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Optical metasurfaces are optical components composed of a set of nanostructures that interact strongly with light, thus considerably modifying its properties over a thickness smaller than the wavelength. They offer the advantage of creating flat, lightweight optics that can also combine several functionalities (wavefront modulation and polarization control for example). Moreover, they represent a very active field of research because of their high potential. We describe here our work concerning the design, fabrication and characterization of optical metasurfaces. In the first chapter, after an introduction on the history of metasurfaces, we present the simulation tools GDM (Green Dyadic Method) and FDTD (Finite Difference Time Domain), which allow the simulation of the optical response of nanostructures. In the second chapter, the design method used is presented. It involves the creation of a database of optical responses of various nanostructures, obtained by FDTD simulations. Then, we present the fabrication process used, involving structuring by electron beam lithography. We also introduce the measurement tools used to characterize the fabricated components. In the third chapter, we detail the design, the fabrication and the characterization of a metasurface acting as a light deflector for the 750 nm wavelength. This metasurface is composed of silicon nanodiscs of height 370 nm and diameters varying from 114 nm to 208 nm. These nanodiscs are arranged on a periodic grid of 300 nm pitch. Then, we focus on identifying the origin of the differences between the measured performances and those predicted by the simulations. Thus, we study the impact of possible nanofabrication errors on the optical performances of metasurfaces based on the meta-deflector that we had fabricated. First, TEM observations allow us to characterize precisely the fabricated nanostructures and to compare them with the theoretical design. We then study the impact of these differences on the optical performances of the fabricated meta-deflector by means of numerical simulations. We study the case where the errors are systematic (i.e., identically applied to all structures) and statistical. From these studies, we conclude that some imperfections, related to the lateral shape of the structures (diameter, slope of the sides, oxide layer on the sides) are very impacting while others seem negligible (height, oxide layer above). In the fourth chapter, we use an optical characterization method based on phase imaging called ptychography. This method consists of a digital processing of a large number of diffraction images, acquired following the illumination of different portions of an object to be imaged. First, a history of the method and its operating principle are presented. Then, we describe the experimental bench used while justifying how to optimize the final resolution of reconstruction. Finally, we show the efficiency of the method by characterizing two metasurfaces, including a metalens for which we extract the phase profile in order to evaluate its performance. Finally, in the fifth and last chapter, we present a new approach for the design of metasurfaces using ptychography. [...]; Les métasurfaces optiques sont des composants optiques composées d'un ensemble de nanostructures qui interagissent fortement avec la lumière, modifiant ainsi considérablement ses propriétés sur une épaisseur sub-longueur d'onde. Elles permettent de créer des optiques planes, légères et pouvant combiner plusieurs fonctionnalités (modulation du front d'onde et contrôle de la polarisation par exemple). Nous décrivons ici les travaux concernant la conception, la fabrication et la caractérisation de métasurfaces optiques. Dans le premier chapitre, après une introduction sur l'historique des métasurfaces, nous présentons les outils de simulation GDM (Green Dyadic Method) et FDTD (Finite Difference Time Domain), permettant la simulation de la réponse optique de nanostructures. Dans le second chapitre est d'abord présentée la méthode de design utilisée. Celle-ci implique la création d'une base de données des réponses optiques de nanostructures diverses, obtenues par simulations FDTD. Ensuite, nous présentons le processus de fabrication utilisé, faisant intervenir une structuration par lithographie électronique. Nous introduisons également les outils de mesures utilisés pour caractériser les composants fabriqués. Dans le troisième chapitre, nous détaillons le design, la fabrication et la caractérisation d'une métasurface faisant office de déflecteur de lumière pour la longueur d'onde 750 nm. Cette métasurface est composée de nanodisques de silicium de hauteur 370 nm et de diamètres variant de 114 nm à 208 nm, répartis sur une grille périodique de pas 300 nm. Puis, nous identifions l'origine des différences entre les performances mesurées et celles prédites par les simulations. Dans un premier temps, des observations TEM nous permettent de caractériser précisément les nanostructures fabriquées et de les comparer aux designs théoriques. Nous étudions ainsi l'impact de ces différences sur les performances optiques du métadéflecteur fabriqué au moyen de simulations numériques. Nous considérons les erreurs systématiques (cad identiquement appliquées à toutes les structures) et statistiques. De ces études, nous en concluons que certaines imprécisions, associées à la forme latérale des structures (diamètre, pente des flancs, couche d'oxyde sur les flancs) sont très impactantes alors que d'autres semblent négligeables (hauteur, couche d'oxyde au-dessus). Dans le quatrième chapitre, nous utilisons une méthode de caractérisation optique basée sur une imagerie de phase : la ptychographie. Cette méthode consiste en un traitement numérique d'un grand nombre de clichés de diffractions, acquis suite à l'éclairement de différentes portions d'un objet à imager. Tout d'abord, un historique de la méthode ainsi que son principe de fonctionnement sont présentés. Ensuite, nous décrivons le banc expérimental utilisé tout en justifiant comment optimiser la résolution finale de reconstruction. Enfin, nous montrons l'efficacité de la méthode par la caractérisation de deux métasurfaces, dont une métalentille pour laquelle nous extrayons le profil de phase afin d'en évaluer les performances. Finalement, dans le cinquième et dernier chapitre, nous présentons une nouvelle approche pour la conception de métasurfaces.[...]

In this thesis, we use molecular simulation tools to characterize the thermodynamic properties of fluids confined in nanometric solids. While at the macroscopic scale, the free energy of fluids in contact with a solid is described by pressures and surface tensions, respectively free energies per unit volume and per unit area, at the molecular scale, additional parameters are needed. One of them is the free energy per unit length of the triple line, the line tension. Its values and the methodologies used to measure it are controversial.The thermodynamics of interfaces and lines can be theoretically studied with molecular simulation tools. To extract the surface and line tensions from a simulated molecular trajectory, various statistical methodologies are available. In particular, we here use the mechanical methodology, which consists in measuring the stresses related to the quasistatic spreading of a fluid on a solid.In the first part, we study the microscopic expression of wetting stresses at a planar solid-fuid interface. When a laterally homogeneous solid is considered, the virial theorem applied to an infinite fluid film without consideration of the limit between wet and dry surfaces provides the forces related to the film extension on a dry solid. In the case of a laterally heterogeneous solid, this methodology neglects forces that are concentrated at the triple line. By comparing the surface tensions measured with different methodologies, we show that the neglected terms may induce important errors in the case of rough surfaces.In the second part, we focus on laterally homogeneous solids. We develop a methodology to measure the free energy and the line tension of a confined fluid-fluid interface using fluid mechanical stresses. We simulate Van der Waals fluids and water in liquid-vapor equilibrium confined in different solids. The concept of line tension appears robust down to confinements of a few molecular diameters, and its value consistent with various theoretical approaches, thus solving paradoxical results from the literature.In the last part, we apply the mechanical methodology to study the equilibrium of two fluid species in confinement, one liquid and the other gaseous. We simulate Van der Waals solvents and solutes, and water with carbon dioxide. Various adsorptions at the surfaces and the triple line are observed, strongly impacting the free energy of the confined liquid-gas interface. Finally the adsorption-induced variation of the line tension can be modelled by a unidimensional equivalent of the Gibbs isotherm.; Dans cette thèse, nous utilisons des outils de simulation moléculaire pour caractériser les propriétés thermodynamiques de fluides confinés dans des matrices solides nanométriques. Alors qu'à l’échelle macroscopique, les énergies libres de fluides au contact de solides sont décrites par des pressions et des tensions de surface qui sont respectivement des énergies libres volumiques et surfaciques, à l’échelle moléculaire plusieurs paramètres additionnels doivent être considérés. Parmi eux, l'énergie libre de la ligne triple séparant trois phases, la tension de ligne. Les valeurs de la tension de ligne ainsi que les méthodologies permettant de la mesurer sont débattues.Les outils de simulation moléculaire permettent d'étudier théoriquement la thermodynamique des surfaces et des lignes. Plusieurs méthodologies statistiques peuvent être mises en œuvre pour extraire les tensions de surface et de ligne à partir d’une trajectoire moléculaire simulée. Nous nous intéressons en particulier à la méthodologie mécanique, qui consiste à mesurer les contraintes relatives à l’étalement quasi-statique d’un fluide sur un solide.Dans une première partie, nous étudions les expressions microscopiques des contraintes de mouillage à une interface solide-fluide plane. Dans le cas d’un solide latéralement homogène, l'application du théorème du viriel à un film liquide infini sans considération de la région séparant les surfaces mouillées et sèches permet de mesurer les forces relatives à l'extension du film sur un solide sec. Lorsque des hétérogénéités sont présentes à la surface du solide, cette méthodologie néglige des forces concentrées dans la région de la ligne triple. La comparaison de différentes méthodologies de mesure des tensions de surface indique que les termes ainsi négligés sont potentiellement importants dans le cas d'une forte rugosité.Dans une deuxième partie, nous nous concentrons sur des solides sans hétérogénéité tangentielle. Nous développons une méthodologie de mesure de l’énergie libre d’une interface fluide-fluide confinée et de sa tension de ligne qui s’appuie sur la considération des différentes contraintes fluides. Nous simulons des fluides de Van der Waals et de l’eau en équilibre liquide-vapeur, confinés dans des solides de différentes natures. Nous montrons que le concept de tension de ligne est robuste jusqu’à des confinements de quelques diamètres moléculaires. Les valeurs de tension de ligne mesurées sont cohérentes avec différentes approches théoriques, résolvant certains résultats paradoxaux de la littérature.Dans une troisième partie, nous appliquons la méthodologie mécanique à l’étude d’un mélange liquide-gaz confiné. Nous simulons des solvants et des solutés de Van der Waals ainsi que de l’eau avec du dioxyde de carbone. Différentes adsorptions sont observées, relatives aux surfaces mais également à la ligne triple. L’énergie libre de l’interface confinée s’en trouve fortement impactée. L'effet de l’adsorption sur la tension de ligne peut être modélisé par un équivalent linéique de l’équation d’adsorption de Gibbs surfacique.

