Les nitrures d’éléments III, à savoir GaN, InN, AlN et leurs alliages, forment une famille de matériaux semi-conducteurs dont les propriétés sont particulièrement intéressantes pour la réalisation de diodes électroluminescentes (LEDs). Leur intérêt réside en particulier dans leur bande interdite qui est directe et qui couvre une large bande spectrale de l’infrarouge (0,65eV pour InN) à l’ultraviolet (6,2eV pour AlN). En raison de l’absence de substrats accordés en maille avec ces matériaux, les couches minces hétéroépitaxiées de nitrure sont généralement touchées par des problèmes de qualité cristalline. Grâce au phénomène de relaxation des contraintes en surface, les nanofils offrent une solution prometteuse pour résoudre ce problème. Ils combinent de nombreux autres avantages : en comparaison des couches minces, l’efficacité quantique interne des LEDs peut être améliorée (surface effective plus importante permettant de diminuer l’effet Auger à courant injecté identique, absence de champ de polarisation en utilisant les facettes non polaires des nanofils) et l’extraction des photons est facilitée par l’effet guide d’onde des nanofils. Cependant, une des difficultés est de parvenir à contrôler la synthèse de ces nano-objets pour garantir une homogénéité des propriétés structurales d’un fil à l’autre et au sein d’un même fil. Dans ce contexte, mon travail de thèse a consisté à étudier d’un point de vue expérimental et théorique l’impact des inhomogénéités structurales sur les propriétés optoélectroniques de dispositifs à nanofils de type LED. J’ai pu mettre en évidence et modéliser un effet de concentration du courant dans les régions riches en indium lorsque les courants injectés sont modérés. Pour de forts courants, le courant se concentre à proximité du contact sur la coquille dopée p. Théoriquement, j’ai montré que la dérive des porteurs de charge dans les puits quantiques et leur diffusion unipolaire et ambipolaire en présence d’un gradient de compositions des puits étaient négligeables. Par ailleurs, je me suis également intéressé à l’interprétation des caractéristiques courant-tension. A l’aide d’un modèle simple, j’ai également identifié la présence de courant de fuite par effet tunnel dans des structures présentant une densité importante de défaut. Dans une seconde partie de ma thèse, je me suis également intéressé à la caractérisation de nanofils à structure coeur-coquille par la technique de courant induit par faisceau d’électrons (Electron Beam Induced Current). La dépendance des cartographies EBIC en fonction de la tension appliquée et de l’énergie du faisceau incident a été modélisée. Ce travail m’a notamment amené à proposer une nouvelle méthode de caractérisation permettant de cartographier les résistivités du coeur et de la coquille des nanofils. / III-nitrides i.e. GaN, InN, AlN and their alloys are semiconductors of choice to fabricate optoelectronic devices such as Light Emitting Diodes (LEDs). One of their most interesting features relies in their direct band gap that covers a very wide spectral range, from infrared (0.65 eV for InN) to UV (6.2 eV for AlN). However, the lack of lattice-matched substrate has been responsible for strong crystalline quality issues in heteroepitaxial thin films. Thanks to stress relaxation at their surface, nanowires provide a smart solution to this problem. Besides, they have a few more assets. In comparison to thin films, nanowires can improve the internal quantum efficiency of LEDs because of their higher effective surface that leads to lowered current densities and thus mitigated Auger effect. The internal quantum efficiency also benefits from the possibility to grow the active region on non polar facets, thus getting rid of the detrimental high internal polarization-induced electric field in quantum wells. Furthermore, the photon extraction efficiency is enhanced by the guiding effect of nanowires. However, despite all this promising advantages, one of the main challenges remains the control of structural homogeneity from wire to wire but also inside single wires.In this context, my work has consisted into studying from an experimental and theoretical point of view the consequences of these structural inhomogeneities on the optoelectronic properties of nanowire based LED devices. I have shown that the current tends to gather into indium-rich regions for moderate bias. At higher bias, the dominant current path though the junction is generally located under the p-contact on the nanowire shell. I have theoretically demonstrated that the unipolar and ambipolar diffusion of carriers as well as their drift induced by a composition gradient inside the quantum wells is not significant in the devices I have studied. Moreover, I took also an interest in the detailed analyze of I-V curves. Thanks to a simple model, I have identified the presence of leakage current related to defect- and phonon-assisted tunneling effect. In the second part of my work, I have focused onto the characterization of core-shell wires using the Electron Beam Induced Current technique. The bias-dependant and acceleration voltage-dependant EBIC maps has been explained with a theoretical model based on equivalent circuits. This study leads me to suggest a new experimental method that can be used to map the nanowire core and shell resistivity.

