Dans cette thèse, nous avons étudié par spectroscopie tunnel STM associée à des mesures de transport, les propriétés supraconductrices de films ultra-minces de nitrure de titane (TiN) et d'oxyde d'indium amorphe. Ces deux matériaux fortement désordonnés présentent, à température nulle, une transition de phase quantique entre un état supraconducteur et un état isolant lorsque l'épaisseur diminue ou lorsqu'un champ magnétique perpendiculaire au film est appliqué. Bien que le désordre de ces films soit considéré comme homogène, notre étude de spectroscopie tunnel effectuée à une température de 50 mK a révélé de fortes inhomogénéités du gap supraconducteur qui sont apparues d'autant plus fortes que le désordre est proche du désordre critique. Cette observation permet de décrire les films proches de la transition supraconducteur-isolant par un système d'îlots supraconducteurs percolant par couplage Josephson. L'application d'un champ magnétique dans un tel système détruit ces liens faibles et restaure l'état isolant sous-jacent sous forme d'une magnétorésistance géante. Nous avons aussi étudié le régime de fluctuations thermodynamiques du paramètre d'ordre supraconducteur au-dessus de la température critique Tc. Dans les films minces, ces fluctuations se traduisent par un élargissement de la transition et par la formation d'un pseudogap dans la densité d'états à un électron. Nous avons mesuré dans les films de TiN un fort pseudogap qui s'étend sur une grande gamme de température au-dessus de Tc. Ce pseudogap résulte de l'effet des fluctuations supraconductrices combinées à l'anomalie de Coulomb renforcée par le désordre.

Cette These experimentale examine le transport par effet tunnel entre deux couches ferromagnetiques separees par une barriere isolante ultrafine. L'enjeu de ces travaux est de rapprocher la comprehension theorique, basee sur des systemes ideaux, de la realite experimentale domin´ee par des jonctions comprenant une barriere amorphe. Au moyen de jonctions partiellement ou entierement epitaxiees integrant le materiau La0:7Sr0:3MnO3 dont nous avons confirme la polarisation de spin tunnel quasi-totale, l'influence de la structure electronique de materiaux isolants tels que SrTiO3, Ce0:69La0:31O1:845, TiO2, MgO (epitaxies) et Al2O3 (amorphe) sur le magnetotransport tunnel est mise en evidence. La theorie soutendant ces resultats est testee au moyen de mesures XMCD effectuees sur des barrieres de Al2O3 et MgO. La demi-metallicite de La0:7Sr0:3MnO3 est ensuite utilisee dans des jonctions La0:7Sr0:3MnO3 /SrTiO3 /La0:7Sr0:3MnO3 et La0:7Sr0:3MnO3 /SrTiO3 /Co afin d'affirmer quantitativement le caractere spectroscopique du transport tunnel polarise en spin entre electrodes ferromagnetiques. Ces etudes en tension montrent l'influence de la generation d'ondes de spin lors du transport tunnel sur l'ordre ferromagnetique de l'interface manganate/ isolant proche de sa temperature de transition metal-isolant. Enfin, nous utilisons l'electromigration aux interfaces afin de modifier la densite d'etats et le profil de potentiel des interfaces. Nous montrons comment il est possible de r´ealiser un dispositif aux proprietes de magnetotransport bistables; et nous examinons dans le regime tunnel Fowler-Nordheim les repercussions de ces modifications sur la formation d'etats quantifies au sein de la barriere, et l'evolution du couplage d'echange indirect entre les electrodes ferromagnetiques.