In this thesis, we use molecular simulation tools to characterize the thermodynamic properties of fluids confined in nanometric solids. While at the macroscopic scale, the free energy of fluids in contact with a solid is described by pressures and surface tensions, respectively free energies per unit volume and per unit area, at the molecular scale, additional parameters are needed. One of them is the free energy per unit length of the triple line, the line tension. Its values and the methodologies used to measure it are controversial.The thermodynamics of interfaces and lines can be theoretically studied with molecular simulation tools. To extract the surface and line tensions from a simulated molecular trajectory, various statistical methodologies are available. In particular, we here use the mechanical methodology, which consists in measuring the stresses related to the quasistatic spreading of a fluid on a solid.In the first part, we study the microscopic expression of wetting stresses at a planar solid-fuid interface. When a laterally homogeneous solid is considered, the virial theorem applied to an infinite fluid film without consideration of the limit between wet and dry surfaces provides the forces related to the film extension on a dry solid. In the case of a laterally heterogeneous solid, this methodology neglects forces that are concentrated at the triple line. By comparing the surface tensions measured with different methodologies, we show that the neglected terms may induce important errors in the case of rough surfaces.In the second part, we focus on laterally homogeneous solids. We develop a methodology to measure the free energy and the line tension of a confined fluid-fluid interface using fluid mechanical stresses. We simulate Van der Waals fluids and water in liquid-vapor equilibrium confined in different solids. The concept of line tension appears robust down to confinements of a few molecular diameters, and its value consistent with various theoretical approaches, thus solving paradoxical results from the literature.In the last part, we apply the mechanical methodology to study the equilibrium of two fluid species in confinement, one liquid and the other gaseous. We simulate Van der Waals solvents and solutes, and water with carbon dioxide. Various adsorptions at the surfaces and the triple line are observed, strongly impacting the free energy of the confined liquid-gas interface. Finally the adsorption-induced variation of the line tension can be modelled by a unidimensional equivalent of the Gibbs isotherm., Dans cette thèse, nous utilisons des outils de simulation moléculaire pour caractériser les propriétés thermodynamiques de fluides confinés dans des matrices solides nanométriques. Alors qu'à l’échelle macroscopique, les énergies libres de fluides au contact de solides sont décrites par des pressions et des tensions de surface qui sont respectivement des énergies libres volumiques et surfaciques, à l’échelle moléculaire plusieurs paramètres additionnels doivent être considérés. Parmi eux, l'énergie libre de la ligne triple séparant trois phases, la tension de ligne. Les valeurs de la tension de ligne ainsi que les méthodologies permettant de la mesurer sont débattues.Les outils de simulation moléculaire permettent d'étudier théoriquement la thermodynamique des surfaces et des lignes. Plusieurs méthodologies statistiques peuvent être mises en œuvre pour extraire les tensions de surface et de ligne à partir d’une trajectoire moléculaire simulée. Nous nous intéressons en particulier à la méthodologie mécanique, qui consiste à mesurer les contraintes relatives à l’étalement quasi-statique d’un fluide sur un solide.Dans une première partie, nous étudions les expressions microscopiques des contraintes de mouillage à une interface solide-fluide plane. Dans le cas d’un solide latéralement homogène, l'application du théorème du viriel à un film liquide infini sans considération de la région séparant les surfaces mouillées et sèches permet de mesurer les forces relatives à l'extension du film sur un solide sec. Lorsque des hétérogénéités sont présentes à la surface du solide, cette méthodologie néglige des forces concentrées dans la région de la ligne triple. La comparaison de différentes méthodologies de mesure des tensions de surface indique que les termes ainsi négligés sont potentiellement importants dans le cas d'une forte rugosité.Dans une deuxième partie, nous nous concentrons sur des solides sans hétérogénéité tangentielle. Nous développons une méthodologie de mesure de l’énergie libre d’une interface fluide-fluide confinée et de sa tension de ligne qui s’appuie sur la considération des différentes contraintes fluides. Nous simulons des fluides de Van der Waals et de l’eau en équilibre liquide-vapeur, confinés dans des solides de différentes natures. Nous montrons que le concept de tension de ligne est robuste jusqu’à des confinements de quelques diamètres moléculaires. Les valeurs de tension de ligne mesurées sont cohérentes avec différentes approches théoriques, résolvant certains résultats paradoxaux de la littérature.Dans une troisième partie, nous appliquons la méthodologie mécanique à l’étude d’un mélange liquide-gaz confiné. Nous simulons des solvants et des solutés de Van der Waals ainsi que de l’eau avec du dioxyde de carbone. Différentes adsorptions sont observées, relatives aux surfaces mais également à la ligne triple. L’énergie libre de l’interface confinée s’en trouve fortement impactée. L'effet de l’adsorption sur la tension de ligne peut être modélisé par un équivalent linéique de l’équation d’adsorption de Gibbs surfacique.