Les nanosciences et les nanotechnologies (NST) s’inscrivent dans un champ technoscientifique, le nanomonde, qui a pour socle l’hybridation autant conceptuelle que pratique entre le domaine de la nature et celui de la technique. Dans ce mémoire nous nous intéressons au basculement de la distinction entre le naturel et l’artificiel qui s’ensuit. Un retour socio-historique sur la construction du dualisme nature/artifice propre aux sociétés modernes nous aide alors à saisir les enjeux socio-culturels impliqués dans sa remise en question. La déconstruction, à travers la méthode d’analyse de discours, d’entretiens réalisés avec les principaux chercheurs en NST au Québec illustre empiriquement, tout en le systématisant, le double processus d’artificialisation de la nature et de naturalisation de la technique, pointé théoriquement comme caractéristique de la remise en cause de la distinction entre nature et artifice qu’opère le nanomonde. Nous suggérons que l’artificialisation de la nature et la naturalisation de la technique, loin d’être contradictoires, constituent des éléments d’une dynamique synergique dont le résultat est une désontologisation de la nature comme catégorie de la pensée et une déqualification du monde qui distingue l’activité humaine. / Nanosciences and nanotechnologies (NST) are part of a technoscientific field, the nanoworld, which is founded on a theoretical and practical hybridization between nature and technique. In this master thesis we are interested in the blurring of the distinction between the natural and the artificial that so follows. From a socio-historical perspective of the construction of the dualism nature/artefact typical of modern societies, we try to apprehend the socio-cultural stakes that might result from its reversal. Through discourse analysis of interviews conducted with the main researchers in NST in Quebec, we illustrate empirically, and systematize, the double process of artificialisation of nature and naturalization of technique, which is theoretically pointed out as characteristic of the blur of the distinction between nature and technique carried out in the nanoworld. We suggest that the two terms, artificialisation of nature and naturalization of technique, far from being contradictory, rather constitute elements of a synergetic dynamics that leads to a de-ontologisation of nature as a category of thought and a disqualification of the domain that distinguishes human activity. / Conseil de Recherches en sciences humaines du Canada

Le développement récent de la théorie quantique de l’information porte la communauté scientifique à s’intéresser de plus en plus aux sources de photons uniques. En effet, ces sources peuvent par exemple être utilisées pour le calcul quantique optique ou la cryptographie quantique pour améliorer les performances de distribution des clés et éviter les écoutes ou tentatives de hacking. Par conséquent, il est nécessaire de disposer de sources fiables et pour des applications réalistes, le défi est d'obtenir des sources de photons uniques qui fonctionnent jusqu'à température ambiante.Notre groupe à récemment démontré qu'en insérant une boîte quantique de CdSe dans un nanofil de ZnSe, l'émission de photons uniques pouvait être obtenue jusqu'à température ambiante. Néanmoins, ces nanofils avaient un rendement quantique faible et n'étaient pas orientés verticalement à la surface des échantillons du fait de leur croissance suivant l'orientation cristallographique (001). Ces nanofils verticaux ont pour intérêt de pouvoir être aisément couplés à des structures photoniques pour augmenter la collection des photons et leur croissance est favorisée avec des substrats orientés suivant l'orientation cristallographique (111).Dans ce contexte, le but de ce travail de doctorat est de développer la croissance de boîtes quantiques de CdSe insérées dans des nanofils de ZnSe verticaux suivant l'orientation cristallographique (111) par épitaxie par jet moléculaire, d'en étudier les propriétés optiques jusqu'à température ambiante pour des applications potentielles en tant que sources de photons uniques, et de coupler ces nano-objets à des structures photoniques pour augmenter la collection de photons. Pour atteindre ces objectifs, nous avons divisé notre étude en trois points.La première étape de ce travail est concentrée sur le développement de la croissance de nanofils de ZnSe verticalement orientés et passivés par une coquille semiconductrice de ZnMgSe. Nous observons que grâce à cette coquille, l’émission lumineuse de nanofils uniques augmente de plus de deux ordres de grandeur. Dans un second temps, nous démontrons la possibilité d’insérer des boîtes de CdSe dans ces nanofils de ZnSe suivant différentes conditions de croissance. L’influence de ces conditions de croissance est mise en évidence par des études structurales et de composition de ces nano-objets. Des études optiques en fonction de la température montrent que ces nanofils émettent jusqu'à température ambiante. De plus, l'étude du temps de déclin de nanofils uniques révèle que ces fils sont robustes et insensibles aux canaux de recombinaison non-radiatifs jusqu'à 200 K. La troisième étape de ce travail concerne l'augmentation de la collection des photons de ces nano-objets. Nous montrons dans un premier temps qu’en changeant l’environnement diélectrique d’une boîte quantique, son taux d’émission spontanée peut être augmenté. Puis nous montrons la possibilité de créer des fils photoniques à partir des boîtes quantiques insérées dans des nanofils, en recouvrant ces fils d'une épaisse coquille diélectrique. A la lumière d'expériences de microphotoluminescence - qui montrent que ces fils photoniques augmentent efficacement la collection de photons - et de simulations, nous discutons l'intérêt de l'orientation du dipôle (parallèle ou perpendiculaire à l'axe de croissance du nanofil) dans ces structures. / The recent development of the quantum information theory focuses the interest of the scientific community on single-photon sources. Indeed, these sources can be used for instance for optical quantum computing or quantum cryptography to improve the quantum key distribution performances and avoid eavesdropping. Consequently, it is necessary to have reliable single-photon sources and for realistic applications, the challenge is to get a single-photon source operating up to room temperature.Our group recently demonstrated that by inserting a quantum dot of CdSe in a nanowire of ZnSe, single-photon emission could be obtained up to room temperature. Still, these nanowires had a low quantum yield and were not vertically oriented on the as-grown sample since they were grown along the (001) crystallographic orientation. The interest of vertically oriented nanowires is that they can be coupled to photonic structures to increase their photons collection and their growth is favored on (111)-oriented substrates.In this context, the aim of this PhD work is to develop the growth of vertically oriented ZnSe-CdSe nanowire quantum dots along the (111) crystallographic orientation by molecular beam epitaxy, to study their luminescence up to room temperature for single-photon sources applications, and to couple these nano-objects to photonic structures to increase the photons collection. To reach this goal, we divided this project in three steps.The first step focuses on the development of vertically oriented ZnSe nanowires, passivated with a semiconductor shell of ZnMgSe to enhance their luminescence. In a second step, we demonstrate the possibility to insert CdSe quantum dots in these ZnSe nanowires, using different growth conditions for the quantum dot. The influence of these growth conditions is studied with structural and composition analysis of these nano-objects. Optical studies as a function of the temperature show that these nanowires emit up to room temperature. Moreover, decay-time studies on single nanowire quantum dots reveal that these nanowires are robust and insensitive to non-radiative recombination channels up to 200 K. The third step of this work concerns the enhancement of the light collection from these nano-objects. First, we show that by changing the dielectric environment of the quantum dot, its decay-rate can be increased. Then, we show the possibility to create photonic wires by covering these nanowire quantum dots with a thick dielectric shell. In the light of microphotoluminescence experiments – which show that these photonic wires efficiently increase the photons collection – and simulations, we discuss the interest of the dipole orientation (parallel or perpendicular to the nanowire growth axis) in these structures.