Au cours de cette thèse, nous avons étudié l'influence d'une barrière tunnel en transport cohérent. Les structures présentées dans ce manuscrit ont toutes en commun une barrière tunnel et une interface Supraconducteur/métal Normal (S/N). L'interface S/N est le siège de la réflexion d'Andreev qui régit la transformation d'un courant normal (à une particule) en un courant supraconducteur (à deux particules). Ce processus conduit à l'effet de proximité classique. Nous avons tout d'abord étudié des contacts nitrure de titane/silicium fortement dopé. La barrière Schottky présente à l'interface frustre l'effet de proximité. On a pu observer à basse température et faible tension l'augmentation de conductance caractéristique de l'effet tunnel sans réflexion ("reflectionless tunneling"). La comparaison quantitative de nos mesures avec les théories pertinentes nous a conduits à étudier les effets de chauffage dans les structures longues Supraconducteur-métal Normal-Supraconducteur (SNS). Dans un deuxième temps, nous avons fabriqué en salle blanche, puis mesuré à basse température des structures verticales aluminium-cuivre-alumine-cuivre (SNIN) dans le régime diffusif. Cette fois-ci, la barrière tunnel est décalée dans le métal normal, ce qui confine les électrons près de l'interface supraconductrice et augmente l'effet de proximité. Nous avons pu observer un comportement proche de la réentrance à faible énergie. En variant l'épaisseur du métal normal présent entre l'interface supraconductrice et la barrière tunnel, nous avons constaté la transition entre un excès de conductance et l'ouverture d'un gap dans le métal normal, jusqu'à un comportement tunnel caractéristique des jonctions SIN. Ces deux études montrent qu'une barrière tunnel permet non seulement la spectroscopie des densités d'états, mais également de mettre en évidence le transport cohérent dans les structures mésoscopiques.

Cette thèse présente une étude associant des mesures de spectroscopie tunnel, de spectroscopie d'Andreev en mode point-contact et de transport électronique sur des échantillons supraconducteurs désordonnés d'oxyde d'indium. Les mesures de transport révèlent une divergence de la résistivité depuis la température ambiante court-circuitée par la supraconductivité à basse température. Ce comportement traduit la proximité des échantillons avec la transition métal-isolant d'Anderson. La spectroscopie tunnel met en évidence un état supraconducteur inhabituel présentant un régime de pseudogap au-dessus de la température critique. Celui-ci évolue à basse température en un système inhomogène composé de paires de Cooper supraconductrices et de paires de Cooper localisées par le désordre, sans cohérence de phase. La comparaison entre plusieurs échantillons montre que ces paires de Cooper incohérentes prolifèrent avec l'augmentation du désordre et indique ainsi que la transition supraconducteur-isolant dans l'oxyde d'indium est gouvernée par la localisation progressive des paires de Cooper. Par ailleurs, en utilisant notre STM, nous avons décrit continûment l'évolution de la conductance locale entre le régime tunnel et le régime de contact. La spectroscopie d'Andreev révèle une nouvelle échelle d'énergie liée à la cohérence de phase supraconductrice et indépendante des fluctuations spatiales de la densité d'états mesurées en régime tunnel. Ceci montre que le désordre provoque une dichotomie entre l'énergie de liaison caractérisant l'appariement électronique et l'énergie de cohérence propre à l'état supraconducteur macroscopique.

Dans cette thèse, nous avons abordé par la microscopie/spectroscopie tunnel l'étude de deux phénomènes mettant en jeu les interactions entre électrons : la supraconductivité et la transition Métal/Isolant de Mott. L'étude par microscopie/spectroscopie tunnel du graphite intercalé supraconducteur CaC6 a permis qu'il s'agissait d'un supraconducteur bien décrit par la théorie BCS conventionnelle, avec un gap à température nulle de 1,6+/0,2 meV. Toutefois, un léger élargissement des structures spectroscopiques témoignait d'une légère anisotropie du paramètre d'ordre dans le plan ab. Nous avons pu extraire par l'imagerie du réseau de vortex une longueur de cohérence extrapolée à température nulle de 38 nanomètres. La seconde partie du manuscrit est constitué par l'étude de la transition Isolant-Métal induites par pulses électriques dans GaTa4Se8, qui est un isolant de Mott faible, proche de la transition Isolant Métal. L'application du pulse électrique entraine l'apparition de zones métalliques dans une matrice isolante au sein du volume du matériau, ce qui fournit une explication des modèles phénoménologiques développés suite aux mesures de transport. De plus, l'application de rampes de tension lors des mesures spectroscopiques induit une transition Isolant-Métal locale, et pour des tensions encore plus élevées (V > 1.0V), on observe un gonflement de la surface sous l'effet du champ électrique. L'étude du composé dopé en électrons de formule Ga0,91Zn0,15Ta4Se8 montre que si le dopage induit effectivement une métallicité, la transition observée sous pulse se rapproche plus d'une transition induite par une modification du rapport t/U que d'une transition induite par dopage. Ce manuscrit pose la question de savoir si ces phénomènes sont intrinsèques à GaTa4Se8 ou généralisables aux autres isolants de Mott faibles.

