Cette thèse présente un nouveau système d'actionnement à l'échelle nanométrique, basé sur l'intégration de multicouches antiferromagnétiques/ferromagnétiques avec une nano-structure mécanique. Ces multicouches, utilisées dans les mémoires magnétiques, présentent la particularité de maintenir une forte aimantation lorsqu'on en réduit les dimensions. De plus, le sens de l'aimantation de certains empilements peut être modifié grâce à un système thermoélectrique. Ce principe d'actionnement est illustré par deux dispositifs : le premier est un nano-commutateur bistable, qui met à profit les forces dipolaires qui s'exercent entre deux aimants. La bistabilité est atteinte grâce au retournement de l'aimantation d'un des deux empilements magnétiques. Le second système est un nano-résonateur, mis en mouvement par la force de Laplace. Nous détaillons les modèles théoriques développés pour dimensionner ces deux dispositifs. Nous présentons également les empilements technologiques permettant la réalisation de ces nanosystèmes intégrés à très grande échelle sur des plaques de 200 mm. Un des points originaux est l'utilisation d'un procédé de libération basé sur la gravure d'une couche sacrificielle de titane par du XeF2. Nous abordons également la problématique du changement des paramètres matériaux, notamment de la résistivité, lorsque l'on réduit les dimensions. Cela nous permet de donner une estimation de la résistance de contact du nano-commutateur. Enfin, des mesures effectuées en vibrométrie laser par effet Doppler montrent que le système d'actionnement du nano-résonateur est capable de mettre la poutre en résonance, réalisant la preuve de concept de ce type d'actionnement.

Pour comprendre les mécanismes du transport de la chaleur à l'échelle du nanomètre, nous avons fabriqué des dispositifs suspendus nanostructurés complexes et mesuré leur conductance thermique aux températures cryogéniques, notamment via la méthode 3 oméga. Nous avons pu ainsi démontrer la dépendance du transport des phonons aux dimensions et à la géométrie des nanostructures. Pour des nanofils de silicium d'une longueur comprise entre 8 et 10 µm, et d'une section de 200x100 nm^2, nous observons une déviation au régime diffusif de Casimir sous 5K, que nous pouvons expliquer en tenant compte de la rugosité en surface des nanofils. Quand la température décroit, la longueur d'onde des phonons augmente et des collisions balistiques en surface surviennent, impliquant une augmentation du libre parcours moyen des phonons, considéré comme constant jusque là. D'importants effets mésoscopiques sur le transport des phonons induits par la géométrie des nanofils ont pu être mesurés pour la première fois. La présence de zig-zag sur la longueur des fils bloquent le courant de phonons sur une large gamme de température, ayant pour conséquence une importante réduction de l'ordre de 40% de la conductance thermique en comparaison avec des nanofils droits. En parallèle, des expériences ont été menées sur des NEMS de silicium à basse température, et comparées avec des résultats antérieurs sur des MEMS de même géométrie. Le comportement mécanique des structures de silicium aux petites échelles est également abordé. A la fin de ce manuscrit, sont présentés les premiers prototypes de nano-calorimètres zepto-Joules (10^-21 J), qui vont permettre des caractérisations thermiques extrêmes d'objets uniques mésoscopiques.

Les propriétés électro-thermo-mécaniques remarquables qui peuvent apparaître dans les nanofils de silicium font l'objet d'un nombre croissant de travaux de recherche. Ces travaux de thèse de nature fortement expérimentale, visent à donner une meilleure connaissance de ces propriétés dans le cas de nanofils, en silicium monocristallin, fabriqués par approche descendante. Pour caractériser la piézorésistivité, deux méthodes de chargement mécaniques ont été développées : la flexion 4 points de puce et la traction/compression in situ avec un actionneur MEMS. La méthode 3ω a été choisie pour des mesures de conductivité thermiques. Ces propriétés ont été étudiées en fonction de la température et la contrainte dans une station sous pointes cryogénique.Les résultats montrent que les nanofils fabriqués à partir de substrats SOI amincis peuvent, de manière inattendue, être fortement contraints en compression après fabrication. Les nanofils de type p présentent, même en régime de mesure dynamique, des coefficients piézorésistifs élevés qui décroissent fortement avec la température et permettent une détection intégrée de mouvement de MEMS avec une limite de détection inférieure à l'Angström. Les mesures thermiques confirment l'effet d'échelle attendu de la conductivité thermique, la décroissance avec la température est compatible avec les résultats théoriques et expérimentaux précédemment publiés.

