Les propriétés intrinsèques extraordinaires de ces matériaux de faible dimension dépendent fortement de l'environnement auquel ils sont soumis. Par conséquent, ils doivent être préparés, traités et caractérisés sans défauts. Dans cette thèse, je discute de la manière de contrôler l'environnement des nanomatériaux de faible dimension tels que le graphène, le MoS$_{2}$ et les nanotubes de carbone afin de préserver leurs propriétés physiques intrinsèques. De nouvelles solutions pour l'amélioration des propriétés sont discutées en profondeur. Dans la première partie, nous fabriquons des dispositifs d'hétérostructure à base de graphène de Van der Waals (VdW) de dernière génération, en contact avec les bords, encapsulés dans du nitrure de bore hexagonal (hBN), afin d'obtenir un transport balistique. Nous utilisons une technique basée sur des mesures de bruit 1 / f pour sonder le transport de masse et de bord lors de régimes Quantum Hall entiers et fractionnaires. Dans la deuxième partie, le même concept de fabrication des hétérostructures VdW a été étendu pour encapsuler la couche monocouche MoS $_{2}$ dans le hBN afin d'en modifier les propriétés optiques. À cet égard, nous présentons une étude approfondie sur l'origine et la caractérisation des défauts intrinsèques et extrinsèques et leur incidence sur les propriétés optiques. En outre, nous décrivons une technique pour sonder le couplage entre couches ainsi que la génération de lumière avec une résolution spatiale inférieure à la limite de diffraction de la lumière. Enfin, nous discutons d'un processus systémique naturel visant à améliorer les propriétés mécaniques de la soie polymérique naturelle à l'aide d'une nanotubes de carbone à paroi unique fabriqués par HipCO comme aliment pour le ver à soie. / The extraordinary intrinsic properties of low dimensional materials depend highly on the environment they are subjected to. Hence they need to be prepared, processed and characterized without defects. In this thesis, I discuss about how to control the environment of low dimensional nanomaterials such as graphene, MoS2 and carbon nanotubes to preserve their intrinsic physical properties. Novel solutions for property enhancements are discussed in depth. In the first part, we fabricate state-of-the-art, edge-contacted, graphene Van der Waals(VdW) heterostructuredevices encapsulated in hexagonal-boron nitride(hBN), to obtain ballistic transport. We use a technique based on 1/f-noise measurements to probe bulk and edge transport during integer and fractional Quantum Hall regimes. In the second part, the same fabrication concept of VdW heterostructures has been extended to encapsulate monolayer MoS2 in hBN to improve optical properties. In this regard we present an extensive study about the origin and characterization of intrinsic and extrinsic defects and their affect on optical properties. Further, we describe a technique to probe the interlayer coupling along with the generation of light with spatialresolution below the diffraction limit of light. Finally, we discuss a natural systemic process to enhance the mechanical properties of natural polymer silk using HipCO-made single walled carbon nanotubes as a food for silkworm.