Obtenir une interface transparente entre le graphène et un supraconducteur s'est révélé être difficile et pourtant essentiel pour induire des corrélations supraconductrices dans le graphène par effet de proximité. Cette thèse présente une étude par spectroscopie tunnel (STS) à très basse température (50 mK) d'un système nouveau qui réalise ce bon couplage électronique en faisant croitre du graphène par épitaxie sur du rhénium supraconducteur. La fabrication et sélection des films minces de rhénium de haute qualité cristalline sont brièvement expliquées, suivies par le procédé de croissance CVD du graphène sur divers métaux et en particulier sur du rhénium. Les images topographiques obtenues par STM révèlent un moiré qui résulte de la différence de paramètre de maille entre le graphène et le rhénium. Nous identifions ce système à une monocouche de graphène en forte interaction avec le substrat, résultat corroboré par des calculs DFT. Des analyses STS dans une gamme d'énergie de plusieurs centaines de meV montrent une modulation spatiale de la densité d'états (DOS) à l'échelle du moiré, indiquant différentes forces de couplage entre les ‘collines' et les ‘vallées' du moiré. Les propriétés supraconductrices de l'échantillon en volume sont sondées par des mesures de transport, desquelles nous extrayons la température de transition Tc~2K et la longueur de cohérence supraconductrice ξ=18nm. Le gap supraconducteur est extrait de la DOS mesurée par STS à 50 mK (Δ=330µeV) et trouvé homogène à l'échelle du moiré. L'état mixte supraconducteur est étudié sous champ magnétique et un réseau de vortex d'Abrikosov est mis à jour. Enfin, une étude sur diverses morphologies de surface présente un effet de proximité supraconducteur latéral anormal, en contradiction avec les modèles existants. / Obtaining a transparent interface between graphene and a superconductor has proved to be very challenging and yet essential to induce superconducting correlations in graphene via the so-called proximity effect. This thesis presents a scanning tunneling spectroscopy (STS) study at very low temperature (50 mK) of a novel system achieving such a good electronic contact by the growth of epitaxial graphene on superconducting rhenium. The fabrication and selection of high-crystallographic quality rhenium thin films are briefly explained, followed by the CVD growth process of graphene on various metal substrates and in particular rhenium. STM topographic images reveal a moiré pattern due to the lattice mismatch between graphene and rhenium. We identify this system to a graphene monolayer in strong interaction with the underlying substrate, as corroborated by DFT calculations. STS analyses in the hundreds-meV energy range show a spatial modulation of the density of states (DOS) at the moiré scale, indicating different coupling strengths between ‘hills' and ‘valleys' regions. The bulk superconducting properties are probed by transport measurements, from which we extract the transition temperature Tc~2K and a superconducting coherence length ξ=18nm. The superconducting gap is extracted from the DOS at 50 mK (Δ=330µeV) and found homogeneous at the moiré scale. The superconducting mixed state is studied under magnetic field and an Abrikosov vortex-lattice is uncovered. Finally, a study on various surface morphologies exhibits an anomalous lateral superconducting proximity effect in contradiction with the existing models.

