La spintronique moléculaire et la photocatalyse sont deux domaines en constante évolution. Le premier s’attache à exploiter la possibilité de coupler deux phénomènes physiques, à savoir le transport d’un flux de porteurs de charges et le spin de l’électron, tandis que le second se concentre sur l’exaltation des propriétés chimiques de transfert d’électrons d’une espèce donnée grâce au phénomène physique d’irradiation lumineuse. Depuis quelques années, les nanotubes de carbone ont suscité un grand intérêt à la fois en tant que composant pour la spintronique moléculaire, en raison de leur grande cohérence de spin, et en tant que support idéal pour la catalyse moléculaire, grâce à leurs exceptionnelles propriétés électroniques de surface. Au cours de ce travail de thèse, nous nous sommes attachés à concevoir des complexes inorganiques possédant des propriétés physiques, (magnétiques ou optiques) et des propriétés chimiques (permettant leur assemblage non-covalent sur des nanotubes de carbone monoparoi) de manière à former des adduits complexes inorganiques-nanotubes aux propriétés exploitables en spintronique moléculaire et en photocatalyse. Les propriétés des complexes synthétisés ont été extensivement caractérisées (Chapitre 2), et les plus prometteurs de ces composés ont été assemblés avec succès sur les nanotubes de carbone (Chapitre 3), comme en attestent les mesures spectroscopiques réalisées. Enfin, les deux domaines d’applications concernés par nos travaux faisant intervenir des phénomènes de transport électronique, des études spécifiques sur des dispositifs électriques de type transistor à effet de champ dont le canal de conduction est constitué de nanotubes de carbone ont été réalisées (Chapitre 4). Celles-ci mettent à chaque fois en évidence l’existence d’une communication électronique entre les complexes inorganique et les nanotubes de carbone sur lesquels ils sont assemblés au sein des dispositifs. Bien qu’au final un couplage entre les propriétés magnétiques des complexes synthétisés et les propriétés de transport des nanotubes n’ait pas pu être mis en évidence, de nombreux phénomènes inattendus et extrêmement intéressants tels que des effets ambipolaires, des transferts de charge ou des ruptures de liaisons ont été observés. Par contre, un fort couplage opto-électronique a pu être obtenu entre un complexe et le flux de porteurs de charge des dispositifs, ce qui s’avère être de très bon augure pour des futures applications en photocatalyse. / Molecular spintronic and photocatalysis are two fields in constant evolution. While the first deals with the coupling of two physical properties, the flux of charge carriers and the spin of the electron, the second is focusing on the enhancement of the electron transfer of chemical species under light irradiation. Recently, there has been an increasing interest in carbon nanotubes as new components for molecular spintronics, since they possess high spin coherence, and as ideal materials for molecular catalysis, for their tremendous electronic surface properties. Our work consisted in conceiving inorganic complexes with both physical (magnetic or optic) and chemical (ability of realizing non covalent assembly on single-walled carbon nanotubes) properties, in order to create new nanotube-complex nanohybrids which could be exploited for molecular spintronics or photocatalysis applications. The properties of the synthesized complexes were extensively characterized (Chapter 2), and the most promising molecules were successfully assembled onto carbon nanotubes, as is proven by the spectroscopic measurement which were performed (Chapter 3). Finally, since both domains of applications we considered involve electronic transportation, specific studies were realized on field effect transistor devices with carbon nanotubes as the conduction channel (Chapter 4). They evidence strong electronic communications between the inorganic complexes and the carbon nanotubes onto which they are assembled in the devices. Even if in the end no coupling was observed between the magnetic properties of the inorganic complexes and the transport ones of the carbon nanotubes, numerous unexpected and very interesting phenomena such as ambipolar behavior, charge transfer effect or bond cleavage were evidenced. As for the optoelectronic coupling which was investigated for photocatalytic applications, a first step was made as the transport of the carbon nanotube field effect transistor devices onto which a complex was assembled shows a strong dependence with the applied light irradiation.