L'optique non linéaire sur silicium a pris son essor en raison des nombreuses perspectives d'applications à l'optoélectronique en circuit intégré. Pour observer des effets non-linéaires sans travailler à des puissances trop élevées, il faut utiliser des résonateurs à très haut facteur de confinement optiques (Q/V). Les microcavités à cristal photonique bidimensionnel sont une technologie mature et planaire pour réaliser de tels résonateurs sur silicium. Au cours de cette thèse, nous avons travaillé sur une application des microcavités à cristal photonique à la détection télécom. Le silicium est en effet transparent dans cette plage de longueurs d'onde, sauf si on atteint des densités de puissance élevées, auquel cas l'absorption à deux photons intervient. Le principe du détecteur repose sur l'exaltation de absorption à deux photons grâce à la microcavité en cristal photonique. La collection des porteurs ainsi générés est assurée par une jonction latérale métal-semiconducteur-métal (MSM). Nous avons d'abord étudié numériquement la viabilité du concept du détecteur sous deux aspects : collection des porteurs libres à travers le cristal photonique et influence des métallisations sur le facteur de qualité. Les modèles standards pour le courant d'obscurité et le photocourant dans les photodétecteurs MSM ont été étendus pour tenir compte du cristal photonique. La fabrication d'une jonction MSM dans le cristal photonique a fait l’objet d’un travail approfondi en salle blanche de l’IEF. La mesure du courant circulant dans le dispositif a permis de mettre en évidence un photocourant résonnant. On retiendra que la réponse peut alors atteindre 90 mA/W et que la bande-passante est supérieure au GHz. Outre la démonstration du détecteur en elle-même, des résultats originaux ont été obtenus. Nous avons montré qu'il est possible de contrôler les densités de porteurs dans les microcavités à cristal photonique en jouant sur la polarisation externe. Enfin, le détecteur est un moyen de mesurer certaines grandeurs essentielles de la physique des microcavités sur silicium, comme l’absorption linéaire résiduelle ou la résistance thermique de la cavité. / Silicon non linear optics is of considerable interest to the scientific community because of its applications to integrated optoelectronics. In order to observe non linear phenomena at a reasonable power, one has to work with very high confinement factor (Q/V) optical resonators. As they are now a fully mastered planar technology, two-dimensional photonic crystal microcavities are an efficient way of actually obtaining such resonators in silicon. In this thesis, an application of photonic crystal microcavities to telecom wavelength detection is demonstrated. Bulk silicon is transparent at these wavelengths, except when working at very high power density. Only then, two-photon absorption (TPA) becomes significant. In our detector, TPA is enhanced in the microcavity. A metal-semiconductor-metal (MSM) junction then ensures very fast carrier collection. We studied the physics of the detector and focused on two aspects: collection of carrier in a photonic crystal, and impact of the metal on the optical quality factor. Standard models for dark current and photocurrent in MSM junctions were adapted to the photonic crystal case study. Fabrication of the photonic crystal junction was carefully undertaken and optimized in the clean room of the IEF laboratory. The current circulating in the fabricated device resonates as the same wavelength as the optical cavity. Response can be as high as 90 mA/W, and the optical-electrical bandwidth is larger than 1 GHz. In addition to the demonstration of the detector, some original results were obtained. It is possible to control the carrier concentration in photonic crystal microcavities by tuning the external polarisation of the MSM junction. Finally, the detector allows one to measure important parameters of the physics of the cavity, such as the residual linear absorption coefficient, and the thermal resistance.

La photonique silicium est un domaine de recherche en plein expansion, visant à intégrer la photonique avec la microélectronique. Cette technologie est envisagée pour l’obtention de solutions bas-coûts dans le domaine des télécommunications optiques grâce à l'intégration de l'optique avec l’électronique de commande des composants. La réalisation d'un lien optique rapide pour transporter une information à haut débit nécessite le développement de blocs de base performants et compatibles avec la technologie CMOS. Dans ce contexte, les travaux menés durant ma thèse ont porté plus spécifiquement sur le modulateur optique en silicium, pour les applications haut débit, de 10 à 40 Gbit/s. Les résultats présentés portent notamment sur la conception, l’optimisation, la fabrication et la caractérisation de ce composant. Le modulateur est basé sur un effet électroréfractif obtenu par déplétion des porteurs dans des structures de type PN et PIPIN pour obtenir une variation de phase de l’onde optique. La modulation d’intensité est ensuite obtenue par intégration de la région active dans un interféromètre Mach Zehnder ou un résonateur en anneau. Des simulations électriques, optiques et radiofréquences ont été menées sur les différents éléments du composant, afin de concevoir un dispositif pour les applications FTTH (Fiber To The Home), fonctionnant à 1,27 µm. Parmi les points clefs de ces études on peut noter l’optimisation des électrodes RF coplanaires réalisée grâce au développement d’un modèle électro-optique