Les couches de graphene épitaxiées sur la face carbone du carbure de silicium sont tournées les unes par rapport aux autres. Cette rotation préserve la structure de bande linéaire du graphene mono-couche et permet un transport balistique des porteurs de charge. Parmi les propriétés intéressantes développées dans le chapitre 2, la possibilité de former de pleines couches de graphene sur le substrat isolant qu'est le SiC est un avantage majeur de cette technique comparé aux autres méthodes de croissance du graphene (exfoliation et épitaxie en phase vapeur sur métaux). Les grandes surfaces produites permettent aux expérimentateurs de faire facilement des mesures STM car la localisation de la partie utile de l’échantillon n'est pas un problème dans ce cas.Dans ce travail de thèse, j'ai réalisé la croissance de graphene sur la face carbone du SiC dans le but d'étudier la supraconductivité induite dans le graphene par la proximité d'un supraconducteur. Cette supraconductivité induite dont le principe expliqué dans le chapitre 3 se développe d'autant plus loin de l'interface que le matériau non supraconducteur possède un grand libre parcours moyen. D'où notre choix du graphene. Dans le chapitre 3 je présente aussi les efforts que j'ai mené pour fabriquer des jonctions graphene/supraconducteur par une technique de lithographie propre : la lithographie par microsphères. Cette méthode utilise des micro-sphères de silice comme masque dur durant le dépôt par évaporation d'un matériaux supraconducteur tel le vanadium. Malgré la propreté de cette méthode telle qu'avérée par les images STM des échantillons, nous n'avons pas réussi à induire la supraconductivité dans le graphene. Suite à ce résultat négatif, nous avons développé une seconde approche décrite dans le chapitre 4. Un matériau supraconducteur réfractaire, le niobium, est cette fois-ci déposé sur le substrat avant la croissance du graphene. A l'issue de la croissance, nous avons eu la surprise de constater que la température critique du matériaux supraconducteur s'était élevée de 7 à 12 K. Cela s'explique par la carburation du Niobium lors du recuit. Par ailleurs, nous avons bien démontré que des couches graphitiques sont aussi crues sur le NbC permettant ainsi de réaliser des jonctions. Néanmoins, nous n'avons à nouveau pas réussi à observer de supraconductivité induite dans le graphene.Outre les propriétés intéressantes pour l'étude de la supraconductivité induite, les couches de graphene en rotation constituent en elle même un sujet d'étude intéressant. En effet, la densité d'état de ce système présente des singularités de van Hove dont la position en énergie dépend de l'angle de rotation. Ce système ouvre donc la porte à l'étude de la physique associée à ces singularités (supraconductivité, magnétisme) à des énergies accessibles par dopage électrostatique. De plus, une localisation des fonctions d'onde électroniques a été prédite pour les faibles angles de rotation et cette localisation a été confirmée par des résultats expérimentaux préliminaires. Cependant, il manquait une étude systématique des propriétés électriques des systèmes à faible angle de rotation. Les mesures que j'ai réalisé dans ce régime sont présentées dans la dernière partie de ce mémoire. Ces mesures de spectroscopie sont comparées à un modèle de liaison fortes. Le modèle sans désordre et en présence de désordre ne permettent pas de décrire correctement les expériences menées pour des angles inférieurs à 2°. Mon travail souligne qu'une physique riche existe aux faibles angles de rotation et qu'il reste encore beaucoup de travail à faire pour la comprendre. / Epitaxial graphene on carbon-terminated face (C-face) of SiC substrates consists of graphene layers rotated from each other. This rotation of layers grants this material single-layer like properties, such as a linear dispersion band structure and a ballistic transport. As discussed in chapter 2, the full-wafer size and the insulating SiC substrate are two of many advantages of graphene films grown on SiC compared to those prepared differently (exfoliation method and chemical vapour deposition method). These two advantages allow experimentalists to perform scanning tunneling microscopic (STM) experiments and to study graphene properties easily.In this PhD work, we grew graphene on C-face of SiC substrates to investigate the induced superconducting proximity effect in ballistic regime. The physics of this phenomenon is explained in chapter 3 as the formation of time-reversed pairs of electrons and holes. Concerning the superconducting materials, we relied on vanadium and niobium carbide to induce the proximity effect. These two approaches are discussed in detail in chapter 3 (for V) and chapter 4 (for NbC). STM characterizations performed on fabricated samples show a superconducting gap in V and a part of the NbC surface, but no induced gap in