Dans ce projet de thèse, deux voies visant l'élaboration de transistors à effet de champ en diamant ont été explorées : le delta-doping et la structure métal oxyde semi-conducteur (MOS). Plusieurs couches nanométriques delta-dopées au bore ont été épitaxiées et caractérisées par effet Hall. Un mécanisme de conduction par saut a été détecté dans les couches isolantes. Une mobilité de 3±1 cm2/Vs a été mesurée dans toutes les couches delta-dopées présentant une conduction métallique, quelque soit leur épaisseur (de 2 nm à 40 nm). Des structures MOS ont été fabriquées en utilisant de l'oxyde d'aluminium déposé par ALD (Atomic Layer Deposition) sur une surface oxygénée de diamant. Les mesures capacité tension ont montré que les régimes d'accumulation, de déplétion et de déplétion profonde pouvaient être contrôlés par la tension de grille, ouvrant ainsi la voie pour la fabrication de MOSFET en diamant.

Le carbure de silicium est pressenti comme un matériau prometteur dans plusieurs domaines de l’électroniquetels que la nano-électronique, l’électronique de puissance ou les capteurs travaillant en milieuxhostiles (hautes températures, milieux corrosifs, milieux biologiques) du fait de ses propriétés physicochimiquessupérieures à celles du silicium, notamment. Cependant, parmi les différentes méthodesd’élaboration par voie descendante ou ascendante permettant de fabriquer des nano-objets à 1D enSiC, aucune n’a pour l’instant permis d’obtenir du SiC d’excellente qualité cristalline.Le travail de cette thèse a porté sur la démonstration de l’élaboration de nanostructures 1D àbase de SiC, à savoir nanofils coeur-coquille Si-SiC, nanofils de SiC et nanotubes de SiC, par unprocédé original de carburation de nanofils de silicium, eux-mêmes élaborés par gravure plasma. Cettedémonstration a été possible grâce au contrôle de la pression de carburation, ce qui permet la maîtrisede l’exodiffusion des atomes de silicium à travers le carbure de silicium.À pression atmosphérique l’exodiffusion des atomes de silicium est restreinte ce qui permet d’élaborerdes nanofils coeur-coquille Si-SiC avec une coquille de SiC monocristalline et entièrement recouvrante.En se servant de la biocompatibilité du SiC et du bon contrôle électronique dans le silicium, ilest possible d’envisager l’utilisation de ces nanofils coeur-coquille Si-SiC pour des bio-nano-capteurs.En diminuant la pression au cours de la carburation, il est possible d’augmenter l’exodiffusion etainsi d’obtenir des nanotubes de SiC cubique de très bonne qualité cristalline avec des parois denses.Ces nanotubes de SiC sont largement modulables en termes de dimensions, et la faisabilité de leurouverture a été démontrée, permettant ainsi l’utilisation du fort rapport surface sur volume de telsnano-objets pour des capteurs électroniques notamment.Un premier pas a été franchi vers les applications des nanofils coeur-coquille Si-SiC et des nanotubesde SiC, puisque les mesures électriques réalisées sur des nano-transistors à effet de champ utilisant cesdeux types de nano-objets comme canal sont prometteurs. / Due to their superior physical and chemical properties —such as high breakdown field, high thermalconductivity and biocompatibility— compared to other semiconductors, silicon carbide is forseento be a promising materials for power electronics, bio-nano-sensors and nano-electronics in harsh environments.However, among the numerous top-down or bottom-up methods used to synthesise siliconcarbide 1D nano-objects, none has been able yet to produce SiC with a high cristalline quality.The aim of this project is to demonstrate the synthesis of silicon carbide- based 1D nanostructures—e.g. core-shell Si-SiC nanowires, SiC nanowires and SiC nanotubes— through an original processbased on the carburization of plasma-etched silicon nanowires. This demonstration is based on thecontrol of the pressure during the carburization process, which leads to the monitoring of the outdiffusionof silicon atoms through silicon carbide.Thus if the pressure is kept at the atmospheric pressure, the out-diffusion of silicon is limited andSi-SiC core-shell nanowires can be synthesized with a single-crystalline cubic SiC shell. Thanks to thebiocompatibility of the SiC shell and the good electronic transport into the Si core, bio-nano-sensorscan be considered.If the pressure is decreased during the carburization process, the outdiffusion of silicon atomsthrough SiC is enhanced, and leads to SiC nanotubes synthesis. SiC nanotubes sidewalls are dense,with an excellent crystalline quality. These original SiC nanotubes have a high surface to volume ratioand thus can be used for sensors or storage devices.The first step for direct applications has also been demonstrated since first results on electricalperformances of nano-field effect transistors, with these nano-objects as channel, are promising.