prenant en compte la propagation des ondes électriques et optiques dans la région active. Un procédé technologique compatible avec la filière CMOS a ensuite été mis en place et les masques nécessaires à la fabrication ont pu être dessinés en considérant les tolérances de fabrication et paramètres critiques. Enfin un grand nombre de résultats expérimentaux ont pu être obtenus, sur des composants conçus à l’IEF et fabriqués au CEA-LETI. On peut notamment retenir un modulateur Mach Zehnder fonctionnant à 40 Gbit/s utilisant une diode « PIPIN » pour réaliser la variation d’indice, et présentant un taux d'extinction de 7.5 dB pour des pertes de seulement 6 dB. Les futures optimisations des modulateurs, silicium visent à les intégrer avec l’électronique de commande, et à aller vers des formats de modulation plus complexes mais aussi plus performants que la modulation d’intensité sur 2 niveaux considérée jusqu’à présent. / Silicon photonics is a research field in full expansion that works towards the integration of photonics and microelectronic components in a single chip. The creation of a broadband optical link that is able to carry high-speed information requires the development of efficient building blocks compatible with CMOS technology. The work carried out during my Ph.D. focused specifically on silicon optical modulators for high-speed applications from 10 to 40 Gbit/s. The work presented includes design, optimization, fabrication and characterization of the complete device. The modulator is based on the electro-refractive effect obtained by depletion of carriers in PN and PIPIN diodes to obtain a phase change of the optical mode. Intensity modulation is obtained by integration of the active region in a Mach-Zehnder interferometer or a ring resonator. Electrical, optical and radio frequency simulations were conducted on the various elements of the modulator to design a device for FTTH (Fiber To The Home) applications operating at 127 µm. Additional studies included the design of RF coplanar waveguide electrodes optimized through the development of an electro-optical model that takes into account the propagation of the electrical and optical waves in the active region. Compatible CMOS processes were proposed, and the necessary masks for fabrication were designed considering fabrication tolerances and critical parameters. Finally, various experimental results were obtained on components designed at IEF and fabricated at CEA-LETI. We can specially mention a Mach Zehnder modulator operating at 40 Gbit/s that uses a PIPIN diode to obtain an index variation, and having an extinction ratio of 7.5 dB and losses of only 6 dB. The goal of future optimizations of silicon modulator is to integrate these devices with the RF driver, and to move towards more complex and efficient modulation formats than the two-level intensity modulation seen so far.

Les TCOs (Transparent Conductive Oxide) trouvent des applications dans de nombreux domaines s'étendant del'électrochromie au photovoltaique en passant par l'opto-électronique. Parmi les matériaux historiques, les TCOs detype n font l'objet d'une littérature abondante tandis que les TCO de type p sont quant à eux étudiés de façon plusconfidentielle mais commencent à susciter un engouement, notamment dans l'objectif de jonctions p-ntransparentes.Sur la base de la théorie de la méthode de modulation chimique de bande de valence, le composé CuCrO2 destructure délafossite est considéré comme un candidat intéressant de TCO de type p. L'objectif de ces travaux estd'élaborer des films minces à base de CuCrO2 avec une transmittance optique acceptable et une conductivitéélectrique de type p élevée afin de envisager la possibilité de fabrication des jonctions p-n transparents pourdiverses applications.Dans ce travail, les films CuCrO2 ont été déposés par co pulvérisation cathodique magnétron en condition réactiveà partir de cibles métalliques. Une substitution partielle de Cr par Mg a ensuite été effectuée et l'influence del'épaisseur du film CuCrO2 :Mg sur ses propriétés optoélectroniques a été étudiée. Enfin, des revêtementsd'architecture sandwich CuCrO2 :Mg/Ag/CuCrO2 :Mg ont été élaborés en faisant varier le temps de dépôt de lacouche intermédiaire d'argent afin d'améliorer les performances optoélectroniques des films. / Transparent conductive oxides (TCOs) can be widely used in various domains from electrochromics to photovoltaicsowing to their unique optoelectronic properties. During the history of the development of TCOs, most attention hasbeen focused on n-type TCOs, while p-type TCOs have made slow progress. Recently, the studies on p-type TCOsraised many interest especially due to their potential application in the fabrication of transparent p-n junctions.Based on the theory of chemical method of valance band, CuCrO2 compound with delafossite structure isconsidered as an interesting candidate for p-type TCOs. The objective of this work is to synthesize CuCrO2-basedthin films with acceptable optical transmittance and high p-type electrical conductivity in order to explore thepossibility of fabrication of transparent p-n junctions for various applications.In this work, CuCrO2 films were deposited by reactive sputtering from metallic targets. Then, partial Cr substitutionby Mg was performed into CuCrO2 films and the influence of the films thickness on its optoelectronic properties wasstudied. Finally, sandwich architectural coatings of CuCrO2 :Mg/Ag/CuCrO2 :Mg were designed in order to improvethe films optoelectronic performances.