The epitaxial growth condition and the superconducting properties of nanostructured devices made of rhenium (superconducting below T=1.7 K) on sapphire were explored. Epitaxial growth of rhenium thin films onto a single crystal α-Al2O3(001) substrate was realised using molecular beam epitaxy. The cleanness of the substrate was verified using XPS, and the growth of rhenium was monitored using RHEED. The orientations of the two crystals are (0001)Al2O3//(0001)Re and Al2O3//Re, which was confirmed using X-ray diffraction. The in-plane misfit between the lattices is -0.43% at room temperature, which allows us to estimate the critical thickness of rhenium to be between 10 nm and 15 nm.For deposition, rhenium was heated using an electron beam. Substrates were heated during growth using either a Joule-heated W filament located behind the sample or electron bombardment. Generally deposition temperatures of 800◦C and 900◦C gave reproducible results.The effect of deposition temperature was studied on samples that had the same thickness but were deposited at different temperatures. Three thickness groups were selected: 25 nm, 50 nm and 100 nm. Every sample was dominated by the (001) epitaxial orientation. Orientations (110), (100), (101) were present, but their intensities were small and decreased with increasing deposition temperature. AFM imaging was used to observe the morphology of the films. The 25 nm thick films were decorated with grains. The diameter of the grains (∼ 50 nm) did not vary significantly on the 25 nm thick sample, however, they became more uniform with increasing deposition temperature, and the surface became smoother. On the 50 nm and 100 nm thick films spirals and holes can be observed. Diameter of spirals on the 50 nm thick film increased from 100 nm to 500 nm when the temperature of the deposition was increased from 800◦C to 900◦C. XRD rocking curves measured on all samples got narrower with increasing deposition temperatures, indicating lower mosaicity of the (001) crystals. High-resolution θ-2θ scans evidenced a disorder in the 50 nm thick film, corresponding to strain values in the range of 0.01. Deposition temperature of 1000◦C lead to the dewetting of a 50 nm thick sample, islands with atomically flat surfaces were formed.The frequently observed spirals are most likely the result of screw dislocations. The origin of the holes that accompany the spirals is a dewetting process that starts when the thickness of the film reaches ~10 nm. We quantified the temperature evolution of the film during growth taking into account emission, reflection and transmission between all surfaces. This thermal model confirmed that the temperature of the film increases as the thickness of the rhenium film grows. The dewetting was studied using Mullins’ theory of thermal grooving. A surface diffusion coefficient of 4E−12 cm2/s was obtained, which is consistent with the observed dimensions of the surface topography.Wires with widths ranging from 100 nm to 3 μm and SQUIDs were fabricated from the rhenium films. Transport measurements confirmed that the lithography process does not affect the superconducting properties of rhenium. Critical temperatures between 1.43 K and 1.96 K were measured. We could correlate the superconducting transition temperature with the topography and the crystallinity of the films. Mean free path of electrons, and the superconducting coherence length were obtained, for two of the films both mean free path and effective coherence length were over 100 nm. These two films were in the clean limit, but the fabricated wires were in the dirty limit.On one film SQUIDs of 1 um diameter with 50 nm and 20 nm wide nanobridges acting as Josephson junctions were fabricated. The SQUIDs were cooled down using a dilution refrigerator. Critical current oscillations were measured. The flux noise values obtained were as low as 2.6E−5 Φ0/Hz1/2.; L'auteur n'a pas fourni de résumé en français

In the recent years, silicon has emerged as a promising host material for spin qubits. Thanks to its widespread use in modern microelectronics, silicon technology has seen a tremendous development. Realizing qubit devices using well-established complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) fabrication technology would clearly favor their large scale integration.In this thesis we present a detailed study on CMOS devices in a perspective of qubit operability.In particular we tackled the problems of charge and spin confinement in quantum dots, spin manipulation and charge and spin readout.We explored the different charge and spin confinement capabilities of samples with different sizes and geometries. Ultrascaled MOSFETs show Coulomb blockade up to room temperature with charging energies up to 200meV. Multigate devices with larger geometrical dimensions have been used to confine spins and read their states through spin-blockade as a way to perform spin to charge conversion.Spin manipulation is achieved by means of Electron Dipole induced Spin Resonance (EDSR). The two lowest valleys of silicon's conduction band originate as intra and inter-valley spin transitions; we probe a valley splitting of 36μeV. The origin of this spin resonance is explained as an effect of the specific geometry of the sample combined with valley physics and Rashba spin-orbit interaction. Signatures of coherent Rabi oscillations have been measured, with a Rabi frequency of 6MHz. We also discuss fast charge and spin readout performed by dispersive gate-coupled reflectometry. We show how to use it to recover the complete charge stability diagram of the device and the expected signal for an isolated double dot system. Finite bias changes the response of the system and we used it to probe excited states and their dynamics.; Au cours des dernières années le silicium est apparu comme un matériau hôte prometteur pour les qubits de spin. Grâce à la microélectronique moderne, la technologie du silicium a connu un formidable développement. Réaliser des qubits utilisant la technologie bien établie de fabrication CMOS de semi-conducteurs favoriserait clairement leur intégration à grande échelle.Dans cette thèse nous présentons les travaux effectués dans une perspective des qubits CMOS. En particulier, nous avons abordé les problèmes de confinement des charges et des spins dans les boîtes quantiques, la manipulation des spins et la lecture des charges et des spins.Nous avons exploré les différentes propriétés de confinement de charge et de spin dans des échantillons de tailles et de géométries différentes. Les MOSFETs de taille extrêmement réduites montrent du blocage de Coulomb jusqu'à température ambiante, avec des énergies de charges jusqu'à 200meV. Les dispositifs multi-grilles avec des dimensions géométriques plus grandes ont été utilisés pour confiner les spins et lire leur état par blocage de spin, en réalisant ainsi une conversion spin / charge.La manipulation des spins est réalisée au moyen d'un dipôle électronique induisant la résonance de spin (EDSR). Les deux plus basses vallées de la bande de conduction du silicium sont visibles sous forme de transitions de spin intra et inter-vallées. Nous observons une levée de dégénérescence de vallée d'amplitude 36μeV. La résonance de spin que l'on observe résulte de la géométrie spécifique de l'échantillon, de la physique des vallées et de l'interaction spin-orbite de type Rashba. Des signatures de manipulation cohérente, sous forme d'oscillations de Rabi, ont été mesurées, avec une fréquence de Rabi de 6MHz. Nous discutons également de la lecture rapide des charges et des spins effectuée par réflectométrie dispersive couplée à la grille. Nous montrons comment l'utiliser pour reconstruire le diagramme de stabilité de charge du dispositif et le signal attendu pour un système à double boîte isolé. La tension de polarisation finie modifie la réponse du système et nous l'avons utilisée pour sonder les états excités et leur dynamique.

The epitaxial growth condition and the superconducting properties of nanostructured devices made of rhenium (superconducting below T=1.7 K) on sapphire were explored. Epitaxial growth of rhenium thin films onto a single crystal α-Al2O3(001) substrate was realised using molecular beam epitaxy. The cleanness of the substrate was verified using XPS, and the growth of rhenium was monitored using RHEED. The orientations of the two crystals are (0001)Al2O3//(0001)Re and Al2O3//Re, which was confirmed using X-ray diffraction. The in-plane misfit between the lattices is -0.43% at room temperature, which allows us to estimate the critical thickness of rhenium to be between 10 nm and 15 nm.For deposition, rhenium was heated using an electron beam. Substrates were heated during growth using either a Joule-heated W filament located behind the sample or electron bombardment. Generally deposition temperatures of 800◦C and 900◦C gave reproducible results.The effect of deposition temperature was studied on samples that had the same thickness but were deposited at different temperatures. Three thickness groups were selected: 25 nm, 50 nm and 100 nm. Every sample was dominated by the (001) epitaxial orientation. Orientations (110), (100), (101) were present, but their intensities were small and decreased with increasing deposition temperature. AFM imaging was used to observe the morphology of the films. The 25 nm thick films were decorated with grains. The diameter of the grains (∼ 50 nm) did not vary significantly on the 25 nm thick sample, however, they became more uniform with increasing deposition temperature, and the surface became smoother. On the 50 nm and 100 nm thick films spirals and holes can be observed. Diameter of spirals on the 50 nm thick film increased from 100 nm to 500 nm when the temperature of the deposition was increased from 800◦C to 900◦C. XRD rocking curves measured on all samples got narrower with increasing deposition temperatures, indicating lower mosaicity of the (001) crystals. High-resolution θ-2θ scans evidenced a disorder in the 50 nm thick film, corresponding to strain values in the range of 0.01. Deposition temperature of 1000◦C lead to the dewetting of a 50 nm thick sample, islands with atomically flat surfaces were formed.The frequently observed spirals are most likely the result of screw dislocations. The origin of the holes that accompany the spirals is a dewetting process that starts when the thickness of the film reaches ~10 nm. We quantified the temperature evolution of the film during growth taking into account emission, reflection and transmission between all surfaces. This thermal model confirmed that the temperature of the film increases as the thickness of the rhenium film grows. The dewetting was studied using Mullins’ theory of thermal grooving. A surface diffusion coefficient of 4E−12 cm2/s was obtained, which is consistent with the observed dimensions of the surface topography.Wires with widths ranging from 100 nm to 3 μm and SQUIDs were fabricated from the rhenium films. Transport measurements confirmed that the lithography process does not affect the superconducting properties of rhenium. Critical temperatures between 1.43 K and 1.96 K were measured. We could correlate the superconducting transition temperature with the topography and the crystallinity of the films. Mean free path of electrons, and the superconducting coherence length were obtained, for two of the films both mean free path and effective coherence length were over 100 nm. These two films were in the clean limit, but the fabricated wires were in the dirty limit.On one film SQUIDs of 1 um diameter with 50 nm and 20 nm wide nanobridges acting as Josephson junctions were fabricated. The SQUIDs were cooled down using a dilution refrigerator. Critical current oscillations were measured. The flux noise values obtained were as low as 2.6E−5 Φ0/Hz1/2., L'auteur n'a pas fourni de résumé en français