Un nanonet possède des propriétés remarquables qui proviennent non seulement des propriétés intrinsèques de chaque nanostructure mais aussi de leur assemblage en réseau ce qui les rend particulièrement attractifs pour de multiples applications, notamment dans les domaines de l’optique, l’électronique ou encore le biomédical. Dans ce travail de thèse, des nanonets constitués de nanofils de silicium ont été intégrés pour la première fois sous forme de transistors à effet de champ avec une grille en face arrière. La filière technologique développée est parfaitement compatible avec une production des dispositifs en masse, à bas coût et à grande échelle pour un budget thermique n’excédant pas 400°C. Des avancées technologiques majeures ont été réalisées grâce à la maîtrise du frittage des jonctions entre nanofils, de la siliciuration des contacts et de la passivation des nanofils avec de l’alumine. Les transistors à nanonets fabriqués présentent des caractéristiques électriques excellentes, stables sous air et reproductibles qui sont capables de concurrencer celles des transistors à nanofil unique. Une étude approfondie de la percolation par des mesures expérimentales et des simulations Monte-Carlo a mis en évidence que la limitation de la conduction par les jonctions entre nanofils permet d’améliorer considérablement les performances électriques. Après une intégration des dispositifs sous forme de biocapteurs, il a été montré que les transistors sont sensibles électriquement à l’hybridation de l’ADN. Bénéficiant d’un procédé de fabrication compatible avec l’industrie de la microélectronique, une intégration 3D de ces transistors à nanonet sur un circuit de lecture peut alors être envisagée ce qui ouvre la voie à des biocapteurs portables, capables de détecter l’ADN en temps réel et sans marquage. De plus, la flexibilité mécanique et la transparence optique du nanonet offrent d’autres opportunités dans le domaine de l’électronique flexible. / A nanonet exhibits remarkable properties which arises from, not only, the intrinsic properties of each nanostructure but also from their assembly into network which makes them particularly attractive for various applications, notably in the field of optics, electronics or even biomedical. During this Ph.D. work, silicon nanowire-based nanonets were integrated for the first time into field effect transistors with a back gate configuration. The developed technological process is perfectly suitable with a large-scale and massive production of these devices at low cost without exceeding a thermal budget of 400°C. Major technological breakthroughs were achieved through the control of the sintering of nanowire junctions, the contact silicidation and the nanowire passivation with alumina. The as-fabricated nanonet transistors display outstanding, air stable and reproducible electrical characteristics which can compete with single nanowire-based devices. An in-depth study of percolation using experimental measurements and Monte-Carlo simulations highlighted that the conduction limitation by nanowire junctions allow to enhance drastically the electrical performances. After device integration into biosensors, it has been shown that transistors are electrically sensitive to DNA hybridization.Beneficiating from a fabrication process compatible with the microelectronic industry, a 3D integration of these nanonet-based transistors onto a readout circuit can therefore be envisioned which opens new avenues for portable biosensors, allowing direct and label-free detection of DNA. Furthermore, mechanical flexibility and optical transparency offer other opportunities in flexible electronic field.