Le travail présenté dans cette thèse concerne la réalisation et l'étude d'un bio-hybride nanotubes/protéines photosynthétiques pour des applications en optoélectronique et potentiellement en photovoltaïque. En effet, les protéines photosynthétiques sont des supers colorants dont les propriétés optoélectroniques ont été optimisées par la nature. Nous avons donc décidé de vérifier la viabilité de l'intégration de ces protéines dans un dispositif électronique en utilisant les nanotubes de carbone comme nano-sonde des propriétés de la protéine. Au cours de nos travaux, le problème de la fabrication de transistors à effet de champ à base de nanotubes de carbone performants s'est posé. Pour résoudre ce problème, nous avons opté pour la fonctionnalisation chimique spécifique par un diazonium qui rassemble tous les pré-requis pour une potentielle application à grande échelle. En effet, la fonctionnalisation des nanotubes par un diazonium est sélective envers les nanotubes métalliques mais pas suffisamment pour pouvoir réaliser des séparations. Il était donc nécessaire d'augmenter cette sélectivité et pour cela, nous avons décidé d'étudier le mécanisme du couplage nanotube-diazonium qui était jusque là encore méconnu. A l'aide d'une étude cinétique complète, nous avons montré que la réaction passe par un mécanisme radicalaire en chaine. Parallèlement, nous avons identifié les intermédiaires radicalaires en les détectant soit directement par résonance de spin électronique soit indirectement par piégeage de radicaux. Et surtout, cette thèse détermine enfin l'origine précise de la sélectivité de cette réaction et donne les voies possibles d'amélioration. Grâce à l'expertise acquise lors de la compréhension du mécanisme, nous avons amélioré la sélectivité de cette réaction en utilisant une base de Lewis. En effet, l'ajout d'une base de Lewis permet de former un diazoester qui augmente significativement la sélectivité envers les nanotubes métalliques. Nous avons ensuite réalisé grâce à cette technique une grande quantité de transistors à effet de champ à base de nanotubes avec de bonnes modulations. De plus, cette méthode innovante a été protégée par un brevet. Enfin, concernant la photosensibilisation des nanotubes de carbone par une protéine photosynthétique, le photosystème I, des résultats prometteurs ont été obtenus. En effet, nous avons vu que la création photo-induite d'un moment dipolaire dans la protéine modifie les caractéristiques électriques du transistor à effet de champ. Les performances de la protéine, optimisées par la nature, permettent accroître la sensibilité optique d'un tel dispositif. Mais surtout, cette thèse montre que, malgré l'apparente fragilité de la protéine, il est possible d'intégrer une protéine photosynthétique à un dispositif électronique. En effet, même dans des conditions non optimales, l'effet optoélectronique c'est-à-dire l'activité de la protéine est un phénomène robuste dans le temps. Enfin, cette thèse ouvre la voie à l'intégration de protéines photosynthétiques dans des dispositifs électroniques ou photovoltaïques.

