caractériser les propriétés thermodynamiques de fluides confinés dans des matrices solides nanométriques. Alors qu'à l’échelle macroscopique, les énergies libres de fluides au contact de solides sont décrites par des pressions et des tensions de surface qui sont respectivement des énergies libres volumiques et surfaciques, à l’échelle moléculaire plusieurs paramètres additionnels doivent être considérés. Parmi eux, l'énergie libre de la ligne triple séparant trois phases, la tension de ligne. Les valeurs de la tension de ligne ainsi que les méthodologies permettant de la mesurer sont débattues.Les outils de simulation moléculaire permettent d'étudier théoriquement la thermodynamique des surfaces et des lignes. Plusieurs méthodologies statistiques peuvent être mises en œuvre pour extraire les tensions de surface et de ligne à partir d’une trajectoire moléculaire simulée. Nous nous intéressons en particulier à la méthodologie mécanique, qui consiste à mesurer les contraintes relatives à l’étalement quasi-statique d’un fluide sur un solide.Dans une première partie, nous étudions les expressions microscopiques des contraintes de mouillage à une interface solide-fluide plane. Dans le cas d’un solide latéralement homogène, l'application du théorème du viriel à un film liquide infini sans considération de la région séparant les surfaces mouillées et sèches permet de mesurer les forces relatives à l'extension du film sur un solide sec. Lorsque des hétérogénéités sont présentes à la surface du solide, cette méthodologie néglige des forces concentrées dans la région de la ligne triple. La comparaison de différentes méthodologies de mesure des tensions de surface indique que les termes ainsi négligés sont potentiellement importants dans le cas d'une forte rugosité.Dans une deuxième partie, nous nous concentrons sur des solides sans hétérogénéité tangentielle. Nous développons une méthodologie de mesure de l’énergie libre d’une interface fluide-fluide confinée et de sa tension de ligne qui s’appuie sur la considération des différentes contraintes fluides. Nous simulons des fluides de Van der Waals et de l’eau en équilibre liquide-vapeur, confinés dans des solides de différentes natures. Nous montrons que le concept de tension de ligne est robuste jusqu’à des confinements de quelques diamètres moléculaires. Les valeurs de tension de ligne mesurées sont cohérentes avec différentes approches théoriques, résolvant certains résultats paradoxaux de la littérature.Dans une troisième partie, nous appliquons la méthodologie mécanique à l’étude d’un mélange liquide-gaz confiné. Nous simulons des solvants et des solutés de Van der Waals ainsi que de l’eau avec du dioxyde de carbone. Différentes adsorptions sont observées, relatives aux surfaces mais également à la ligne triple. L’énergie libre de l’interface confinée s’en trouve fortement impactée. L'effet de l’adsorption sur la tension de ligne peut être modélisé par un équivalent linéique de l’équation d’adsorption de Gibbs surfacique. / In this thesis, we use molecular simulation tools to characterize the thermodynamic properties of fluids confined in nanometric solids. While at the macroscopic scale, the free energy of fluids in contact with a solid is described by pressures and surface tensions, respectively free energies per unit volume and per unit area, at the molecular scale, additional parameters are needed. One of them is the free energy per unit length of the triple line, the line tension. Its values and the methodologies used to measure it are controversial.The thermodynamics of interfaces and lines can be theoretically studied with molecular simulation tools. To extract the surface and line tensions from a simulated molecular trajectory, various statistical methodologies are available. In particular, we here use the mechanical methodology, which consists in measuring the stresses related to the quasistatic spreading of a fluid on a solid.In the first part, we study the microscopic expression of wetting stresses at a planar solid-fuid interface. When a laterally homogeneous solid is considered, the virial theorem applied to an infinite fluid film without consideration of the limit between wet and dry surfaces provides the forces related to the film extension on a dry solid. In the case of a laterally heterogeneous solid, this methodology neglects forces that are concentrated at the triple line. By comparing the surface tensions measured with different methodologies, we show that the neglected terms may induce important errors in the case of rough surfaces.In the second part, we focus on laterally homogeneous solids. We develop a methodology to measure the free energy and the line tension of a confined fluid-fluid interface using fluid mechanical stresses. We simulate Van der Waals fluids and water in liquid-vapor equilibrium confined in different solids. The concept of line tension appears robust down to confinements of a few molecular diameters, and its value consistent with various theoretical approaches, thus solving paradoxical results from the literature.In the last part, we apply the mechanical methodology to study the equilibrium of two fluid species in confinement, one liquid and the other gaseous. We simulate Van der Waals solvents and solutes, and water with carbon dioxide. Various adsorptions at the surfaces and the triple line are observed, strongly impacting the free energy of the confined liquid-gas interface. Finally the adsorption-induced variation of the line tension can be modelled by a unidimensional equivalent of the Gibbs isotherm.