La progressivité du claquage des oxydes de grille d'épaisseurs inférieures à 20 nm permet d'envisager une prolongation de la durée de vie des circuits. Cet enjeu majeur de la fiabilité contemporaine requiert des modèles adaptés afin de contrôler la variabilité des paramètres induites par le claquage. Après avoir étudié l'impact d'une fuite de courant sur une couche chargée, nous avons mis au point un modèle bas niveau de simulation par éléments finis, capable de reproduire la dérive des paramètres mesurée sur des dispositifs du nœud 45 nm. Des lois empiriques de ces dérives ont été injectées dans un modèle compact du transistor dégradé, simplifié par nos observations originales de la dépolarisation du canal et de la répartition des courants. Finalement nous avons simulé l'impact du claquage sur le fonctionnement de circuits simples et estimés la dérive de leurs paramètres tels que l'augmentation de la consommation due au claquage. / Breakdown (BD) progressivity for oxides thicker than 20nm may allow circuit lifetime extension; for design purpose and reliability questions, it is now very important to include soft BD failure in compact models in order to predict circuit's parameters variability. After studying the impact of current leakage on a charged layer, we set up a low level simulation model, able to reproduce parameters deviation measured on MOSFET from the 45nm node. Empirical laws of parameter's variability due to this degradation have been used to build up a compact model of damaged device. Our observations have allowed several improvements of BD understanding and led to major simplifications in BD compact modelling. Our simulations of small circuits show a good agreement with published measures and allow an estimation of BD impact on circuits, such as circuit's parameters deviation and power consumption increase estimation.

Alors que la demande en électronique haute puissance et haute fréquence ne fait qu’augmenter, les semi-conducteurs classiques montrent leurs limites. Des approches basées soit sur des nouvelles architectures ou sur des matériaux à large bande interdite devraient permettre de les dépasser. Le diamant, avec ses propriétés exceptionnelles, semble être le semi-conducteur ultime pour répondre à ces attentes. Néanmoins, il souffre aussi de certaines limitations, en particulier d’une forte énergie d’ionisation du dopant de type p (bore) qui se traduit par une faible concentration de porteurs libres à la température ambiante. Des solutions innovantes s'appuyant sur un gaz 2D et /ou l’effet de champ ont été imaginées pour résoudre ce problème. Ce travail est axé sur deux de ces solutions : i) le diamant delta dopé au bore qui consiste en une couche fortement dopée entre deux couches intrinsèques, afin d’obtenir une conduction combinant une grande mobilité avec une grande concentration de porteurs et ii) le transistor à effet de champ métal oxide semiconducteur( MOSFET ), où l’état « on » et l’état « off » du canal sont obtenus grâce au contrôle électrostatique de la courbure de bandes à l' interface de diamant/oxyde. Pour ces deux structures, beaucoup de défis technologiques doivent être surmontés avant de pouvoir fabriquer un transistor. La dépendance en température de la densité surfacique de trous et de la mobilité de plusieurs couche de diamant delta dopées au bore a été étudiée expérimentalement et théoriquement sur une large gamme de température (6 K <T < 500 K). Deux types de conduction ont été détectés: métallique et non métallique. Une mobilité constante comprise entre 2 et 4 cm2/Vs a été mesurée pour toutes les couches delta métalliques quelle que soient leurs épaisseurs ou le substrat utilisé pour la croissance. Cette valeur particulière est discutée en comparaison à d'autres valeurs expérimentales reportées dans la littérature et aussi de calculs théoriques. Une conduction parallèle à travers les régions faiblement dopées qui encapsule la couche delta, a également été mise en évidence dans certains échantillons. Une très faible mobilité a été mesurée pour les couches delta non métalliques et a été attribuée à un mécanisme de conduction par saut. Des structures métal oxyde semi-conducteur utilisant de l'oxyde d'aluminium comme isolant et du diamant monocristallin (100) de type p en tant que semi-conducteur ont été fabriquées et étudiées par des mesures capacité tension C(V) et courant tension I(V). L'oxyde d'aluminium a été déposé en utilisant un dépôt par couche atomique (Atomic Layer Deposition : ALD) à basse température sur une surface oxygénée de diamant. Les mesures C(V) démontrent que les régimes d'accumulation , de déplétion et de déplétion profonde peuvent être contrôlés grâce à la tension de polarisation appliquée sur la grille. Un diagramme de bande est proposée et discutée pour expliquer le courant de fuite étonnamment élevé circulant en régime d’accumulation. Aucune amélioration significative de la mobilité n’a été observée dans les structures delta, même pour les plus fines d’entre elles (2 nm). Cependant, la démonstration du contrôle de l’état du canal de la structure MOS ouvre la voie pour la fabrication d’un MOSFET en diamant, même si un certain nombre de verrous technologiques