L'objectif général de cette thèse est d'observer, d'un point de vue biomécanique, comment le vieillissement agit sur le mouvement de préhension et en particulier lorsque celui-ci est perturbé par la présence d'obstacle. Pour cela, le gant de données Cyberglove et le système optoélectronique Vicon ont été utilisés conjointement dans deux protocoles expérimentaux pour recueillir les données relatives aux mouvements du tronc, du membre supérieur et de la main lors d'un geste complexe de préhension. Dans un premier temps, l'effet des propriétés intrinsèques et extrinsèques de l'obstacle a été testé chez des sujets adultes où les modalités de taille, de distance et de position variaient afin d'observer l'influence de l'environnement sur le mouvement. Nos résultats confirment que la présence d'un obstacle modifie la cinématique des composantes de "transport" et de "saisie". Cependant, la variation des propriétés intrinsèques et extrinsèques de l'obstacle a peu d'effet sur les paramètres spatio-temporels ce qui suggère un contrôle global du mouvement. Dans un deuxième temps, une population composée d'adultes et de personnes âgées a été comparée afin de considérer l'effet de l'âge sur la fonction de préhension en présence d'obstacle. Nos résultats montrent que les propriétés intrinsèques et extrinsèques de l'obstacle affectent plus particulièrement les mouvements des personnes âgées qui se caractérisent par une augmentation de la durée de mouvement, une modification des profils angulaires et une augmentation de la variabilité comparés à ceux des adultes. L'utilisation de stratégies motrices spécifiques aux personnes âgées impliquant de manière prépondérante le tronc et l'élévation du bras semble leur permettre de compenser leur déficit de mobilité.

Situé entre la lumière visible et les micro-ondes, le domaine de fréquence térahertz (THz) est une zone du spectre électromagnétique encore peu exploitée. Il existe pourtant de nombreuses applications : détection de polluants, contrôle de qualité, imagerie médicale, télécommunications à très haut débit... Cependant, à ce jour, il n'existe pas de sources accordables, compactes, efficaces, fonctionnant à température ambiante et de faible coût. L'opto-électronique répond en partie à ces besoins grâce aux photodétecteurs sensibles à une longueur d'onde de 800 nm. L'utilisation d'une longueur d'onde de 1550 nm permettrait de bénéficier de la disponibilité de sources optiques relativement peu onéreuses et compactes et d'un système fibré.<br />Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés à un photodétecteur prometteur avec une fréquence de coupure potentiellement élevée et de bonnes caractéristiques en régime de saturation : la photodiode à transport unipolaire (UTC-PD).<br />La première partie de ce travail a consisté à développer un procédé de réalisation technologique d'UTC-PDs intégrées de façon monolithique à des guides d'ondes coplanaires pour la génération d'impulsions picosecondes. Ces dispositifs ont été caractérisés par échantillonnage électro-optique et ont généré des impulsions électriques de quelques picosecondes de largeur à mi-hauteur.<br />Dans un second temps, l'intégration monolithique d'UTC-PD avec une nouvelle antenne THz large bande a permis la génération d'ondes THz monochromatiques (1,1 µW à 940 GHz) par mélange hétérodyne de deux sources lasers continues de longueur d'onde autour de 1550 nm. Des mesures de spectroscopie de gaz à 1,4 THz ont aussi été réalisées.