Spintronic, which involve electron's in addition to its charge, has emerged from the discovery of Giant Magnetoresistance (GMR) by A. Fert and P. Grunberg in 1988, rewarded by a Nobel Prize in 2007. It has revolutionized the field of sensor devices. The basic mechanism of GMR and also of the Tunneling Magneto Resistance (TMR) relies on the spin polarization. Therefore there is today an intense research to find materials with both high spin polarization and low damping coefficient for the development of new generation of spintronic devices. In this field, one promising route concerns the Co2MnSi (CMS) Heusler alloy which is predicted to be half metals (i.e.100% spin polarization), with a weak Gilbert damping coefficient below 10-3, about one order of magnitude below the usual ferromagnetic material used in microelectronics. Its high Curie temperature up to 800° K also provides stability for devices working at room temperature. In this work, we study the correlations between the structural and magnetic properties of the Co2MnSi. To achieve our goal, we measure the evolution of the static and dynamic magnetic parameters of the Co2MnSi alloy in which atomic disorder is induced by He+ ion irradiation at 150 KeV. The samples are grown by magnetron sputtering on MgO substrates and then irradiated with light He+ ions. In order to correlate the structural and magnetic modifications of the alloy we combined several experimental techniques. CMS structure was investigated by X-ray diffraction and Transmission Electron Microscopy (TEM), in particular HAADF-STEM imaging mode. The evolution of the static and dynamic magnetic properties of the samples has been measured by means of Magneto Optic Kerr Effect (MOKE), Physical Properties Measurements System (PPMS) at the LPCNO laboratory in Toulouse and Ferromagnetic Resonance (FMR). The FMR set-up has been developed at the CEMES during this PhD. The main results of this work consists of correlation between the tetragonal deformations of the crystalline structure followed by the appearance of uniaxial anisotropy in the material upon irradiation. Furthermore, we demonstrate that the magnetic parameters of the B2 order are slightly affected by irradiation. But for the L21 phase, static and dynamic magnetic properties are drastically affected by irradiation, by the decrease in magnetization saturation, and exchange constant due to the Mn/Co disorder type and an increase of the cubic anisotropy and dynamic relaxation.; L'électronique de spins est basée sur le principe que l'électron possède une charge mais aussi un spin. Cette nouvelle électronique est née de de la découverte de la magnétorésistance géante (GMR) par A. Fert et P. Grunberg en 1988 qui furent récompensés par le prix Nobel de physique en 2007. Ceci a révolutionné le domaine des capteurs de champ magnétiques ainsi que le stockage at le traitement de données. Les mécanismes de base de la GMR et la Magnéto Résistance Tunnel (TMR) repose sur la polarisation de spin, qui correspond à l'orientation préférentielle dans une direction du spin des électrons de conduction. Par conséquent, l'obtention de matériaux présentant à la fois une forte polarisation en spins et un faible coefficient d'amortissement dynamique fait aujourd'hui l'objet d'une recherche très importante. Dans ce domaine, l'alliage d'Heusler Co2MnSi est très prometteur car il est prévu qu'il soit demi-métallique (polarisation en spins de 100%), avec un coefficient d'amortissement en-dessous de 10-3, soit environ un ordre de grandeur plus faible que les matériaux ferromagnétiques habituellement utilisés en microélectronique. De plus sa température de Curie autour de 800 K lui assure une bonne stabilité thermique pour les applications à température ambiante. Dans ce travail, nous avons étudié les corrélations entre les propriétés structurales et magnétiques de cet alliage Pour atteindre notre objectif, nous avons mesuré l'évolution des paramètres magnétiques statiques et dynamiques du Co2MnSi en fonction du désordre atomique induit par irradiation aux ions He+ at 150 KeV. Pour cela, nous avons combiné plusieurs techniques expérimentales. Les échantillons sont d'abord fabriqués par pulvérisation cathodique sur des substrats MgO. Ils sont ensuite irradiés avec des ions He+ à 150 KeV Les propriétés structurales des échantillons ont été étudiées par diffraction de rayons X en conditions normales et résonante, par microscopie électronique à transmission (TEM), notamment en mode d'imagerie HAADF-STEM. Cette partie de notre étude a été réalisée en collaboration avec les laboratoires LAAS-CNRS à Toulouse et INA-ARAID à l'Université de Saragosse (Espagne). Les propriétés magnétiques statiques ont été mesurées par Effet Kerr Magneto optique (MOKE), et magnétométrie (PPMS) au laboratoire de LPCNO à Toulouse. Les propriétés dynamiques quant à elles ont été mesurées à l'aide d'un banc de mesure de résonance ferromagnétique large bande développé au CEMES pendant cette thèse. Les résultats obtenus ont montré le lien entre la déformation tétragonal de la cellule élémentaire et l'apparition d'un axe d'anisotropie uni axial dans le matériau. De plus, nous avons montré que les propriétés magnétiques et dynamiques étaient peu affectées dans la phase cristalline B2. En revanche, l'effet de l'irradiation ionique sur la phase cristalline L21 est d'augmenter le désordre de type Co/Mn qui s'accompagne d'une forte diminution de l'aimantation de de la constante d'échange ainsi que d'une augmentation de l'anisotropie cubique et du coefficient de relaxation dynamique.

Controlling light by light at the single photon level is a fundamental quest in the field of quantum computing, quantum information science and classical ultra-low power optical computing. A quantum light emitter made of a single two-level system is a highly non-linear medium, where the interaction of one photon with the medium can modify the transmission of another incoming photon. In this scenario, the most challenging issue to obtain a giant optical non-linearity is to optimize photon-emitter interaction. This issue can be overcome by inserting the quantum emitter inside a photonic structure. This system is known as “one-dimensional atom”: the light collection efficiency as well as the probability for an emitter to absorb a photon fed into the structure is maximum. In this study, we aim at using such kind of system to experimentally realize a two-mode giant non-linearity, in which the reflection of one light mode is controlled by another light mode at the single-photon level. The system consists of a semiconductor InAs/GaAs quantum dot, which can be considered as an artificial atom, embedded inside a GaAs photonic wire, which is an optical waveguide. The photonic wire defines a single spatial mode around the emitter and offers a close to unity light-emitter interaction efficiency. In addition, the photonic wire also possesses a spectrally broadband operation range. Thanks to these two excellent features of the system, we experimentally demonstrate in this thesis a single-mode and a two-mode giant non-linearity obtained at the level of just a few tens of photons per emitter lifetime. This realizes an integrated ultra-low power all-optical switch., Contrôler la lumière avec de la lumière au niveau du photon unique est un objectif fondamental dans le domaine de l'information quantique, ou de l'ordinateur optique à très basse puissance. Un émetteur quantique constitué d'un unique système à deux niveaux est un milieu très non-linéaire, pour lequel l'interaction avec un photon peut modifier la transmission d'un photon suivant. Dans ce scenario, le défi pour obtenir une telle non-linéarité géante est d'optimiser l'interaction lumière matière. Une solution à ce défi est d’insérer l'émetteur quantique dans une structure photonique. Ce système est appelé « atome uni-dimensionnel » : la collection de la lumière, tout comme la probabilité d'absorber un photon se propageant dans la structure est maximum.Dans ce travail, nous avons utilisé ce type de système pour réaliser une non-linéarité géante à deux modes, dans laquelle la réflexion d'un des modes est contrôlée par un autre mode au niveau du photon unique. Le système est constitué d'une boite quantique semi-conductrice InAs/GaAs, qui peut être considéré comme un atome artificiel, insérée dans un fil photonique en GaAs opérant comme un guide d'onde. Le fil photonique définit un mode spatial unique autour de l'émetteur et offre une interaction lumière-matière avec une efficacité quasi-idéale. De plus, ce fil photonique présente cette propriété sur une large bande spectrale. Grâce à ces deux propriétés, nous avons démontré expérimentalement une non-linéarité géante à un mode et à deux modes à un niveau de quelques dizaines de photons par durée de vie de l'émetteur. Cela permet de réaliser un interrupteur tout optique intégré, à très faible seuil.