Dans ma thèse, j'ai étudié le transport électronique quantique dans des nanofils semiconducteurs couplés aux supraconducteurs, avec le but de comprendre les conditions nécessaires pour observer des états liés de Majorana. De manière inattendue, au cours de mes expériences j'ai trouvé des exemples notables de l'omniprésence de la localisation spatiale des électrons dans des nanofils apparemment balistiques et unidimensionnels (1D). Ses effets peuvent imiter des signatures d'unidimensionnalité, d’hélicité et des états liés de Majorana, jetant un doute sur leur interprétation.La conductance d’un nanofil 1D est quantifiée et censée montrer des plateaux a des multiples entiers du quantum de conductance. Curieusement, le transport dans un nanofil d'InAs qui hébergeait une boite quantique à un seul niveau a montré qu'il pouvait répliquer les deux premiers plateaux résolus en spin. Une mesure du courant Josephson sous un champ magnétique a révélé les transitions d'état fondamental d'un électron qui occupait ce niveau et confirmé sa nature localisé.Dans le régime hélicoïdal, une chute de la conductance est prédite au milieu de chaque plateau de conductance. De façon étonnante, des dispositifs à base de nanofils uniques d'InSb hébergeant une boite quantique qui conduisait en parallèle avec le canal 1D ont reproduit la même signature.Enfin, la présence des états liés de Majorana, devrait être décelée par un pic à tension de biais nul (ZBP) lors d’une spectroscopie tunnel. Dans un des échantillons à deux canaux mentionnés précédemment, lorsque le canal unidimensionnel était fermé, un ZBP a émergé dans le gap supraconducteur sous un champ magnétique parallèle au nanofil. Ce ZBP a été attribué aux états liés d'Andreev de la boite quantique. Dans une expérience différente faite avec une jonction Josephson à base d'un nanofil d'InAs hébergeant une boite quantique, un ZBP relié au courant Josephson est apparu dans le gap supraconducteur comme le résultat d'une transition de l'état fondamental singlet de la boite quantique vers un état doublet.Malgré la localisation, il a été possible d'extraire des informations significatives sur le régime 1D. Le rôle des grilles a été majeur dans la détermination des dégénérescences sous un champ magnétique des sous-bandes d’un nanofil d'InSb présentant deux canaux de conduction en parallèle. En jouant avec leurs tensions de seuil, effets orbitaux, et facteurs gyromagnétiques, la tension de grille pouvait changer les énergies des sous-bandes appartenant à chaque canal, de manière à les verrouiller ensemble. Grace à ce mécanisme, il a été possible d’observer un plateau à 2e^2/h jusque à de forts champ magnétiques sans aucune apparition d'un plateau à 1e^2/h. La possible existence des deux fils quantiques dans un seul nanofil ouvre la voie à l'observation des états hélicoïdaux et des états liés de Majorana de nature fractionnel.Dans l'ensemble, ces résultats pointent vers la nécessité d'une meilleure compréhension de la physique des dispositifs à base de nanofils d'InAs et d'InSb. Des études supplémentaires dans l'état supraconducteur et normal doivent être réalisées sur des dispositifs plus simples avec un faible nombre de grilles, avant de faire l'étude et manipulations des états liés de Majorana dans des systèmes plus complexes, dont les signatures de localisation pourraient être mieux cachées. Ces résultats originaux vont être publiés dans les mois qui suivent dans quatre articles différents. / In my thesis, I studied low-temperature electronic transport in semiconductor nanowires coupled to superconductors, with the goal of understanding the requirements to observe Majorana bound states. Unexpectedly, I found dramatic examples of the pervasiveness of spatial localization of electrons even in seemingly ballistic one-dimensional (1D) nanowires. Localization could replicate signatures of one-dimensionality, helicity and Majorana bound states, casting a shadow of doubt on their interpretation.1D nanowires are expected to show plateaus of quantized conductance. Curiously, transport through an InAs nanowire hosting a single-level quantum dot showed that it could mimic the first two spin-resolved plateaus. A measurement of the Josephson supercurrent under magnetic field revealed the ground-state transitions of an electron occupying this level, confirming its localized nature.In the helical regime, a conductance dip is predicted to appear in each of the conductance plateaus. Surprisingly, InSb nanowire devices hosting a quantum dot conducting in parallel with a 1D channel reproduced this signature.The presence of Majorana bound states, in turn, should be revealed by a zero-bias peak (ZBP) in tunnel spectroscopy. In one of the two-path devices mentioned above, when the 1D path was closed, a zero-bias peak emerged inside the superconducting gap under a magnetic field parallel to the nanowire. This ZBP was related to trivial Andreev bound states from the quantum dot in parallel to the 1D channel. In a different experiment done in an InAs nanowire Josephson junction device hosting a quantum dot, a ZBP related to a Josephson supercurrent appeared inside of the superconducting gap as a result of a transition of the ground-state of the dot from a singlet to a doublet.In spite of localization, it was possible to extract some meaningful information about the 1D regime. The role of the gates was major in determining the degeneracy of the subbands in an InSb nanowire with two 1D conduction paths in parallel under magnetic field. Through a direct influence on their threshold voltages, orbital effects, and g-factors, the gate voltage could shift the energies of the subbands and lock them together. Via this mechanism, it was possible to observe a 2e^2/h plateau lasting until very large field without the appearance of a 1e^2/h plateau. The possible existence of two quantum wires in a single nanowire opens the door for novel helical and Majorana bound states of fractional nature.Altogether, these results point to the need of a better understanding of the physics of simpler few-gates short-channel InAs and InSb nanowire superconducting and normal-state devices, before committing to the utterly complex devices that should be fabricated to study and manipulate Majorana bound states, in which signatures of localization could be better hidden. These original results will be published in the coming months in four different articles.

La téléopération est un moyen unique pour interagir aux échelles micro et nanoscopique où la perception sensorielle de l'homme a dépassé ses limites. Des applications comme la conception de micro/nanosystèmes ou l'enseignement des nanotechnologies peuvent trouver leur expression dans ce thème prometteur de recherche. Cette thèse aborde la problématique de la perception et d'une interface haptique pour les nanosciences, sous l'angle des utilisateurs potentiels. Les points clés de ce travail se déclinent en deux parties. La première décrit une analyse détaillée de la perception utilisateur à l'aide d'un ensemble d'évaluations, dans un premier temps sur des expériences ciblées tâche (où la perception des phénomènes n'est pas primordiale comparée à la résolution de la tâche), puis sur d'autres orientées compréhension des phénomènes dans une démarche pédagogique. Le cœur de ce travail d'analyse s'articule autour de la définition d'une plate-forme de simulation, et la recherche d'assistances haptiques dédiées à des stratégies complexes de manipulation et d'analogies comportementales pour la compréhension de la microscopie à force atomique. La deuxième partie aborde la conception d'une interface haptique à haute fidélité pour l'échelle nanoscopique. Une nouvelle approche d'actionnement est proposée, où deux moteurs sont couplés visqueusement afin d'obtenir une interface à large plage dynamique et à faible inertie. Les deux prototypes réalisés montrent que ce système peut approcher voire dépasser les besoins dérivés des capacités motrices et perceptuelles de la main humaine.