L'objectif de ce travail a été la détection d'un magnéto-courant dans le transistor magnétique à base de double jonction tunnel. Ce magnéto-courant a pour origine l'émission d'un courant d'électrons chauds subissant un transport balistique et étant polarisé en spin. Des échantillons ont été élaborés par pulvérisation cathodique. Une technique innovante de prise de contact électrique des trois électrodes d'une double jonction tunnel par lithographie et gravure ionique a été mise en oeuvre. Il a été montré l'influence de cette structuration des échantillons sur les propriétés de transport des jonctions tunnels magnétiques. Grâce aux trois contacts, il a été possible de comparer les propriétés individuelles de la jonction inférieure et de la jonction supérieure, et ainsi de montrer l'influence de la position de la jonction sur ses propriétés de magnétorésistance : la rugosité cumulative des couches entraîne une dégradation des propriétés de transport. Enfin, des mesures en configuration transistor ont été effectuées. L'injection d'un courant d'électrons chauds a été mise en évidence, ainsi que la détection d'un magnéto-courant collecté. Un courant de fuite est également collecté dont la proportion par rapport au courant d'électrons chauds a été quantifiée. Son origine et les moyens de diminuer son importance ont été discutés.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la manipulation submicronique (de 100nm à 10µm). Les spécificités de cette échelle (absence de vision temps réel etde mesure d'efforts) ont conduit l'ISIR à envisager ces thématiques autour de deux plateformes. La première, NanoMAD, dédiée aux objets de 500nm et plus sous microscope optique. Elle est dotée d'un préhenseur monodigital et d'une mesure des efforts normal et latéral, via un système laser/photodiode. La seconde, issue du projet européen NanoRAC est dédiée à la manipulation/caractérisation de nanotubes de carbone sous SEM. Elle est dotée d'une micropince sans capteur d'effort. Pour y remédier, elle est couplée à un environnement virtuel et à une interface haptique afin d'appliquer des déplacements et de ressentir des efforts recréés à partir de différents modèles. Ces plateformes permettent d'étudier différentes méthodes de calibration, de manipulation/caractérisation dynamiques, de comparer le ressenti d'efforts réels ou simulés.

Les courants permanents sont une des conséquences les plus spectaculaires de la cohérence quantique des électrons ; dans ce travail, nous montrerons que ceux-ci sont présents non seulement dans des anneaux isolés, mais aussi dans une chaîne d'anneaux connectés, et ce même si la taille de celle-ci est très largement supérieure à la longueur de cohérence de phase électronique.<br />Dans la seconde partie du manuscrit, nous montrerons que dans des métaux contenant des impuretés magnétiques Kondo, le temps de cohérence de phase à très basse température est limitée par la diffusion de spin et par la transition vitreuse qui apparaît lorsque les interactions RKKY entre impuretés magnétiques deviennent dominantes.

Ce mémoire regroupe des travaux sur la supraconductivité de systèmes métalliques hybrides métal/supraconducteur par microscopie tunnel à très basse température et mesure de transport.

Ce travail porte sur l'étude d'hétérostructures de semiconducteurs II-VI à alignement de bandes de type II, en particulier sous forme de superréseaux. Il s'agit d'un système prometteur pour une application photovoltaïque, et c'est dans cette optique qu'est orienté ce travail. Une première partie traite ainsi d'une réflexion conceptuelle sur l'apport des interfaces de type II au photovoltaïque. La deuxième partie porte sur l'étude de la croissance de CdSe et ZnTe par épitaxie par jets moléculaires, sur différents substrats. Ces matériaux sont particulièrement intéressants et adaptés pour cette application car ils ont un gap direct, quasiment le même paramètre de maille, un alignement de bandes de type II, et le CdSe une bande interdite compatible avec le spectre solaire. De plus une structure basée sur un superréseau très courte période de ces matériaux permet de créer un absorbeur solaire aux propriétés modulables, qui peut s'approcher de l'absorbeur idéal, avec des contacts intrinsèquement adaptés. En contrepartie il s'agit de semiconducteurs binaires qui n'ont aucun atome en commun, de sorte que la croissance d'échantillons avec des épaisseurs précises à la monocouche près constitue un vrai défi. Pour cette raison nous avons procédé à une étude fine des interfaces grâce à des analyses de diffraction de rayons X et de microscopie en transmission, qui nous permet de conclure sur la nature chimique des atomes à proximité des interfaces. Vient ensuite une étude poussée de spectroscopie sur les effets des interfaces de type II sur les porteurs de charges, à travers leur énergie et cinétique de recombinaison. Nous avons développé un modèle analytique qui permet d'ajuster précisément toutes les caractéristiques observées en relation avec ces interfaces, et qui témoigne d'un mécanisme de séparation des charges très efficace. Nous montrons par la suite que ces effets observés sont des caractéristiques intrinsèques de toutes les interfaces de type II, indépendamment des matériaux et des structures, et que ceux-ci nous permettent d'extraire avec précision les valeurs des décalages de bandes entre différents matériaux à alignement de type II. Le dernier chapitre traite finalement du développement de cellules photovoltaïques basées sur les concepts étudiés dans cette thèse. Il aborde notamment les structures de dispositifs envisagées ainsi que nos premiers résultats de rendements de cellules basées sur des hétérostructures de semiconducteurs avec cet alignement de bandes.