The possibility of isolating transition metal dichalcogenide monolayers by simple experimental means has been demonstrated in 2005, by the same technique used for graphene. This has sparked extremely diverse and active research by material scientists, physicists and chemists on these perfectly two-dimensional (2D) materials. Their physical properties inmonolayer formare appealing both fromthe point of view of fundamental science and for potential applications. Transition metal dichalcogenidemonolayers such asMoS2 have a direct optical bandgap in the visible and show strong absorption of the order of 10% per monolayer. For transistors based on single atomic layers, the presence of a gap allows to obtain high on/off ratios.In addition to potential applications in electronics and opto-electronics these 2D materials allow manipulating a new degree of freedom of electrons, in addition to the spin and the charge : Inversion symmetry breaking in addition to the strong spin-orbit coupling result in very original optical selection rules. The direct bandgap is situated at two non-equivalent valleys in k-space, K+ and K−. Using a specific laser polarization, carriers can be initialized either in the K+ or K− valley, allowing manipulating the valley index of the electronic states. This opens up an emerging research field termed "valleytronics". The present manuscript contains a set of experiments allowing understanding and characterizing the optoelectronic properties of these new materials. The first chapter is dedicated to the presentation of the scientific context. The original optical and electronic properties of monolayer transition metal dichalcogenides are demonstrated using a simple theoreticalmodel. The second chapter presents details of the samples and the experimental setup. Chapters 3 to 6 present details of the experiments carried out and the results obtained. We verify experimentally the optical selection rules. We identify the different emission peaks in the monolayer materials MoS2, WSe2 and MoSe2. In time resolved photoluminescence measurements we study the dynamics of photo-generated carriersand their polarization. An important part of this study is dedicated to experimental investigations of the properties of excitons, Coulomb bound electron-hole pairs. In the final experimental chapter, magneto-Photoluminescence allows us to probe the electronic band structure and to lift the valley degeneracy.; La possibilité de créer des monocouches de dichalcogenures à métaux de transition (MoS2, WSe2,MoSe2 pour ceux étudiés dans ce manuscrit) a été démontrée récemment (2005) et a ouvert la voie à l’étude de ces matériaux sous leur forme 2D. Il apparaît depuis que les propriétés de ces semi-conducteurs sous leur forme monocouche offrent des perspectives intéressantes à la fois du point de vue de la physique fondamentale et des potentielles applications qui peuvent en découler ; en plus de bénéficier d’un fort couplage avec la lumière, l’existence d’un gap important (situé dans le visible, 1.7-1.8 eV) permet entre autres de réaliser des transistors d’épaisseur mono-atomique. Par ailleurs, la physique de ces matériaux est prometteuse pour les applications dans le domaine de l’optoélectronique. En effet, lorsque le matériau est affiné jusqu’à la monocouche atomique, son gap optique devient direct et la brisure de symétrie d’inversion associée au fort couplage spin-orbite provoque l’apparition de règles de sélection optique originales qui relient directement la polarisation de la lumière émise ou absorbée à une des deux vallées non-équivalentes de l’espace réciproque. Cela ouvre la possibilité d’explorer une nouvelle physique, basée sur l’indice de vallée et intitulée en conséquence vallée-tronique, avec comme perspectives futures la manipulation de l’indice de vallée et l’exploitation d’effetsliés à cette relation originale entre propriétés optiques et électroniques (effet vallée-Hall par exemple). Cemanuscrit de thèse regroupe une série d’expériences réalisées dans le but de comprendre et caractériser les propriétés optoélectroniques de ces matériaux. Un premier chapitre introductif présente le contexte scientifique de ces travaux de recherche et démontre l’origine des propriétés électroniques et optiques de ces matériaux via un modèle théorique simple. Le second chapitre présente en détails les échantillons étudiés ainsi que le dispositif expérimental utilisé lors des mesures. Enfin les chapitres 3 à 6 détaillent les expériences menées et les résultats obtenus ; le lecteur y trouvera des mesures de photoluminescence apportant la démonstration expérimentale des règles de sélection optique, l’identification des différents raies spectrales d’émission pour les différentstypes d’échantillons mentionnés plus haut ainsi que des mesures de photoluminescence résolues en temps permettant d’extraire la dynamique des propriétés des porteurs photo-générés. Une part importante de ce manuscrit est consacrée à l’étude expérimentale des propriétés excitoniques de ces matériaux dont la structure de bande électronique est finalement sondée via des études de magnéto-spectroscopie.

The quantum Hall effect (QHE) observed in two dimensional electron gas placed at low temperature and under a strong perpendicular magnetic field, has revolutionized the resistance metrology since its discovery in 1980 by Klaus von Klitzing. It provides a representation of the ohm based on the Planck constant and the electron charge only. In 2004, graphene, a purely two dimensional arrangement of carbon atoms in an honeycomb lattice, where the charge carriers behave as Dirac fermions, has revealed a new flavor of the QHE. From the metrological point of view the QHE in graphene is very promising since it is much more robust than the effect appearing in conventional semiconductors and it could lead to a more convenient resistance standard operating at higher temperature and lower magnetic induction which is an advantage for a broader dissemination of a precise standard towards industrial end-users. In this manuscript, a complete study about the impact in the QHE regime of line defects such as wrinkles or grain boundaries, ubiquitous in graphene grown by chemical vapor deposition on metal is treated. We show that these line defects lead to a non conventional dissipation mechanism that jeopardize the quantum Hall effect accuracy pointing to the use of wrinkle-free monocrystals for further metrological studies. The second part of my manuscript is focused on monolayer graphene grown by chemical vapor deposition on silicon carbide. We precisely compared the Hall resistance of the graphene sample from 10 T to 19 T at the temperature of 1.4 K with a GaAs/AlGaAs resistance standard with a relative uncertainty of ( -2 ± 4 ) × 10⁻¹⁰. For the first time a graphene-based standard was able to operate in the same temperature and magnetic field conditions as semiconductor-based one, furthermore, on a magnetic range more than ten times larger. We thus made a careful study of the dissipation mechanisms taking place in this sample and measured precisely the magnitude of the localization length in the QHE regime that saturate interestingly at the extension of the charge carrier wavefunction itself, opening interesting questions about the close link between Hall quantization and localization physics in graphene grown on SiC. Finally in a second sample grown using the same technique we precisely compared the Hall resistance of the graphene sample and a GaAs/AlGaAs resistance standard that turned out to be in agreement at the metrological level for magnetic fields as low as 3.5 T current as high as 500 µA and temperature as high 9 K. This paves the way for the realization of easy to use quantum Hall resistance standards made out of graphene., L’effet Hall quantique (EHQ) apparaissant dans des gaz bidimentionnels d’électrons places à basse température et sous fort champ magnétique a révolutionné la métrologie des résistances depuis sa découverte en 1980 par Klaus von Klitzing. Cet effet apporte une représentation de l’ohm uniquement basé sur la constante de Planck et la charge de l’électron. En 2004, le graphène, un arrangement purement bi-dimensionnel d’atomes de carbone en nid d’abeille, dans lequel les porteurs de charge se comportent comme des fermions de Dirac, a permis de mettre à jour une nouvel effet Hall quantique. Du point de vue de la métrologie des résistances l’EHQ dans le graphène est très prometteur car plus robuste que celui apparaissant dans les hétérostructures semi-conductrices. Ceci pourrait mener à la création d’un étalon de résistance plus pratique, fonctionnant à plus haute température et plus faible champ magnétique ce qui serait un avantage notable pour une dissémination accrue d’un étalon de résistance précis vers les acteurs industriels. Dans ce manuscrit une étude complète de l’impact des défauts linéaires, omniprésent dans le graphène crû par dépôt chimique en phase vapeur sur métal, dans le régime d’effet Hall quantique est menée. Nous avons montré que ces défauts linéaires mènent à des processus de dissipation non-conventionnels qui viennent altérer la quantification de la résistance de Hall. Cette étude pointe vers l’utilisation de monocristaux pour les prochaines investigations du graphène CVD pour une application en métrologie des résistances. La deuxième partie de ce manuscrit est dédiée à l’étude du graphène crû par dépôt chimique en phase vapeur sur carbure de silicium. Nous avons comparé précisément la résistance de Hall d’un échantillon de graphène entre 10 et 19 T à la température de 1.4 K avec celle donnée par un étalon de résistance en GaAs/AlGaAs avec une incertitude relative de ( -2 ± 4 ) × 10⁻¹⁰. Pour la première fois un étalon de résistance en graphène a pu fonctionner dans les mêmes conditions de température et de champs magnétique que celui fabriqué en GaAs/AlGaAs et de plus sur un intervalle de champ magnétique plus de dix fois plus grand. Nous avons également étudié les processus de dissipation apparaissant dans cet échantillon de graphène. Cette étude montre que la longueur de localisation des porteurs de charge sature à une valeur proche de l’extension de la fonction d’onde et ce sur une grande plage de champs magnétique, ce qui soulève des questions intéressantes concernant le désordre présent dans ce type de graphène. Finalement dans un second échantillon provenant de la même technique de fabrication nous avons comparé précisément la résistance de Hall de l’échantillon de graphène avec celle d’un étalon de résistance en GaAs/AlGaAs. Il apparait que la résistance de Hall dans l’échantillon de graphène est quantifié avec une précision métrologique pour des champs magnétiques allant jusqu’à 3.5 T, des températures atteignant 9 K et reste dans un état non dissipatif jusqu’à des courants de 500 µA. Ceci ouvre une voie directe à la réalisation d’étalons quantiques de résistance réalisés en graphène.