Pulsed LASER deposition (PLD) is widely recognized as excellent deposition technique owing to stoichiometric transfer of target material, easy preparation and high quality. Thin films from few nanometers to micrometer regime can be fabricated with equal ease. Although a batch process is not suitable for mass scale industrial production, PLD is a versatile technique, efficient and convenient for high quality basic research.  This thesis illustrates the use of PLD technique to study the emerging trends in tailoring multifunctional magnetic thin films both from basic nanoscience and device development point of view.      After a comprehensive review of magnetism in chapter 1: entitled ‘A journey through classical to modern trends in magnetism, and multifunctional thin film devices’ followed by a reasonably thorough discussion on Pulsed Laser thin film technique in Chapter 2, we present: Studies of tailoring composite high energy product permanent magnetic FePtB based thin films for applications in NEMS /MEMS, (Chapter 3). Study of search for new multiferroic materials by investigating the properties of Chromites. Crystalline Chromites are antiferromagnetic below 150oC.  However depositing thin films by PLD of the crystalline 95.5% dense targets produced by Surface Plasma Sintering, we discovered that the resulting films were amorphous and ferromagnetic beyond room temperature. Moreover advanced spectroscopic techniques revealed that the amorphized state is metallic with Cr in a mixed valence state.   An understanding of the underlying physics of the observed phenomenon has been carried out based on first principles calculations.  These results are now being considered for publication in a high profile journal.  Extensive studies on the films showing that these materials are ferromagnetic, but not ferroelectric are discussed in chapter 4. A preliminary presentation of these studies was pier reviewed and published in MRS symposium proceedings. Fabrication of Room temperature, Transparent, high moment soft ferromagnetic amorphous Bulk metallic glass based FeBNbY thin films by PLD, suitable for Nanolithography in NEMS/MEMS device development .  (Chapter 5) From a basic study point of view on new trends on magnetism we present: 4. The use of PLD technique to demonstrate room temperature ferromagnetism in undoped MgO, and V-doped MgO thin films.  Both of these oxides which do not contain any intrinsically magnetic elements and are diamagnetic in their bulk form belong to a new class of magnetic films, the so called d0magnets signifying that robust above room temperature ferromagnetism arising from defects and controlled carriers and no occupied d-states can be tailored in semiconductors and insulators.  These, mostly ZnO and MgO based thin films which may be classified as Dilute Magnetic Semiconductors, DMS, and Dilute Magnetic Insulators, DMI, are now the materials of active interest in future Electronics involving components which exploit both charge and spin of electrons in the arena of SPINTRONICS. Extensive characterization of magnetic, electrical, optical properties and microscopic structure has ensured development of high quality magnetic materials for future applications. Further research on these promising materials is expected to yield new generation spintronic devices for better performance in terms of efficiency, energy consumption and miniaturization of sizes. / QC 20120511

Nano-FET biosensors are an emerging nanoelectronic technology capable of real-time and label-free quantification of soluble biological molecules. This technology promises to enable novel in vitro experimental approaches for investigating complex biological systems. In this study, we first explored osteocyte mechanosensitivity under different mechanical stimuli and found that osteocytes are exquisitely sensitive to different oscillatory fluid flow conditions. We therefore aimed to characterize protein-mediated intercellular communication between mechanically-stimulated osteocytes and other bone cell populations in vitro to elucidate the underlying mechanisms of load-induced bone remodeling. To this end, we devised a novel nano-manipulation based fabrication method for manufacturing nano-FET biosensors with precisely controlled device parameters, and further investigated the effect of these parameters on sensor performance.