subsistent. / As the demand in high power and high frequency electronics is still growing, standard semiconductors show their limits. Approaches based either on new archi- tectures or wide band gap materials should allow to overcome these limits. Diamond, with its outstanding properties, seems to be the ultimate semiconductor. Neverthe- less, it also suffers from limitations, especially the high ionization energy of the boron p-type dopant that results in a low carrier concentration at room temperature. In- novative solutions relying on 2D gas or/and field effect ionization has been imagined to overcome this problem. This work is focused on two of these solutions: i) boron delta-doping consisting in highly doped layer between two intrinsic layers, resulting in a conduction combining a high mobility with a large carrier concentration and ii) metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET) where the conducting or insulating behavior of the channel is based on the electrostatic control of the band curvature at the oxide/semiconducting diamond interface. For both structures, a lot of technological challenges need to be surmounted before fabricating the related transistor. On one hand, the temperature dependence of the hole sheet density and mobility of several nano-metric scaled delta boron doped has been investigated experimentally and theoretically over a large temperature range (6 K <T< 500 K). Two types of conduction behaviors were detected : metallic and non metallic. A constant mobility between 2 and 4 cm2/V.s was found for all the metallic degenerated delta layers whatever its thickness or the substrate used for the growth. This particular value is discussed in comparison of other experimental values reported in literature and theoretical calculations. A parallel conduction through the low doped regions, in which the delta is embedded, has also been brought to light in certain cases. A very low mobility was measured for non metallic conduction delta layers and has been attributed to an hopping conduction mechanism which is discussed. On the other hand, metal-oxide-semiconductor structures with aluminum oxide as insulator and p−type (100) mono-crystalline diamond as semiconductor have been fabricated and investigated by capacitance versus voltage C(V) and current versus voltage I(V) measurements. The aluminum oxide dielectric was deposited using low temperature atomic layer deposition on an oxygenated diamond surface. The C(V) measurements demonstrate that accumulation, depletion and deep depletion regimes can be controlled by the bias voltage. A band diagram is proposed and discussed to explain the surprisingly high leakage current flowing in accumulation regimes. To sum up, no significant improvement of mobility has been observed in delta structures even for the thinnest one (2 nm). However, the MOS channel control demonstration opens the route for diamond MOSFET even if technological chal- lenges remain.

Les appareils de haute technologie (ordinateurs, télévisions, téléphones, …) sont fabriqués à partir de composants relativement simples (transistors, diiodes électroluminescentes, …) qui utilisent du silicium comme semiconducteur. En électronique moléculaire, les composés organiques π- conjugués qui ont un écart HOMO-LUMO faible peuvent présenter cette propriété. Dans le cadre de ce travail, nous avons étudié la synthèse de nouveaux semiconducteurs organiques parpolymérisation par métathèse d’alcynes. Pour cela, des composés de type dialcynylaromatique ont été préparés. Leur étude en polymérisation ainsi que leurs propriétés électroniques ont été réalisées dans des laboratoires collaborateurs d’un projet ANR (CADISCOM). Dans une seconde partie, indépendante de la première, les couplages croisés catalysés par le palladium sont d’une importance capitale dans la chimie organique de synthèse actuelle. De nombreux travaux ont été menés sur le partenaire organométallique de la réaction, mais très peu en ce qui concerne le partenaire électrophile. Lors de ce travail, nous avons élaboré un nouveau groupe partant à partir de précurseurs très peu onéreux que nous avons pu appliquer dans les quatre "grands couplages" les plus utilisés (Suzuki, Stille, Sonogashira et Heck). / High-technology devices (computers, TV, mobile phones, …) are manufactured from simple components (transistors, LED, …) which use silicium as semiconductor. In organic electronics, π- conjugated organic compounds with low HOMO-LUMO gap can show this property. This work is dealing with the synthesis of new organic semiconductors via alkyne metathesis polymerization.Dialkynyl compounds were synthetized. Their polymerization studies as well as electronic characterization were conducted by collaborating groups in an ANR project (CADISCOM). In an independent second part, palladium-catalyzed cross-coupling are of great importance in actual organic synthesis. Many studies have been focused on the organometallic partner of the reaction,but the electrophilic partner have received much less attention. In this work, we developed a new leaving group from cheap precursors that we applied in the four most well-known couplings (Suzuki, Stille, Sonogashira, Heck).