The aim of my Ph.D. thesis is to study theoretically the thermoelectric phenomena occurring in some superconducting nanostructures which are the object of various research lines in condensed matter physics. Specifically, we focus on four different devices based on superconductors and insulating tunnel barriers where both charge and heat transport are governed by the quantum tunneling effect. We start by considering a voltage-biased Normal metal-Insulator-Superconductor (N-I-S) tunnel junction. No single-particle current is expected to flow in this circuit when the applied voltage is below the superconducting energy gap of S. However, in real experiments, a subgap leakage current is observed in the current-voltage (I-V) characteristic of this device, even at very low temperatures. We show that the absorption of photons from the high-temperature electromagnetic environment connected to the junction is a possible origin of the single-particle tunneling below the gap. We first consider a N-I-S junction directly coupled to the environment. Then we focus on a circuit where a low-temperature lossy transmission line is inserted between them. For both these circuits, we analyze analytically and numerically the subgap leakage current. We find, in particular, that it is exponentially suppressed as the length and the resistance per unit length of the line are increased. Then, we go beyond the single N-I-S junction considering a hybrid single-electron transistor (SET) constituted by a gate-controlled normal-metal island (N) connected to two voltage-biased superconducting leads (S) by means of two tunnel junctions (S-I-N-I-S). A controlled single-electron current flows between the two superconductors by properly changing in time the gate potential of N. In principle, the Andreev reflection, i.e., the tunneling of two electrons from N to S can be ideally suppressed when the charging energy of N is larger than the energy gap of S. Actually, in real experiments, this two-particle tunneling process also contributes to the total current through the SET. We show that the exchange of photons between the S-I-N-I-S device and the high-temperature electromagnetic environment where it is embedded makes the Andreev reflection energetically possible. We discuss how this effect limits the single-electron tunneling accuracy needed for metrological applications. Next, we focus on the thermodynamical features of the superconductor-based tunnel junctions. We first consider the well-known electronic cooling capabilities of the S1-I-N-I-S1 and S2-I-S1-I-S2 double-junction devices, where S2 and S1 are superconductors with different energy gaps. Then, we study the design and operation of an electronic nanorefrigerator based on a combination of these two structures, i.e., a cascade cooler. We show numerically that a normal-metal island can be cooled down to about 100 mK starting from a bath temperature of 500 mK. We discuss the practical implementation, potential performance and limitations of such a device. Finally, we consider the dynamics of a quantum phase-slip junction (QPSJ) connected to a microwave source. With respect to an ordinary Josephson junction, a QPSJ can sustain dual Shapiro steps, consisting of well-defined current plateaus at multiple integers of the microwave frequency in the I-V characteristic. Their experimental observation has been elusive up to now. We argue that thermal and quantum fluctuations can smear the I-V curve considerably. To understand these effects, we determine the I-V characteristic of a current-biased QPSJ under microwave irradiation and connected to an inductive and resistive environment. We find that the effect of these fluctuations is governed by the resistance of the environment and by the ratio of the phase-slip energy and the inductive energy. Our results are of interest for experiments aimed at the observation of dual Shapiro steps in QPSJ devices for the definition of the quantum current standard., Ma thèse de doctorat traite de l'étude théorique des phénomènes thermoélectriques qui se produisent dans des nanostructures supraconductrices qui sont l'objet de plusieurs lignes de recherche de la physique de la matière condensée. Nous nous focalisons sur quatre dispositifs basés sur les supraconducteurs et de minces barrières isolantes où le transport de la charge et de la chaleur est gouverné par l'effet tunnel quantique. Nous commençons par analyser une jonction métal Normal-Isolant-Supraconducteur (N-I-S). En principe, aucun courant à une particule ne peut s'écouler dans ce circuit quand le voltage de polarisation est en dessous du gap d'énergie de S. Pourtant, un courant de fuite en dessous du gap est observé dans la courbe caractéristique courant-voltage (I-V) expérimental de ce dispositif, même à très basses températures. Nous montrons que l'absorption de photons de l'environnement électromagnétique à haute température connecté à la jonction est une origine possible du processus de tunnel à un électron en dessous du gap. Nous considérons une jonction N-I-S connectée à l'environnement soit directement soit indirectement au moyen d'une ligne de transmission résistif à basse température. Nous analysons analytiquement et numériquement le courant en dessous du gap dans ces deux circuits. Ensuite nous considérons un transistor hybride à un électron (SET) constitué d'une île de métal normal N contrôlée avec une tension de grille et connectée, au moyen de deux jonctions à effet tunnel, à deux fils supraconducteurs S polarisés en tension (S-I-N-I-S). Lorsque l'on fait varier le voltage de N correctement dans le temps, un courant contrôlable à un électron s'écoule entre les deux supraconducteurs. En principe, la réflexion d'Andreev, c'est-à-dire l'effet tunnel à deux électrons de N à S, peut être interdite. Expérimentalement, ce processus à deux particules contribue aussi au courant total à travers le SET. Nous montrons que l'échange de photons entre ce dispositif et l'environnement électromagnétique où il est disposé rend la réflexion d'Andreev énergétiquement possible. De plus, nous discutons comment cet effet limite la précision du processus de tunnel à un électron nécessaire pour les applications métrologiques. Ensuite nous nous focalisons sur les caractéristiques thermodynamiques des jonctions supraconductrices à effet tunnel. Nous discutons d'abord des capacités de refroidissement électronique des dispositifs à double jonction S1-I-N-I-S1 et S2-I-S1-I-S2, où les supraconducteurs S2 et S1 ont un gap d'énergie différent. Après nous étudions le design et le fonctionnement d'un nanoréfrigérateur électronique à cascade basé sur une combinaison de ces deux structures. Nous montrons numériquement que une île de métal normal peut être réfrigérée au dessous de 100 mK à partir d'une température de 500 mK. Nous discutons ensuite de la réalisation pratique et des limitations d'un tel dispositif. Enfin, nous considérons la dynamique d'une jonction à sauts de phase quantique (QPSJ) connectée à une source de micro-ondes. En ce qui concerne une jonction Josephson ordinaire, une QPSJ peut montrer des marches de Shapiro duals, c'est-à-dire des plateaux de courant bien définis situés à des multiples entiers de la fréquence des micro-ondes dans la courbe caractéristique I-V. Aucune observation expérimentale n'a abouti jusqu'à maintenant. Les fluctuations thermiques et quantiques peuvent nettement étaler la courbe I-V. Pour comprendre ces effets, nous déterminons la caractéristique I-V d'une QPSJ polarisée en courant, irradiée avec des micro-ondes et connectée à un environnement résistif et inductif. Nous montrons que l'effet de ces fluctuations est gouverné par la résistance de l'environnement et par le rapport entre l'énergie de phase-slip et l'énergie inductive. Nos résultats sont importants pour les expériences qui visent à l'observation des marches de Shapiro duals dans les QPSJ pour la définition du courant quantique standard.