L'étude de la dynamique interfaciale des liquides à l'échelle du nanomètre est cruciale pour la compréhension de nombreux phénomènes biologiques et industriels. Pour aborder cette question, nous étudions l'interaction en champ proche d'une sonde et de liquides peu visqueux. La thèse s'articule autour de deux grands axes : le premier s'intéresse à la déformation de l'interface liquide lorsqu'une pointe est approchée et à l'instabilité hydrodynamique du "jump-to-contact" qui en résulte. Le second, plus intrusif, décrit la réponse hydrodynamique d'un liquide soumis à l'oscillation d'un nanocylindre (R ~ 20-100 nm) partiellement immergé. Les mesures sont réalisées par microscope à force atomique (AFM), en mode modulation de fréquence (FM), qui permet de mesurer la force exercée sur la sonde ainsi que les composantes conservatives et dissipatives de l'interaction pointe-liquide. Une première série de mesure est réalisée sur différents liquides modèles avec un AFM couplé à une caméra rapide via un microscope optique inversé. Avant le mouillage de la sonde, les courbes de spectroscopie de force et FM mettent en évidence la déformation de l'interface liquide sur des échelles nanométriques, pour une grande gamme de tailles de sonde (de 10 nm à 30 µm). L'analyse des mesures expérimentales avec le modèle théorique récemment développé par René Ledesma-Alonso permet de déterminer la distance critique dmin en dessous de laquelle l'interface se déstabilise et mouille irréversiblement la pointe ("jump-to-contact"). Un excellent accord est trouvé entre le modèle théorique et les mesures FM. La deuxième série de mesure s'intéresse à l'immersion partielle de pointes AFM cylindriques. Les courbes de spectroscopie FM montrent qu'une certaine quantité de liquide, située dans la couche visqueuse, est entraînée par l'oscillation de la pointe. On mesure simultanément la friction exercée sur la pointe et la masse de liquide ajoutée au système, qui est directement reliée à l'extension du champ de vitesse. Un modèle analytique basé sur la résolution de l'équation de Stokes rend compte quantitativement de l'ensemble des résultats expérimentaux. La dernière série de mesure est réalisée avec des sondes cylindriques spécialement conçues pour l'étude de la dynamique de nanoménisques. Ces sondes comportent des défauts topographiques annulaires dont l'épaisseur varie entre 10 et 50 nm. Les mesures montrent une divergence du coefficient de friction aux petits angles de contact qui est bien reproduite par un modèle théorique basé sur l'approximation de lubrification. La localisation de la dissipation d'énergie au voisinage de la ligne de contact et les propriétés d'ancrage du ménisque sont également discutées. Les expériences originales développées dans cette thèse démontrent ainsi la capacité de l'AFM à étudier quantitativement les liquides à l'échelle nanométrique et ouvrent la voie à une étude systématique des processus de dissipation au sein de liquides confinés, et notamment au voisinage d'une ligne de contact en mouvement. / The study of the interfacial dynamics of liquids, down to the nanometer-scale, is of primary importance in many domains including biological and industrial phenomena. To address those questions, we study the near-field interaction between a probe and low viscous liquids. The present thesis focuses on two aspects. In the first one, we investigate the liquid interface deformation that occurs when a tip is approached and the resulting "jump-to-contact" hydrodynamic instability. The second part is more intrusive as it describes the hydrodynamic response of a liquid under the oscillation of a partly-immerse nanocylinder (R ~20-100 nm). Our measurements are performed with an Atomic Force Microscope (AFM) in the frequency modulation (FM) mode, which allows to measure the force exerted on the probe along with the conservative and dissipative components of the tip-liquid interaction. A first set of measurements is performed on several model liquids with an AFM coupled with a high-speed camera via an inverse optical microscope. Before the probe wetting, the force and FM spectroscopy curves highlight the liquid interface deformation on nanometer scales for a large range of probe size (from 10 nm to 30 µm). The fitting of our experimental measurements with the theoretical model recently developed by René Ledesma-Alonso, enables to determinate the critical distance dmin below which the interface is destabilized and irreversibly wets the tip (jump-to-contact). The theoretical model and the FM measurements were found to be in good agreement. The second set of measurements focuses on the partial immersion of cylindrical AFM tips. The FM spectroscopy curves show that a certain quantity of liquid, located in the viscous layer, is carried off with the tip oscillation. The friction exerted on the tip and the liquid mass added to the system, which is directly linked to the velocity-field extension, were measured simultaneously. An analytical model based on the Stokes equation quantitatively reproduces our experimental results. The last set of measurements is performed with cylindrical probes specially designed for the study of nanomeniscus dynamics. Those probes possess annular topographic defects, whose thickness varies between 10 nm and 50 nm. The measurements show that he measured friction coefficient surges as the contact angle is decreased. This behavior is well described by a developed theoretical model based on the lubrication approximation. Furthermore, the dissipation pattern in the vicinity of the contact line and the anchoring properties are also discussed. The original experiments developed in this thesis demonstrate thus that AFM is a relevant tool for the quantitative study of liquids at the nanoscale. This work paves the way for systematic studies of dissipation processes in confined liquids, and in particular in the vicinity of moving contact lines.