Nano-FET biosensors are an emerging nanoelectronic technology capable of real-time and label-free quantification of soluble biological molecules. This technology promises to enable novel in vitro experimental approaches for investigating complex biological systems. In this study, we first explored osteocyte mechanosensitivity under different mechanical stimuli and found that osteocytes are exquisitely sensitive to different oscillatory fluid flow conditions. We therefore aimed to characterize protein-mediated intercellular communication between mechanically-stimulated osteocytes and other bone cell populations in vitro to elucidate the underlying mechanisms of load-induced bone remodeling. To this end, we devised a novel nano-manipulation based fabrication method for manufacturing nano-FET biosensors with precisely controlled device parameters, and further investigated the effect of these parameters on sensor performance.

Le sujet de thèse porte sur des micro/nanorésonateurs ainsi que leurs électroniques de lecture. Les composants mécaniques sont utilisés pour mesurer des masses inférieures à l'attogramme (10-18 g) ou de très faibles concentrations de gaz. Ces composants peuvent ensuite être mis en réseau afin de réaliser des spectromètres de masse ou des détecteurs de gaz. Afin d'atteindre les résolutions nécessaires, il a été choisi d'utiliser une détection harmonique de résonance détectant les variations de la fréquence de résonance d'une nanostructure mécanique. Les dimensions du résonateur sont réduites afin d'augmenter sensibilité en masse, cependant le niveau du signal électrique en sortie du composant est également réduit. Ce faible signal nécessite donc de concevoir de nouvelles transductions électromécaniques ainsi que des architectures électroniques qui minimisent le bruit, les couplages parasites et qui peuvent être mise en réseau.

This study analyzes consumers' behavioral responsiveness to changes in price and policy regarding residential electricity consumption, using a hybrid method of econometric analyses and energy market simulations with the National Energy Modeling System (NEMS). First, this study estimates price elasticities of residential electricity demand with the most recent Residential Energy Consumption Survey (RECS) data, collected in 2005, employing a conventional econometric model and a discrete/continuous choice model. Prior to the NEMS experiments with price shocks and consumers' behavioral features, this study uses NEMS to examine how energy policies would affect changes in retail electricity price in the future. When climate policies are implemented nationally, electricity prices are estimated to increase by 17% in 2030 with a carbon cap and trade initiatives and by 4% with Renewable Electricity Standards (RES). The short-run elasticity of demand estimated from the 2005 RECS is found to be in a range of -0.81 ~ -0.66, which is more elastic than the current NEMS assumption of -0.15. The 2005 RECS dataset details information about American households' energy consumption. This rich source of micro-level data complements the existing econometric analysis based on time series data. Electricity price (either census-division average price or household average price), annual income and number of rooms are found to be three major determinants of the level of electricity consumption. The difference in short-run price elasticity leads to a difference in social welfare estimates of energy policies and energy market forecasts. This study suggests that the estimate of social welfare loss caused by electricity price increase is overestimated if the elasticity is assumed to be smaller than the actual responsiveness. Supposing that 1) the short-run elasticity of -0.66 reflects the actual consumers' responsiveness to price changes in the present and future and 2) retail electricity prices permanently increase by 10%, the welfare loss caused by the price increases would be estimated 0.9 billion dollars less than the current estimates with the elasticity of -0.15. This result suggests that if people are assumed to be more elastic to price signals, the time it takes for a policy to accomplish its goal could be shorter. In addition to assessing potential savings expected from consumers' behavioral changes with the concept of price elasticity of demand in neoclassical economic theory, this study reviews economic and non-economic theories about behavioral features of energy consumers and discusses how existing information programs could be improved.

No description available.

No description available.