This work focuses on the study of II-VI semiconductor heterostructures with type II band alignments, especially in the form of superlattices. This is a system that can be promising for photovoltaic applications, and my work is presented in this perspective. Thus the first part deals with a conceptual reflection on the contribution of type II interfaces for photovoltaics. In a second step I present a study on the growth of CdSe and ZnTe by molecular beam epitaxy on various substrates. These materials are particularly interesting and suitable for this application because they have a direct bandgap, are almost lattice-matched, present a type II band alignment, and CdSe shows a bandgap compatible with the solar spectrum. In addition, a structure based on a very short-period superlattice of these materials allows to create a solar absorber with adjustable properties which can approach the ideal absorber, and with intrinsically fitted contacts. But in return we have to deal with binary semiconductors which have no atoms in common, so that the growth of samples with specific thicknesses close to the monolayer is challenging. For this reason we conducted a detailed study at the interfaces through analysis of X-ray diffraction and transmission electron microscopy, which allows us to conclude on the chemical nature of the atoms near the interfaces. This is followed by a detailed spectroscopy study on the effects of type II interfaces on the charge carriers through their energy and recombination dynamics. We have developed an analytical model that allows to precisely adjust all the features observed in relation to these interfaces, and shows a very efficient charge separation mechanism. We show later that these effects are inherent characteristics of all interfaces of type II, regardless of materials and structures, and that they allow us to accurately extract the values of band offsets between different materials with type II band alignments. The last chapter finally deals with the development of photovoltaic cells based on the concepts studied in this thesis. It addresses in particular the device structures we thought of and our first results of efficiency measurements from solar cells formed by semiconductor heterostructures with this type of band alignment., Ce travail porte sur l'étude d'hétérostructures de semiconducteurs II-VI à alignement de bandes de type II, en particulier sous forme de superréseaux. Il s'agit d'un système prometteur pour une application photovoltaïque, et c'est dans cette optique qu'est orienté ce travail. Une première partie traite ainsi d'une réflexion conceptuelle sur l'apport des interfaces de type II au photovoltaïque. La deuxième partie porte sur l'étude de la croissance de CdSe et ZnTe par épitaxie par jets moléculaires, sur différents substrats. Ces matériaux sont particulièrement intéressants et adaptés pour cette application car ils ont un gap direct, quasiment le même paramètre de maille, un alignement de bandes de type II, et le CdSe une bande interdite compatible avec le spectre solaire. De plus une structure basée sur un superréseau très courte période de ces matériaux permet de créer un absorbeur solaire aux propriétés modulables, qui peut s'approcher de l'absorbeur idéal, avec des contacts intrinsèquement adaptés. En contrepartie il s'agit de semiconducteurs binaires qui n'ont aucun atome en commun, de sorte que la croissance d'échantillons avec des épaisseurs précises à la monocouche près constitue un vrai défi. Pour cette raison nous avons procédé à une étude fine des interfaces grâce à des analyses de diffraction de rayons X et de microscopie en transmission, qui nous permet de conclure sur la nature chimique des atomes à proximité des interfaces. Vient ensuite une étude poussée de spectroscopie sur les effets des interfaces de type II sur les porteurs de charges, à travers leur énergie et cinétique de recombinaison. Nous avons développé un modèle analytique qui permet d'ajuster précisément toutes les caractéristiques observées en relation avec ces interfaces, et qui témoigne d'un mécanisme de séparation des charges très efficace. Nous montrons par la suite que ces effets observés sont des caractéristiques intrinsèques de toutes les interfaces de type II, indépendamment des matériaux et des structures, et que ceux-ci nous permettent d'extraire avec précision les valeurs des décalages de bandes entre différents matériaux à alignement de type II. Le dernier chapitre traite finalement du développement de cellules photovoltaïques basées sur les concepts étudiés dans cette thèse. Il aborde notamment les structures de dispositifs envisagées ainsi que nos premiers résultats de rendements de cellules basées sur des hétérostructures de semiconducteurs avec cet alignement de bandes.

This work focuses on the study of II-VI semiconductor heterostructures with type II band alignments, especially in the form of superlattices. This is a system that can be promising for photovoltaic applications, and my work is presented in this perspective. Thus the first part deals with a conceptual reflection on the contribution of type II interfaces for photovoltaics. In a second step I present a study on the growth of CdSe and ZnTe by molecular beam epitaxy on various substrates. These materials are particularly interesting and suitable for this application because they have a direct bandgap, are almost lattice-matched, present a type II band alignment, and CdSe shows a bandgap compatible with the solar spectrum. In addition, a structure based on a very short-period superlattice of these materials allows to create a solar absorber with adjustable properties which can approach the ideal absorber, and with intrinsically fitted contacts. But in return we have to deal with binary semiconductors which have no atoms in common, so that the growth of samples with specific thicknesses close to the monolayer is challenging. For this reason we conducted a detailed study at the interfaces through analysis of X-ray diffraction and transmission electron microscopy, which allows us to conclude on the chemical nature of the atoms near the interfaces. This is followed by a detailed spectroscopy study on the effects of type II interfaces on the charge carriers through their energy and recombination dynamics. We have developed an analytical model that allows to precisely adjust all the features observed in relation to these interfaces, and shows a very efficient charge separation mechanism. We show later that these effects are inherent characteristics of all interfaces of type II, regardless of materials and structures, and that they allow us to accurately extract the values of band offsets between different materials with type II band alignments. The last chapter finally deals with the development of photovoltaic cells based on the concepts studied in this thesis. It addresses in particular the device structures we thought of and our first results of efficiency measurements from solar cells formed by semiconductor heterostructures with this type of band alignment.; Ce travail porte sur l'étude d'hétérostructures de semiconducteurs II-VI à alignement de bandes de type II, en particulier sous forme de superréseaux. Il s'agit d'un système prometteur pour une application photovoltaïque, et c'est dans cette optique qu'est orienté ce travail. Une première partie traite ainsi d'une réflexion conceptuelle sur l'apport des interfaces de type II au photovoltaïque. La deuxième partie porte sur l'étude de la croissance de CdSe et ZnTe par épitaxie par jets moléculaires, sur différents substrats. Ces matériaux sont particulièrement intéressants et adaptés pour cette application car ils ont un gap direct, quasiment le même paramètre de maille, un alignement de bandes de type II, et le CdSe une bande interdite compatible avec le spectre solaire. De plus une structure basée sur un superréseau très courte période de ces matériaux permet de créer un absorbeur solaire aux propriétés modulables, qui peut s'approcher de l'absorbeur idéal, avec des contacts intrinsèquement adaptés. En contrepartie il s'agit de semiconducteurs binaires qui n'ont aucun atome en commun, de sorte que la croissance d'échantillons avec des épaisseurs précises à la monocouche près constitue un vrai défi. Pour cette raison nous avons procédé à une étude fine des interfaces grâce à des analyses de diffraction de rayons X et de microscopie en transmission, qui nous permet de conclure sur la nature chimique des atomes à proximité des interfaces. Vient ensuite une étude poussée de spectroscopie sur les effets des interfaces de type II sur les porteurs de charges, à travers leur énergie et cinétique de recombinaison. Nous avons développé un modèle analytique qui permet d'ajuster précisément toutes les caractéristiques observées en relation avec ces interfaces, et qui témoigne d'un mécanisme de séparation des charges très efficace. Nous montrons par la suite que ces effets observés sont des caractéristiques intrinsèques de toutes les interfaces de type II, indépendamment des matériaux et des structures, et que ceux-ci nous permettent d'extraire avec précision les valeurs des décalages de bandes entre différents matériaux à alignement de type II. Le dernier chapitre traite finalement du développement de cellules photovoltaïques basées sur les concepts étudiés dans cette thèse. Il aborde notamment les structures de dispositifs envisagées ainsi que nos premiers résultats de rendements de cellules basées sur des hétérostructures de semiconducteurs avec cet alignement de bandes.