On l'a peut être oublié mais c'est la quête d'une sonde spectroscopique locale, qui a conduit H.Rohrer et G.Binnig à l'invention de la microscopie par effet tunnel. C'est en s'appuyant sur la physique des surfaces (domaine qui ne leur était pas familier) que les inventeurs ont favorisé la diffusion de la microscopie tunnel à l'extérieur des laboratoires d'IBM Zürich. De cette opération, initialement parallèle à leur programme de recherche officiel, devait naître toute une famille de sondes locales dérivées à commencer par la microscopie à force atomique. Le jury Nobel a, dès 1986, reconnu la portée de leurs travaux en leur accordant le prix de Physique.<br />Les développements de cette famille de techniques ont été très rapides et ont entraîné la naissance d'une communauté toujours plus large. Quinze ans après, on pourrait croire que les développements sont achevés, il n'en est rien. Des pans entiers de la recherche n'ont pas encore tiré profit de ces techniques légères de laboratoire. Parallèlement, continuent d'apparaître de nouvelles microscopies en champ proche qui soulignent d'autres propriétés physico-chimiques.<br />Il y a ainsi, disponible, une palette variée d'outils, qui permet dans de nombreuses disciplines, de visualiser des surfaces, des objets, de les sonder, de les manipuler même... Sans exclusive, ces outils, particulièrement bien adaptés, ont largement contribué au développement de la nanophysique.<br /><br /> Cette rédaction est pour moi une occasion de revenir sur une dizaine d'années de recherches et sur la physique que m'a permis d'aborder l'utilisation des Microscopies en Champ Proche. Mon propos n'est pas de rédiger une nouvelle thèse mais plutôt de montrer une démarche à moyen terme.<br />Cette démarche ne peut totalement apparaître dans les seuls articles. Il y manque en effet : la multitude d'expériences toutes individuellement insignes mais qui, touche après touche, permettent d'accéder à une vision cohérente. De même, les rencontres avec d'autres chercheurs n'y sont pas toujours mentionnées. C'est important car, au hasard de ces contacts, des affinités intellectuelles se créent et ont une influence déterminante sur la recherche.<br /><br />Lorsque je débute ma thèse en 1986, sous la direction de Frank Salvan, je suis instantanément immergé dans cette communauté tunnel naissante. L'enthousiasme partagé, les errements communs, l'apprentissage collectif ont été une véritable chance. Je garde de ces premières années un souvenir -non pas nostalgique- mais -au contraire- très vivant. Je me rappelle notamment comment la communauté a surmonté les limitations de la technique en introduisant de nouvelles sondes.<br /><br /> Force est de constater le formidable pouvoir évocateur des images fournies par les microscopies en champ proche. Cette caractéristique, très médiatique, explique indubitablement le succès de ces techniques mais est aussi parfois la raison de leur discrédit. Avec de tels supports : les images, la tentation de vulgarisation exagérée est forte. A cela s'ajoute la facilité d'accès à cette production d'image grâce aux appareils commerciaux existants. L'ensemble concourt malheureusement à la floraison, dans la littérature, d'exemples de sur-interprétation plus ou moins volontaire des données.<br /><br />On l'a dit, la physique des surfaces, a offert au STM l'occasion de se révéler à la communauté scientifique au travers de superbes images à l'échelle atomique de structures périodiques de surface. Nous sommes nombreux à avoir abordé les microscopies en champ proche en traquant la 7x7 du Si(111). Quelques années après, malgré les progrès de l'instrumentation qui rendent l'obtention de la résolution atomique plus routinière, "voir les atomes" dégage toujours pour moi une émotion (sans doute liée à la lenteur de prise d'une image). Toutefois, si le STM a permis d'avoir une meilleure connaissance de "l'intérieur" de la maille cristalline, je considère que son apport est plus dans la mise en évidence l'importance des défauts.<br />Ainsi, je ne m'étendrais pas sur les applications de la microscopie par effet tunnel à l'étude de l'ordre cristallin en surface ou des premiers stades de la croissance. J'ai en effet rapidement délaissé ce domaine en tant que tel. Je me contenterai d'écrire deux choses :<br />La première est que, même si l'apport du STM n'avait été que de nous apprendre à (mieux) préparer les surfaces, son invention aurait déjà été très appréciable. C'est un crible qui évite beaucoup d'erreurs et qui contribue alors à mieux tirer profit des autres techniques.<br />La seconde est que, en champ proche, la réussite des expériences passe de toutes manières par la maîtrise des substrats. Cette "culture" des surfaces est donc une base indispensable. Nous aurons l'occasion d'en donner des exemples.<br /><br />Le premier volet de ce manuscrit concernera les expériences récentes qui nous préoccupent actuellement dans le domaine de l'électronique moléculaire. Alors que les tailles de dispositifs diminuent, il a été maintes fois proposé d'approcher le problème par l'autre extrémité3 et d'utiliser les briques élémentaires parfaites que sont les molécules pour réaliser un édifice réalisant une fonction complexe.<br />Plus fondamentalement, que cette possibilité devienne un jour réalité ou non, il s'avère que l'on ne connaît qu'extrêmement peu de choses du transport électronique dans une molécule unique et guère plus du transport dans une assemblée de molécules comme en témoigne, par exemple, la mise en évidence récente de la supraconductivité dans des cristaux organiques.iii Une des raisons en est que prendre (ne serait-ce que) deux contacts sur une molécule unique est une tâche ardue. Comme toujours, l'émergence de ce thème de recherche résulte de la conjonction de plusieurs facteurs.<br />D'une part, un rapprochement avec des chercheurs d'un laboratoire de chimie du campus (Corinne Moustrou, André Samat et Robert Guglielmetti du GCOPL) capables de synthétiser des molécules photo-commutables transitant entre des formes dites « isolantes » et « conductrices ». <br />D'autre part, une expertise acquise, au cours de la thèse de Hubert Klein, dans la préparation de couches organiques autoassemblées qui, nous le verrons, sont une composante essentielle de ce projet.<br />Enfin, notre connaissance des sondes couplant microscopie tunnel et rayonnement électromagnétique que nous retrouverons à la fin de cette étude.<br />L'ensemble concourait à élaborer un projet de recherche commun qui était rendu encore plus cohérent en suscitant l'intérêt de théoriciens (Thierry Martin du CPT et Andres Saul du CRMC2). Nous ne sommes qu'au tout début de ce travail de longue haleine. Il y a de nombreuses voies à explorer, d'obstacles à contourner, d'instrumentation à développer mais les résultats déjà acquis sont de bon augure.