graphene. Several possible reasons, like a poor interface between superconductors and graphene, the unability of the STM to reach the true graphene-superconductor interface, and the degradation of the surface of NbC, were suggested and discussed. However, our high-quality epitaxial NbC films meet the requirements for hot-electron bolometers.Besides their single-layer like properties, the rotation of layers also leads to tunable van Hove singularities and the localization of states, which are thoroughly discussed in chapter 5 and 6. Once one of these singularities stays at the Fermi level, graphene is predicted to gain intrinsic superconductivity and magnetic properties. This condition can be achieved by reducing the rotation angle towards zero, as these singularities converge to the Dirac point or the Fermi level for undoped graphene. In addition to the intrinsic superconductivity, the localization of states also appears for layers rotated with a small angle, as observed in several STM experiments. Experimentally, we found regions in rotated layers, which appear as periodic Moiré patterns in our STM images. The rotation angles were estimated from the Fast Fourier Transform of the recorded STM images. Comparing our experimental results with tight-binding calculations for disorder-free layers rotated with the same angles leads to a qualitatively good agreement for the positions of van Hove peaks. However, the appearance of new peaks in proximity to the Dirac point for layers rotated with θ=1.5º and a spatial evolution of of spectroscopic features for the small rotation angles cannot be explained by the calculations for disorder-free layers. In order to explain these two phenomena, we considered the influence of disorder. This indeed improved the agreement between theoretical and experimental results. But, since no electronic disorder could be evidenced from our STM images, other explanations, like strain, need to be considered too.

Cette thèse présente les résultats de mesures expérimentales effectués à basse température par les techniques de microscopie tunnel à balayage et de spectroscopie par tunnel à balayage (STS) sur les métaux de transitions phthalocyanines déposées sur les surfaces de métaux nobles. Les mesures STM/STS ont été effectuées pour les molécules MnPc et CuPc adsorbées sur les surfaces Ag (111) et Au (111) à la température expérimentale de travail de 4,5 K. Ces deux types de molécules présentent une différence substantielle de configurations d'adsorption, des comportements électroniques et magnétiques et des structures vibratoires moléculaire. Les études STM/STS ont principalement porté sur les propriétés magnétiques de ces molécules à travers l’effet Kondo et une attention particulière a été accordée à la molécule de MnPc en raison de son comportement magnétique plus intéressant issu de l'atome Mn central. Particulièrement, nous avons étudié l'évolution spectrale des structures électroniques et magnétiques du MnPc partant d'une molécule unique jusqu'à la structure bicouche ordonnée sur la surface Ag (111). En outre, les études STM/STS ont montré une preuve de couplage magnétique entre les moments magnétiques de l'atome de Co et de la molécule de MnPc ainsi que sa forte dépendance vis-à-vis du site d'adsorption de l'atome de Co. Ces études STM/STS sur ce système nous ont permis de comprendre l'effet des interactions molécule-substrat, molécule-molécule et molécules-atome sur les propriétés électroniques et magnétiques des molécules de MnPc. / This thesis presents the results of low-temperature scanning tunneling microscopy (STM) and scanning tunneling spectroscopy (STS) studies on transition-metal phthalocyanines molecules on the noble metal surfaces. The STM/STS measurements have been performed for MnPc and CuPc molecules adsorbed on Ag(111) and Au(111) surfaces at the experimental working temperature of 4.5 K. These two types of molecules exhibit substantially different adsorption configurations, the electronic and magnetic behaviors and the molecule vibrational structures. The STM/STS studies have focused mainly on the magnetic properties of these molecules by means of Kondo effect, and special attention has been paid to MnPc molecule due to its more interesting magnetic behavior arising from the central Mn atom. Particularly we investigated the spectral evolution of electronic and magnetic structures of MnPc starting from a single molecule up to the ordered bilayer structures on Ag(111) surface. In addition, the STM/STS investigations showed an evidence of magnetic coupling between the magnetic moments of the Co atom and MnPc molecule and its strong dependence on the adsorption site of Co atom. These STM/STS investigations on this system allowed us to understand the effect of molecule-substrate, molecule-molecule and molecule-atom interactions on the electronic and magnetic properties of MnPc molecules.