L'objectif de cette thèse était de démontrer les potentialités de l'impression à jet d'encre pour le pilotage d'une HLED contenant des clusters métalliques phosphorescents dans le rouges, par des transistors organiques à effet de champs. Pour atteindre ce but, le projet a été divisé en deux parties : I) La fabrication et l'optimisation de transistors organiques de type n par photolithographie puis le transfert technologique vers l'impression à jet d'encre. II) Parallèlement au développement des transistors, je me suis attaché à la conception de matériaux hybrides luminescents pour la réalisation d'HLED. Pour la partie transistor, nous avons obtenu une meilleure compréhension des facteurs influençant l'injection de charges mais aussi la stabilité électrique pour un transistor de géométrie grille basse/contacts bas avec le fullerène C60 évaporé. Nous avons démontré que la résistance de contact est d'une part gouvernée par la morphologie du SCO au niveau des électrodes et d'autre part indépendante du travail de sortie du métal. En outre, nous avons vu que la stabilité électrique des transistors est fortement impactée par la nature du contact source et drain. L'optimisation des transistors fabriqués par photolithographie, qui a essentiellement consisté à modifier les interfaces, nous a permis de développer des transistors de type n performants avec des mobilités à effet de champ saturées allant jusqu'à 1,5 cm2/V.s pour une température maximum de procédé de 115 °C. Le transfert vers un transistor fabriqué par impression à jet d'encre a ensuite été effectué. Nous avons ensuite démontré que les morphologies de l'électrode de grille et de l'isolant, fabriqués par impression à jet d'encre, ont un impact négligeable sur les performances des transistors. Pour notre structure imprimée, l'injection de charges aux électrodes S/D est en fait le facteur clé pour la réalisation de transistors performants. Finalement, des matériaux phosphorescents rouges à base de cluster métalliques octaédrique de molybdène ont été développés. Le copolymère hybride résultant présentait un rendement quantique de photoluminescence de 51 %. La réalisation de l'HLED a ensuite été effectuée par combinaison d'une LED bleue commercial et du copolymère dopé avec des clusters octaédriques de molybdène pour des applications possibles en biologie ou dans l'éclairage. / The objective of this thesis was to demonstrate the potentialities of inkjet printing for driving an HLED containing red phosphorescent metallic clusters, with organic field effect transistors. To achieve this goal, the project was divided into two parts: I) The fabrication and optimization of n-type organic transistors by photolithography and then transfer to inkjet printing. II) Parallel to the development of transistors, I focused on designing luminescent hybrid materials for HLED realization. Concerning transistors, we obtained a better understanding of the factors influencing the charge injection but also the electrical stability for bottom gate/ bottom contact geometry transistor with evaporated C60 semiconductor. We have demonstrated that the contact resistance is on the one hand governed by the morphology of the SCO at the electrodes and on the other hand independent of the metal work function. In addition, we have observed that transistors electrical stability of is strongly impacted by the source and drain contact nature. The optimization of photolithography transistors, which essentially consisted of modifying the interfaces, allowed us to develop efficient n-type transistors with saturated field effect mobilities of up to 1.5 cm2/V.s for a maximal process temperature of 115 °C. The technological transfer to inkjet printed transistors was then performed. We then demonstrated that gate electrode and insulator morphologies deposited by inkjet printing, have a negligible impact on transistors performances. For our printed structure, charges injection at the S/D electrodes is in fact the key factor for high performance transistors realization. Finally, red phosphorescent materials based on molybdenum octahedral metal cluster have been developed. The resulting hybrid copolymer showed photoluminescence quantum yield up to 51%. The realization of the HLED was then carried out by combining a commercial blue LED and the copolymer doped with octahedral molybdenum clusters for possible applications in biology or lighting.