<br /><br /> Le deuxième thème que j'aborderai est celui de la nanorugosité des surfaces. Il est utile de replacer les choses dans leur contexte de l'époque. A la fin des années 80, la plupart des chercheurs impliqués dans la microscopie par effet tunnel aspiraient à obtenir la résolution atomique et l'effet médiatique consécutif au prix Nobel et aux « images » (cf. plus haut) drainait vers les laboratoires possesseurs de STM quantité de projets et d'échantillons plus ou moins adaptés. En fait, avec l'avènement du STM, on avait sauté une étape qui allait bientôt être comblée par la disponibilité commerciale du premier microscope à force atomique. On disposait alors d'une visualisation du relief à l'échelle atomique mais on savait en fait très peu de la topographie des surfaces à (un peu) plus grande échelle. De plus, s'il est relativement facile de reconnaître une structure périodique à la surface d'un cristal soigneusement préparé en ultra-vide, comment différencier une surface rugueuse d'une autre, comment les comparer, les classer, comment en tirer les paramètres caractéristiques, comment en comprendre l'évolution ?<br />C'est une collaboration industrielle qui m'a donné l'occasion de me pencher sur ces problèmes et, par la suite, de développer les outils d'analyse statistique de rugosité. <br />Parmi les sollicitations extérieures, certaines émanaient d'industriels de la microélectronique (production) soucieux de « voir » pourquoi, lors des procédés en ligne, tel dépôt donnait de meilleurs résultats que tel autre. Eux se satisfaisaient tout à fait de ces fameuses images qui révélaient de nettes différences topologiques. Mais ce type d'analyse nous aurait limité à des cas très caricaturaux. Nous avons alors développé des programmes informatiques qui, à partir de la nappe 2D de la surface, en calculaient la densité spectrale de rugosité4. Les résultats furent en accord avec nos attentes. A partir d'échantillons identiques, les images conduisaient aux mêmes spectres. Des images visiblement différentes menaient à des spectres significativement distincts. Enfin, des images qui se ressemblaient permettaient de mettre en évidence des différences plus subtiles.<br />Nous en savions assez pour y consacrer plus de temps.<br />Tout c'est alors enchaîné assez vite car le hasard a voulu que des opportunités se présentent à ce moment là. Un stagiaire dynamique passait par là alors que le CNET-Meylan voulait aborder la microscopie en champ proche de manière « encadrée ». Une thèse débutait. Dans la lignée des premières expériences, nous avons entrepris des études STM de diverses surfaces de Si. Ce travail a achevé de nous convaincre de la validité de l'approche. Le CNET s'équipait d'un AFM et les expériences prenaient un tour nouveau. On pouvait maintenant balayer des surfaces de plusieurs dizaines de microns de côté alors que le champ de notre STM dédié à la résolution atomique n'était de que de 1 micron. De plus le fait de travailler à la pression atmosphèrique décuplait le flux de données et permettait de systématiser les choses. Les mesures étaient reproductibles mais il fallait aller plus loin. En effet, des erreurs systématiques peuvent canuler les mesures. Un contact s'est alors établi avec E.Pelletier et Cl.Amra (ENSPM, Marseille). Spécialistes de diffusion lumineuse, il maîtrisaient bien la mesure quantitative de la rugosité. En deux mots leur technique est la suivante : un pinceau lumineux monochromatique est envoyé sur une surface. Si celle-ci n'est pas parfaitement lisse (tout est réfléchi dans le spéculaire) ni périodique (phénomène de diffraction), de la lumière est diffusée dans toutes les directions de l'espace. Sa mesure, et des modèles classiques permettent de remonter au spectre de rugosité des surfaces dans une gamme de longueur d'onde typiquement comprise entre lambda et 20 fois lambda.<br />Nous avons défini un protocole de caractérisations croisées qui a permis de prouver que nos mesures de rugosité en AFM étaient parfaitement quantitatives.<br />La thèse d'Olivier Vatel allait permettre d'appliquer notre travail à un grand nombre de surfaces produites en milieu semi-industriel. Aux delà des spectres de DSP, nous en tirions des paramètres caractéristiques (e.g. longueurs de corrélation verticales et horizontales) et leur évolution temporelle. Sur le plan international, à cette période, on ne dénombrait que peu de publications tirant profit des mêmes outils d'analyseiv. Les résultats obtenus nous donnaient l'occasion d'aborder des domaines nouveaux. Nous lisions en particulier beaucoup dans le domaine des lois d'échellev. Ces lectures m'amenèrent à profiter d'un de mes voyages régulier à Grenoble pour y rencontrer un théoricien dont un article m'avait plu. Je ne le connaissais pas. C'était Jacques Villain. A la sortie de cette discussion, non seulement j'étais conforté dans mes recherches en cours mais de nouvelles perspectives s'offraient. En effet, certains modèles continus de croissance ou d'érosion permettaient en effet le calcul analytique complet de la densité spectrale de puissance que nous mesurions par ailleursvi. La thèse de Michel Ramonda qui débutait allait notamment s'attacher à comparer les résultats issus des mesures, des calculs théoriques à l'échelle mésoscopique ou des simulations numériques atomistiques.<br /><br /> Enfin, je décrirai quelques une des expériences d'émission de lumière stimulée par STM. Une fois les techniques (approche, usage des céramiques piézo-électriques, asservissement...) héritées du STM et de l'AFM maîtrisées, nombreuses ont été les microscopies à balayage inventées. Parmi ces développements l'observation de l'émission de lumière émise à la jonction pointe/surface d'un STM est reportée. Cette idée était dans l'air mais c'est James Gimzewski qui la réalise en premier, accédant ainsi à la vieille requête d'un de ses collègues d'IBM Zurich : Bruno Reihl, expert en photoémission inverse. Dans cette première expérience, l'énergie des photons détectés était d'une dizaine de Volts et le STM était plutôt utilisé en régime d'émission de champ. Nonobstant, la voie était ouverte. La perspective de pouvoir mesurer, à l'échelle nanométrique, des propriétés optiques effaçait à nos yeux les difficultés techniques et la maigreur du signal. C'est ainsi, qu'au travers d'une collaboration avec Gimzewski, nous nous sommes lancés dans le sujet. Quelques groupes ont suivi en Europe. De timides tentatives ont été reportées aux USAvii puis, plus tard, au Japon.