Ce manuscrit présente une étude par microscopie à effet tunnel de surfaces de métaux de transition, dont les propriétés électroniques sont remarquables près du niveau de Fermi. Ces surfaces de métaux nobles, de nickel et de fer, possèdent des états électroniques localisés en surface, magnétiques ou non, fortement ou faiblement dispersifs. Pour ce travail nous avons utilisé la grande résolution spatiale du microscope pour analyser la structure atomique de surface, et également pour repérer et/ou créer des objets uniques nanométriques afin d'en étudier les propriétés électroniques par des mesures de conductance tunnel. Les nanostructures qui sont présentées ici sont souvent le siège d'un confinement électronique qui se traduit par la présence d'interférences quantiques observables sous forme d'ondes stationnaires électroniques par un microscope à effet tunnel. Dans un premier temps, nous présentons du point de vue théorique les propriétés physiques des états électroniques de surface dits de « Shockley » des métaux nobles et leur interaction avec les défauts statiques. Ensuite, nous exposons la méthode de mesure locale des propriétés magnétiques qui nous semble très performante et les résultats préliminaires que nous avons obtenus avec un système de film mince de Fe/Ag(001). La recherche d'échantillon magnétique présentant un état de surface nous a conduit à nous intéresser à un autre type de surface : Ni(111). Nous montrons comment nous pouvons nous servir des effets d'interférences quantiques observées dans des nanostructures de nickel créées par nano-indentation pour caractériser les propriétés électroniques de Ni(111). L'étude suivante concerne le dépôt de couches ultra-minces de Ni/Cu(111). Nous y étudions la chimie de la surface, des effets de diffusion d'atomes, et surtout les propriétés électroniques de nanostructures de nickel et de cuivre. Nous y discutons aussi de l'influence de la présence de Ni et Cu dans ces objets sur leurs propriétés électroniques.

Ce travail de thèse porte sur l'étude des limites physiques requises pour la conception d'une diode organique électroluminescente à l'échelle la plus réduite qui soit, celle d'un faible nombre d'atomes. Nous avons travaillé avec plusieurs systèmes moléculaires organiques π-conjugués afin de déterminer les critères essentiels que doit remplir une molécule pour pouvoir être utilisée comme telle. Dans ce cadre, le Microscope à Effet Tunnel s'avère être un outil particulièrement adapté pour étudier l'auto-assemblage de tous ces systèmes sur une surface ainsi que pour positionner avec une haute précision les électrodes constituées par la pointe et le substrat conducteurs. L'organisation sur graphite de tectons tridimensionnels à pilier central paracyclophane a tout d'abord été étudiée. Ils présentent, au sein d'une même entité moléculaire, l'ensemble des fonctions requises pour obtenir une émission : celles d'organisation structurée par les interactions avec le substrat et celles d'opto-électronique. Le passage à un substrat d'or, mieux adapté pour l'exaltation par les plasmons, a ensuite été examiné. Une autre stratégie quant à l'organisation des molécules reposant sur une modification de leur nature et de leur longueur a été choisie avec l'usage d'oligophénylènes et de poly(3-alkylthiophènes). Leur stabilité, qui constitue le paramètre clef pour l'émission de photons sous pointe, a demandé à être améliorée sur ce même substrat et a motivé le développement d'une troisième architecture afin de consolider l'ensemble de l'édifice moléculaire. Des thiols chimisorbés ont été déposés sur or et des polymères fluorescents s'y sont superposés par création d'une liaison électrostatique. L'obtention d'une émission localisée avec un tel système conclue ce travail qui souligne que le principal obstacle à la réalisation d'une diode de taille minimale sera la stabilité structurale de ses constituants moléculaires.