Le développement de la technologie CMOS a déclenché une révolution dans la production IC. Chaque nouvelle génération technologique, par la mise à l’échelle des dimensions, a entraîné une accélération de son fonctionnement et une réduction de sa consommation. Cependant, la miniaturisation sera contrainte par les limites physiques fondamentales régissant la commutation des dispositifs CMOS dès lors que la technologie atteint des dimensions inférieures à 10 nm. Les chercheurs veulent trouver d'autres moyens de dépasser ces limites physiques. La spintronique est l’un des concepts les plus prometteurs pour de nouvelles applications de circuits intégrés sans courant de charge. La STT-MRAM est l’une des technologies de mémoires fondée sur la spintronique qui entre avec succès en phase de production de masse. Les opérateurs logiques à base de spin, associés aux métiers, doivent être maintenant étudiés. Notre recherche porte sur le domaine des transistors à effet de champ de spin (spin-FET), l'un des dispositifs logiques fondamentaux à base de spin. Le mécanisme principal pour réaliser un spin-FET consiste à contrôler le spin des électrons, ce qui permet d'atteindre l'objectif de réduction de puissance. De plus, en tant que dispositifs à spin, les spin-FET peuvent facilement être combinés à des éléments de stockage magnétique, tels que la jonction tunnel magnétique (MTJ), pour développer une architecture à «logique non volatile» offrant des performances de hautes vitesses et de faible consommation. La thèse présentée ici consiste à développer un modèle compact de spin-FET et à explorer les possibilités de son application pour la conception logique et la simulation logique non volatile. Tout d'abord, nous avons proposé un modèle à géométrie non locale pour spin-FET afin de décrire les comportements des électrons, tels que l'injection et la détection de spin, le décalage de phase d'angle de spin induit par l'interaction spin-orbite. Nous avons programmé un modèle spin-FET non local à l'aide du langage Verilog-A et l'avons validé en comparant la simulation aux résultats expérimentaux. Afin de développer un modèle électrique pour la conception et la simulation de circuits, nous avons proposé un modèle de géométrie local pour spin-FET basé sur le modèle non-local spin-FET. Le modèle de spin-FET local étudié peut être utilisé pour la conception logique et la simulation transitoire à l'aide d'outil de conception de circuit. Deuxièmement, nous avons proposé un modèle spin-FET à plusieurs grilles en améliorant le modèle susmentionné. Afin d'améliorer les performances du spin-FET, nous avons mis en cascade le canal en utilisant une structure d'injection / détection de spin partagée. En concevant différentes longueurs de canal, le spin-FET à plusieurs grilles peut agir comme différentes portes logiques. Les performances de ces portes logiques sont analysées par rapport à la logique CMOS conventionnelle. En utilisant les portes logiques multi-grille à spin-FET, nous avons conçu et simulé un certain nombre de blocs logiques booléens. La fonctionnalité des blocs logiques est démontrée par le résultat de simulations transitoires à l'aide du modèle spin-FET à plusieurs grilles. Enfin, en combinant le modèle spin-FET et le modèle multi-grille spin-FET avec le modèle d'élément de stockage MTJ, les portes à «logique non volatile» sont proposées. Comme le seul signal de pur spin peut atteindre le côté détection du spin-FET, la MTJ reçoit un courant de pur spin pour le transfert de spin. Dans ce cas, la commutation de la MTJ peut être plus efficace par rapport à la structure conventionnelle MTJ / CMOS. La comparaison des performances entre la structure hybride MTJ / spin-FET et la structure hybride MTJ / CMOS est démontrée par un calcul de retard et de courant critique qui est dérivé de l'équation de Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG). La simulation transitoire valide le fonctionnement de la logique non volatile basée sur MTJ / spin-FET. / The development of Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) technology drives the revolution of the integrate circuits (IC) production. Each new CMOS technology generation is aimed at the fast and low-power operation which mostly benefits from the scaling with its dimensions. However, the scaling will be influenced by some fundamental physical limits of device switching since the CMOS technology steps into sub-10 nm generation. Researchers want to find other ways for addressing the physical limitation problem. Spintronics is one of the most promising fields for the concept of non-charge-based new IC applications. The spin-transfer torque magnetic random access memory (STT-MRAM) is one of the successful spintronics-based