<br />En ce qui nous concerne, menant ce thème de recherche simultanément à d'autres, nous avons débuté par une période d'apprentissage pendant laquelle nous avons obtenu, par cette technique, un certain nombre de résultatsviii sur des métaux ou des cristaux de semiconducteurs à gap direct. Ces résultats, avec ceux de la littérature, nous ont montré que les processus d'émission lumineuse à partir de métaux ou de semiconducteurs étaient radicalement différents:<br />Pour les métaux, l'émission est reliée à une résonance plasmon localisée entre la pointe et la surface. Cette émission dépend alors non seulement des deux matériaux mais également de la géométrie de la jonction tunnel (notamment de la forme de la pointe). En fait, la pointe tunnel exalte localement le champ électromagnétique. Les calculs développés dans ce cadreix montrent que l'extension latérale de ces modes peut, selon la pointe utilisée, descendre au nanomètre. C'est la limite de résolution que je pronostiquerai pour toutes ces sondes-outils à balayage tirant profit du champ électromagnétique à l'extrémité d'une pointe. Parmi elles, j'englobe aussi bien les techniques de lithographie en champ proche (STM et AFM) que les microscopes en champ proche optique sans ouverture utilisant des pointes tunnel. Pour clore cette parenthèse, ajoutons que ces phénomènes physiques sont les mêmes que ceux qui régissent la propagation des ondes électromagnétiques dans les matériaux nanostructurés et qui sont à l'origine par exemple des composants à bande interdite photonique.<br />Pour les semiconducteurs, la recombinaison radiative électron/trou est le processus majoritaire impliqué dans l'émission de lumière induite par STM. Le lien avec la structure électronique du matériau est donc plus direct puisque l ‘énergie des photons émis est celle de la bande interdite.<br />Ces expériences nous encourageaient à dédier un système expérimental complet à cette technique. Son installation a coïncidé avec la découverte de la luminescence du silicium poreux.xiii Le silicium poreux, matériau nanostructuré présentant de surprenantes propriétés optiques, semblait parfaitement adapté à notre technique. De fait, nous en avons étudié plusieurs aspects (morphologie, lithographie, propriétés optiques et électronique) et avons pu constater en émission de lumière stimulée par STM des rendements (nombre de photons/électrons) très importants.<br />Pour pouvoir corréler directement la morphologie mesurée par STM à l'émission de lumière, il nous fallait des échantillons bien caractérisés. Nous nous sommes alors intéressés à des nanocristallites métalliques individuelles puis de nouveau aux semiconducteurs avec, notamment, l'étude de l'émission de lumière d'un puits quantique unique d'arséniure de gallium.<br /> Ce dernier thème qui traite de la spectroscopie de nanostructures est à rapprocher de celui ayant trait à l'électronique moléculaire que nous développons actuellement. Nous retrouverons notamment dans les deux la notion, extrêmement importante, du couplage contrôlé entre le nanoobjets et les électrodes.

Ce travail de thèse est consacré à la construction et l'optimisation d'un dispositif de mesure de corrélations en courant à très basse température.

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Foram objetivos específicos: levantar o momento histórico em que as nanociências e nanotecnologia surgem no campo científico e sua relação com as matérias divulgadas pelas revistas Veja e Scientific American; levantar e caracterizar a divulgação científica promovida pela educação informal, em especial por essas revistas; investigar e analisar o conhecimento que professores possuem sobre os temas nanociências e nanotecnologia. Inicialmente, a fim de conhecer aspectos históricos das nanociências e da nanotecnologia, foi levantado na Web of Science trabalhos que continham as palavras-chave Nanoscience e Nanotechnology. Nesse estudo foi realizado um recorte utilizando como critério as palavras-chave relacionadas à Biologia e à Saúde elencadas nas matérias, das revistas Veja e Scientific American, publicadas de junho de 2009 a junho de 2010. Para obter um padrão de relacionamento entre as palavras usadas na base de pesquisa, utilizou-se o programa Citespace, o qual mostra a relação entre os tópicos utilizados, bem como momentos de explosão e ruptura dos temas. A interpretação das tabelas e gráfico obtidos permitiu concluir que trabalhos sobre essa temática surgiram de forma significativa a partir da década de 80, embora explosões e rupturas sejam observadas após 1991. Ao ter o olhar voltado para as áreas biológicas e da saúde constatou-se que trabalhos referentes a essas aparecem após 2006, estando em sua maioria relacionados à nanomedicina. Há um aumento no número de trabalhos sobre nanotoxicologia a partir de 2007, o que pode ser considerado um fato natural devido a amplas pesquisas visando à aplicação nano em seres humanos. Num segundo momento da pesquisa, partindo das publicações científicas, passou-se a analisar a inserção da temática na educação informal. Considerando que as revistas, Veja e Scientific American, têm dentre seus objetivos levar novidades científicas para a sociedade, realizou-se um acompanhamento das matérias sobre nanociências e nanotecnologia divulgadas nessas mídias, no período de junho de 2009 a junho de 2011, com o objetivo de levantar e caracterizar a divulgação científica promovida pelas referidos artefatos culturais nessas áreas. No acompanhamento das reportagens foram consideradas as seguintes variáveis: número de artigos publicados, conteúdo da reportagem e área do conhecimento envolvida, fontes de informação utilizadas, benefícios e riscos da utilização da nanotecnologia. Os resultados obtidos demonstram que ambas as revistas, apesar de apresentarem somente o lado positivo da utilização da nanotecnologia, desempenham papel importante como meio de educação informal, uma vez que fazem a divulgação dos avanços científicos nesta área. Numa terceira etapa do estudo, realizou-se uma enquete com professores da educação básica participantes do curso de extensão on line, intitulado “Além do livro didático: nanociências, nanotecnologia e nanotoxicologia”, oferecido através da plataforma moodle da FURG. O corpus da pesquisa emergiu das respostas produzidas pelos docentes. Este artigo objetivou investigar e analisar o conhecimento que esses profissionais possuem sobre esses temas, bem como as fontes desses conhecimentos e com que finalidade buscam esse tipo de informação. Os resultados apontam que apesar de possuírem um conhecimento inicial, os conceitos são muitas vezes equivocados e /ou insuficientes e que o contato com o assunto ocorreu principalmente através de artefatos culturais. Finalmente, articulando os resultados alcançados ao longo do estudo, é possível defender a tese de que a divulgação informal de temas relacionados às nanociências e nanotecnologia, apesar de estar diretamente relacionada com as novidades científicas na área, não está dando conta, de forma apropriada, de disseminar esses conhecimentos para a sociedade, fazendo-se necessária a exploração dessas temáticas na educação formal. Para que isso aconteça é preciso promover a atualização docente nesse campo de estudo. Nesse sentido, para que a educação em ciências avance, aponta-se a necessidade de investir em cursos de formação continuada para professores no campo da nanociências. Aqui destaca-se a contribuição valiosa do Instituo Nacional de Ciência e Tecnologia em Nanomateriais