Par une structuration périodique de l'espace à l'échelle de la longueur d'onde, les cristaux photoniques permettent un contrôle efficace de la lumière. Nos travaux concernent l'exploitation des propriétés de ces cristaux pour définir une cavité planaire de diode laser et pour en proposer un contrôle de l'émission. Une première partie présente l'étude de guides définis par des cristaux photoniques bidimensionnels obtenus dans une hétérostructure semi-conductrice par la réalisation de trous. Différents comportements modaux sont analysés selon le point de fonctionnement choisi. Nous montrons qu'une émission monomode de type DFB (Distributed Feedback) peut être obtenue. La deuxième partie concerne la démonstration expérimentale de diodes laser à cristaux photoniques bidimensionnels fonctionnant sous pompage électrique. Les caractéristiques spectrales et modales sont analysées et elles permettent de valider l'étude théorique. Une émission monomode avec un taux de réjection des modes secondaires supérieur à 35 dB a été obtenue. Dans la dernière partie, nous proposons une approche originale du contrôle spectral basée sur une déformation de la maille du cristal photonique selon l'axe latéral de la cavité laser. Il est alors montré qu'une telle déformation permet d'accéder à un contrôle de la longueur d'onde d'émission à 0,4 nm près, tout en restant compatible avec les contraintes technologiques liées à la réalisation d'un cristal photonique. D'autre part, nous démontrons expérimentalement que ce type de déformations peut être mis à profit pour améliorer les caractéristiques d'émission laser des dispositifs étudiés grâce à une ingénierie de la bande interdite photonique.

Le kilogramme est la seule unité de base du système international encore définie par un artefact matériel. Le Laboratoire National de métrologie et d'Essais (LNE) développe, dans le cadre d'un projet fédéré, une expérience nommée balance du watt dont le but est de contribuer à la redéfinition de l'unité de masse.<br />Les travaux réalisés au cours de cette thèse ont pour but de contrôler, sur une plage de l'ordre de quelques centimètres, la vitesse de déplacement et le positionnement d'une bobine à l'aide d'un dispositif constitué d'un interféromètre hétérodyne associé à une platine de translation et à un actionneur piézo-électrique. Une source laser a été développée afin de mieux adapter la méthode aux contraintes exigées par la balance du watt. La méthode de contrôle de vitesse permet une instabilité résiduelle relative de 2.4⊂10-9 pour un simple miroir pesant quelques grammes et de 4,2⊂10-7 pour une masse de 1200 g, ceci sur 100 secondes de temps d'intégration. La méthode développée a par ailleurs démontrée son utilité dans d'autres applications en nanométrologie.

Les systèmes industriels sont de plus en plus miniaturisés et intégrés. Ils font cohabiter sur le même substrat différentes disciplines techniques (électronique analogique et numérique, optique, mécanique, thermique, différents capteurs ...). Le cycle de conception traditionnel en V ne répond plus aux exigences industrielles et beaucoup de problèmes restent à identifier et à résoudre pour avancer dans ce domaine. Les phénomènes perturbateurs prennent de plus en plus d'importance à mesure que la taille des systèmes diminue. Leur conception doit en tenir compte dés le début de la démarche.<br /> L'évolution industrielle dans ce domaine passe par la fourniture de procédures réalistes et productives pour améliorer le cycle de conception. Le Prototypage Virtuel constitue une voie intéressante pour cela en offrant la possibilité de réduire les temps et les coûts de développement par la formalisation, la capitalisation et la réutilisation de modèles informatiques directement simulables, ainsi que par l'application d'une méthodologie rigoureuse quant à leur conception. Parmi les langages de description matériels utilisables, VHDL-AMS semble un des plus adaptés. En effet, il permet de modéliser les systèmes multidisciplinaires de manière native et offre des possibilités de modélisation à haut niveau d'abstraction. De plus, ce langage se déploie de plus en plus au sein des industries, ce qui génère un nouveau public d'utilisateurs, n'ayant pas de connaissances des HDLs, pour lesquels la nouvelle génération de simulateurs graphiques s'avèrent très utiles.<br /> Cette thèse présente tout d'abord le travail effectué dans le cadre du RMNT sur la modélisation d'un dispositif optoélectronique à haut débit, courte portée et à fortes interactions thermiques et mécaniques de la société THALES. Cette étude a ensuite permis de dégager des éléments de méthodologie qui pourraient rendre la conception de modèles et la simulation de systèmes complexes plus en phase avec un marché toujours plus exigeant.