memory devices which is coming into the volume production stage. The related spin-based logic devices still need to be investigated. Our research is on the field of the spin field effect transistors (spin-FET), one of the fundamental spin-based logic devices. The main mechanism for realizing a spin-FET is controlling the spin of the electrons which can achieve the objective of power reduction. Moreover, as spin-based devices, the spin-FET can easily combine with spin-based storage elements such as magnetic tunnel junction (MTJ) to construct the “non-volatile logic” architecture with high-speed and low-power performance. Our focus in this thesis is to develop the compact model for spin-FET and to explore its application on logic design and non-volatile logic simulation. Firstly, we proposed the non-local geometry model for spin-FET to describe the behaviors of the electrons such as spin injection and detection, the spin angle phase shift induced by spin-orbit interaction. We programmed the non-local spin-FET model using Verilog-A language and validated it by comparing the simulation with the experimental result. In order to develop an electrical model for circuit design and simulation, we proposed the local geometry model for spin-FET based on the non-local spin-FET model. The investigated local spin-FET model can be used for logic design and transient simulation on the circuit design tool. Secondly, we proposed the multi-gate spin-FET model by improving the aforementioned model. In order to enhance the performance of the spin-FET, we cascaded the channel using a shared spin injection/detection structure. By designing different channel length, the multi-gate spin-FET can act as different logic gates. The performance of these logic gates is analyzed comparing with the conventional CMOS logic. Using the multi-gate spin-FET-based logic gates, we designed and simulated a number of the Boolean logic block. The logic block is demonstrated by the transient simulation result using the multi-gate spin-FET model. Finally, combing the spin-FET model and multi-gate spin-FET model with the storage element MTJ model, the “non-volatile logic” gates are proposed. Since the only pure spin signal can reach to the detection side of the spin-FET, the MTJ receives pure spin current for the spin transfer. In this case, the switching of the MTJ can be more effective compared with the conventional MTJ/CMOS structure. The performance comparison between hybrid MTJ/spin-FET structure and hybrid MTJ/CMOS structure are demonstrated by delay and critical current calculation which are derived from Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) equation. The transient simulation verifies the function of the MTJ/spin-FET based non-volatile logic.

Cette thèse porte sur l’étude du transport de charge et de spin dans les nanostructures 0D, 2D et les hétérostructures 2D-0D de Van der Waals (h-VdW). Les nanocristaux pérovskite de La0.67Sr0.33MnO3 ont révélé des magnétorésistances (MR) exceptionnelles à basse température résultant de l’aimantation de leur coquille indépendamment du coeur ferromagnétique. Les transistors à effet de champ à base de MoSe2 ont permis d’élucider les mécanismes d’injection de charge à l’interface metal/semiconducteur 2D. Une méthode de fabrication des h-VdW adaptés à l’électronique à un électron est rapportée et basée sur la croissance d’amas d’Al auto-organisés à la surface du graphene et du MoS2. La transparence des matériaux 2D au champ électrique permet de moduler efficacement l’état électrique des amas par la tension de grille arrière donnant lieu aux fonctionnalités de logique à un électron. Les dispositifs à base de graphene présentent des MR attribuées aux effets magnéto-Coulomb anisotropiques. / This thesis investigates the charge and spin transport processes in 0D, 2D nanostructures and 2D-0D Van der Waals heterostructures (VdWh). The La0.67Sr0.33MnO3 perovskite nanocrystals reveal exceptional magnetoresistances (MR) at low temperature driven by their paramagnetic shell magnetization independently of their ferromagnetic core. A detailed study of MoSe2 field effect transistors enables to elucidate a complete map of the charge injection mechanisms at the metal/MoSe2 interface. An alternative approach is reported for fabricating 2D-0D VdWh suitable for single electron electronics involving the growth of self-assembled Al nanoclusters over the graphene and MoS2 surfaces. The transparency the 2D materials to the vertical electric field enables efficient modulation of the electric state of the supported Al clusters resulting to single electron logic functionalities. The devices consisting of graphene exhibit MR attributed to the magneto-Coulomb effect.