de Carbono ( INTC-NC), o qual tem fomentado cursos de formação continuada, pois o sucesso da abordagem do tema na educação formal ocorrerá à medida que os professores tiverem seus saberes ampliados. / This dissertation, developed in the Post-graduation Program in Science Education: Life and Health Chemistry, in the research field “Scientific Education: Scientific Production and Productivity Evaluation in Science”, aimed at the trajectory analysis of nanosciences and nanotechnologies from their origin to their presentation to society, including the role of formal and informal education. As specific goals: identify the historical moment in which nanosciences and nanotechnologies arise in the scientific field and their relation with the reports published by Veja and Scientific American magazines; identify and characterize the scientific divulgation promoted by informal education, in special by these magazines; investigate and analyze the knowledge teachers have about the nanosciences and nanotechnology themes. At first, in order to get to know historical aspects of nanosciences and nanotechnology, works that had the key-words Nanoscience e Nanotechnology were identified in the Web of Science. In this study a cut was made using as criterion the key-words related to Biology and Health listed in the reports of Veja e Scientific American magazines, published between June, 2009 and June, 2010. To obtain a relationship pattern among the words used in the research base, the Citespace software, which shows the relation among the topics used, as well as moments of explosion and rupture of the themes, was used. The interpretation of tables and graph obtained allowed to conclude that works on this thematic arose significantly in the 80’s, although explosions and ruptures are observed after 1991. When having our eyes turned to the biological and health areas, we realize that works related to them appear after 2006, most of which being related to nanomedicine. There is an increase in the number of works on nanotoxicology from 2007 on, which we consider a natural fact due to ample research aiming at nano application in human beings. In a second research moment, starting from the scientific papers, we started analyzing the insertion of this thematic in informal education. Considering that Veja and Scientific American magazines have, among their goals, bringing scientific news to the society, reports on nanosciences and nanotechnologies published in these medias were followed between June, 2009 and June, 2011, aiming at identifying and characterizing the scientific divulgation promoted by these cultural artifacts on these issues. The following variables were considered when analyzing the reports: number of published articles, report content and area of knowledge involved, sources of information used, benefits and risks of nanotechnology utilization. The results obtained show that both magazines, despite presenting only the positive side of using nanotechnology, play an important role as an informal means of education, once they publicize the scientific advancement in this area. In a third step of this study, a survey was conducted with elementary school teachers, participants of the online extension course called “Beyond the didactic book: nanosciences, nanotechnology and nanotoxicology”, provided by FURG’s moodle platform. The research corpus emerged from the answers given by the teachers. We had as goals to investigate and analyze the knowledge these professionals have about these themes, as well as the sources of this knowledge and why they search for this kind of information. The results suggest that despite having an initial knowledge, the concepts are, many times, mistaken and/or insufficient and that the contact with the issue happened mainly through cultural artifacts. Finally, by joining the results obtained throughout the study, it is possible to defend the thesis that the informal divulgation of themes related to nanosciences and nanotechnology, despite being directly related to scientific news in the area, does not appropriately account for the dissemination of this knowledge to society, making it necessary to explore this thematic in formal education. In order to make it happen, it is necessary to promote teacher’s updating education in this field of study. In this sense, so that education in sciences can advance, we point out the need to invest in continuous education courses on nanosciences for teachers. We highlight the valuable contribution of National Institute of Science and Technology in Carbon Nanomaterials ( INTC-NC), which has provided courses on continuous education, for the success of approaching the theme in formal education will take place insofar as teachers have their knowledge increased.

Grâce à des expériences en ultra-vide avec un AFM en mode non-contact (nc-AFM) et une nano-sonde de Kelvin (KPFM), nous avons pu précisément caractériser plusieurs dépôts de molécules sur différentes surfaces isolantes, dont la surface (001) de monocristaux de NaCl dopés par des ions Cd2+, appelée la surface de Suzuki. Cette surface est nanostructurée de façon à ce que deux régions très distinctes coexistent : des régions de NaCl pures et des régions de Suzuki qui recouvrent partiellement la surface (001) du cristal. Nous montrons que la surface de Suzuki peut être utilisée comme surface nanostructurée dans le but de confiner l'adsorption de nano-objets tels que des molécules organiques ou inorganiques. Après déposition de différentes molécules pentahélicènes fonctionalisées, une large partie de celles-ci reste préférentiellement adsorbée dans les régions de Suzuki. Suite aux observations nc-AFM et KPFM un modèle sera présenté sur les mécanismes d'adsorption et désorption de ces hélicènes, accompagné d'une étude étonnante sur des ilots de molécules fullerènes C60 déposés sur plusieurs surfaces isolantes, et la manipulation de charges dans ces ilots. / Thanks to ultra high vacuum experiments using non-contact AFM and Kelvin probe force microscopy (KPFM), we have been able to characterize precisely several depositions of molecules on different surfaces, including the (001) surface of a Cd2+ doped NaCl single crystal called the Suzuki surface. This surface is nanostructured such as two different regions coexist : pure NaCl regions and Suzuki regions covering partially the (001) surface. We show that the Suzuki surface can be used as a nanotemplate in order to confine the adsorption of nano-objects such as organic or inorganic molecules. After deposition of different functionalised pentahelicenes molecules, a large part of those stay preferentially adsorbed on Suzuki regions. Following the nc-AFM and KPFM observations a model will be presented on the mechanism of adsorption and desorption of those helicenes, accompanied with a astonishing study about fullerenes C60 molecules deposed on several surfaces, and the charge manipulation in these islands.