La possibilité de créer des monocouches de dichalcogenures à métaux de transition (MoS2, WSe2,MoSe2 pour ceux étudiés dans ce manuscrit) a été démontrée récemment (2005) et a ouvert la voie à l’étude de ces matériaux sous leur forme 2D. Il apparaît depuis que les propriétés de ces semi-conducteurs sous leur forme monocouche offrent des perspectives intéressantes à la fois du point de vue de la physique fondamentale et des potentielles applications qui peuvent en découler ; en plus de bénéficier d’un fort couplage avec la lumière, l’existence d’un gap important (situé dans le visible, 1.7-1.8 eV) permet entre autres de réaliser des transistors d’épaisseur mono-atomique. Par ailleurs, la physique de ces matériaux est prometteuse pour les applications dans le domaine de l’optoélectronique. En effet, lorsque le matériau est affiné jusqu’à la monocouche atomique, son gap optique devient direct et la brisure de symétrie d’inversion associée au fort couplage spin-orbite provoque l’apparition de règles de sélection optique originales qui relient directement la polarisation de la lumière émise ou absorbée à une des deux vallées non-équivalentes de l’espace réciproque. Cela ouvre la possibilité d’explorer une nouvelle physique, basée sur l’indice de vallée et intitulée en conséquence vallée-tronique, avec comme perspectives futures la manipulation de l’indice de vallée et l’exploitation d’effetsliés à cette relation originale entre propriétés optiques et électroniques (effet vallée-Hall par exemple). Cemanuscrit de thèse regroupe une série d’expériences réalisées dans le but de comprendre et caractériser les propriétés optoélectroniques de ces matériaux. Un premier chapitre introductif présente le contexte scientifique de ces travaux de recherche et démontre l’origine des propriétés électroniques et optiques de ces matériaux via un modèle théorique simple. Le second chapitre présente en détails les échantillons étudiés ainsi que le dispositif expérimental utilisé lors des mesures. Enfin les chapitres 3 à 6 détaillent les expériences menées et les résultats obtenus ; le lecteur y trouvera des mesures de photoluminescence apportant la démonstration expérimentale des règles de sélection optique, l’identification des différents raies spectrales d’émission pour les différentstypes d’échantillons mentionnés plus haut ainsi que des mesures de photoluminescence résolues en temps permettant d’extraire la dynamique des propriétés des porteurs photo-générés. Une part importante de ce manuscrit est consacrée à l’étude expérimentale des propriétés excitoniques de ces matériaux dont la structure de bande électronique est finalement sondée via des études de magnéto-spectroscopie. / The possibility of isolating transition metal dichalcogenide monolayers by simple experimental means has been demonstrated in 2005, by the same technique used for graphene. This has sparked extremely diverse and active research by material scientists, physicists and chemists on these perfectly two-dimensional (2D) materials. Their physical properties inmonolayer formare appealing both fromthe point of view of fundamental science and for potential applications. Transition metal dichalcogenidemonolayers such asMoS2 have a direct optical bandgap in the visible and show strong absorption of the order of 10% per monolayer. For transistors based on single atomic layers, the presence of a gap allows to obtain high on/off ratios.In addition to potential applications in electronics and opto-electronics these 2D materials allow manipulating a new degree of freedom of electrons, in addition to the spin and the charge : Inversion symmetry breaking in addition to the strong spin-orbit coupling result in very original optical selection rules. The direct bandgap is situated at two non-equivalent valleys in k-space, K+ and K−. Using a specific laser polarization, carriers can be initialized either in the K+ or K− valley, allowing manipulating the valley index of the electronic states. This opens up an emerging research field termed "valleytronics". The present manuscript contains a set of experiments allowing understanding and characterizing the optoelectronic properties of these new materials. The first chapter is dedicated to the presentation of the scientific context. The original optical and electronic properties of monolayer transition metal dichalcogenides are demonstrated using a simple theoreticalmodel. The second chapter presents details of the samples and the experimental setup. Chapters 3 to 6 present details of the experiments carried out and the results obtained. We verify experimentally the optical selection rules. We identify the different emission peaks in the monolayer materials MoS2, WSe2 and MoSe2. In time resolved photoluminescence measurements we study the dynamics of photo-generated carriersand their polarization. An important part of this study is dedicated to experimental investigations of the properties of excitons, Coulomb bound electron-hole pairs. In the final experimental chapter, magneto-Photoluminescence allows us to probe the electronic band structure and to lift the valley degeneracy.