Article 0014 (7 pages); National audience; Dans le cadre d'une part de la mise en place de l'enseignement pratique des Nanosciences au niveau Licence et Master et d'autre part de la sensibilisation du " grand public " au Nanomonde, cet article présente le développement d'une plateforme interactive et multi-sensorielle appelée le " NanoLearner ". Cette plateforme associe un système à retour d'effort connecté avec des nano-scènes virtuelles. Elle permet d'aborder la problématique de la nanomanipulation ainsi que la notion complexe de nano-contact. L'impact des différents retours sensoriels (haptique, visuel et sonore) sur l'identification des aspects clés du nano-contact a été évalué au travers d'un questionnaire et de statistiques associées. Une version universitaire du NanoLearner est à présent disponible sur la plateforme d'enseignement pratique Nanomonde du CIME-Nanotech.

Papier 77 (5 pages); National audience; Dans le cadre d'une part de la mise en place de l'enseignement pratique des Nanosciences au niveau Licence et Master et d'autre part de la sensibilisation du " grand public " au Nanomonde, ce papier présente le dévelop-pement d'une plateforme interactive et muti-sensorielle appelé le " NanoLearner ". Cette plateforme associe un sys-tème à retour d'effort connecté avec des nano-scènes virtuelles. Elle permet d'adresser la problématique de la nanoma-nipulation mais aussi la notion complexe de nano-contact. Son apport a été évalué grâce à des tests de compréhension. Une version à visée universitaire est à présent disponible sur la plateforme d'enseignement pratique Nanomonde du CIME-Nanotech.

The subject of this thesis is spectral diffusion in quantum dots. Created by fluctuations in the electrostatic environment, spectral diffusion affects the emission spectra of these quantum boxes. Our study is based on the analysis of the temperature and the pump power dependence of the photoluminescence spectra, obtained by Fourier transform spectroscopy. We show that the spectral diffusion is generally in the regime of motional narrowing et can exit this regime by an increase in the temperature or pumping power. By these investigations, we probe the mechanisms which are at the origin of electrostatic environmental fluctuations. This allows us to propose a microscopic model for a spectral diffusion source. The model permits the proposition of a protocol to control and amplify the motional narrowing by using an external electric field. This protocol is verified by the final experimental part of this manuscript., Cette thèse a pour sujet la diffusion spectrale dans les boîtes quantiques. Engendrée par les fluctuations de l'environnement électrostatique, elle affecte les spectres d'émission de ces boîtes. Notre étude s'appuie sur l'analyse de l'évolution en température et en puissance de pompage des spectres de photoluminescence, obtenus par spectrométrie par transformée de Fourier. Nous constatons que la diffusion spectrale est généralement dans un régime de rétrécissement par le mouvement et peut sortir de ce régime pour une augmentation de température ou de puissance. Par cette étude, nous sondons les mécanismes à l'origine des fluctuations de l'environnement électrostatique. Ceci nous permet de proposer un modèle microscopique pour les sources de la diffusion spectrale. A l'aide de cette modélisation, nous avons pu imaginer un protocole de contrôle et d'amplification du rétrécissement par le mouvement en utilisant un champ électrique. Cette méthode est alors validée par nos résultats.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la manipulation submicronique (de 100nm à 10µm). Les spécificités de cette échelle (absence de vision temps réel etde mesure d'efforts) ont conduit l'ISIR à envisager ces thématiques autour de deux plateformes. La première, NanoMAD, dédiée aux objets de 500nm et plus sous microscope optique. Elle est dotée d'un préhenseur monodigital et d'une mesure des efforts normal et latéral, via un système laser/photodiode. La seconde, issue du projet européen NanoRAC est dédiée à la manipulation/caractérisation de nanotubes de carbone sous SEM. Elle est dotée d'une micropince sans capteur d'effort. Pour y remédier, elle est couplée à un environnement virtuel et à une interface haptique afin d'appliquer des déplacements et de ressentir des efforts recréés à partir de différents modèles. Ces plateformes permettent d'étudier différentes méthodes de calibration, de manipulation/caractérisation dynamiques, de comparer le ressenti d'efforts réels ou simulés.; No data

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la manipulation submicronique (de 100nm à 10µm). Les spécificités de cette échelle (absence de vision temps réel etde mesure d'efforts) ont conduit l'ISIR à envisager ces thématiques autour de deux plateformes. La première, NanoMAD, dédiée aux objets de 500nm et plus sous microscope optique. Elle est dotée d'un préhenseur monodigital et d'une mesure des efforts normal et latéral, via un système laser/photodiode. La seconde, issue du projet européen NanoRAC est dédiée à la manipulation/caractérisation de nanotubes de carbone sous SEM. Elle est dotée d'une micropince sans capteur d'effort. Pour y remédier, elle est couplée à un environnement virtuel et à une interface haptique afin d'appliquer des déplacements et de ressentir des efforts recréés à partir de différents modèles. Ces plateformes permettent d'étudier différentes méthodes de calibration, de manipulation/caractérisation dynamiques, de comparer le ressenti d'efforts réels ou simulés.; No data

We have developed a combined microscope Atomic Force Microscope (AFM) / Scanning Tunneling Microscope (STM) at very low temperature. This microscope allows the study of the electronic Local Density Of States (LDOS) on current biased nanocircuits. We have developed a nanofabrication process to obtain superconducting wires of niobium (Nb) with 10×300 nm2 section.This process gives on Nb a subnanometric surface roughness. We describe also the method of tip's fabrication which are glued on a tuning fork to make a probe. Using a quartz tuning fork as probe for the microscope allows a fully electrical detection in AFM mode and provides the required rigidity in spectroscopic mode. The tuning fork is well adapted to cryogenic environment dissipating a power less than 1nW. Our microscope features atomic resolution in the vertical direction and stable tunnel junction RT < 10MOhms. LDOS measured at T = 100mK on a Nbwire are compared with the BCS theory taking into account a Dynes parameter, corresponding toinelastic collisions. Our measurements fit very well this model with an observed minimum electronic'seffective temperature above the cryostat temperature. Finally, we measured LDOS of biasedwires to demonstrate the possibility of this kind of measurements out of equilibrium superconductingsystems by STM.; Nous avons développé un microscope versatile combinant microscopie de force (AFM) et microscopie à effet tunnel (STM) à très basse température. Ce microscope permet d'étudier la densité locale d'états électroniques (LDOS) sur des nanocircuits supraconducteurs polarisables en courant.La sonde du microscope est basée sur un diapason en quartz qui permet une détection entièrement électrique des interactions pointe-surface en mode AFM et qui hors résonance propose la rigidité nécessaire à la stabilité de la jonction tunnel en mode STM. Le diapason est bien adapté à un environnement cryogénique, dissipant une énergie inférieure à 1 nW. Notre microscope atteint en mode AFM la résolution atomique selon l'axe vertical et autorise en mode STM des jonctions tunnels de consigne Rtunnel < 10 MOhmsNous avons développé un procédé de nanofabrication pour mettre au point des fils supraconducteurs de niobium (Nb) ayant pour section 10 x 300 nm2. Ce procédé permet d'obtenir une surface de Nb avec une rugosité subnanométrique.Nous décrivons également la fabrication des pointes que nous collons sur les diapasons pour en faire des sondes.Les LDOS mesurées à T=100 mK sur les fils de Nb sont comparées à la théorie BCS prenant en compte une énergie relative au processus inélastique, appelée paramètre de Dynes. Nos mesures sont en très bon accord avec ce modèle, en prenant en compte une température électronique effective supérieure à la température du cryostat. Enfin nous mesurons la LDOS sur un fil de Nb polarisé en courant qui démontrent la faisabilité des mesures de supraconductivité hors-équilibre par STM.

Un domaine de la matière condensée en fort développement depuis plusieurs années est celui des nanomatériaux. L'intérêt d'étudier les matériaux à l'échelle nanométrique réside dans le fait que de nombreux phénomènes physico-chimiques ont une grandeur caractéristique de l'ordre du nanomètre (ou de dizaines de nanomètres). Ainsi en est-il, entre autres, de la longueur d'onde de la lumière visible (~400-800 nm), de l'extension des fonctions d'onde d'états électroniques délocalisés. Par conséquent, réduire la taille de matériaux jusqu'à quelques nanomètres ou quelques centaines de nanomètres permet de modifier et de contrôler de nombreuses propriétés. Les phases nanostructurées peuvent se comporter alors différemment à la fois de la phase massive et de la phase moléculaire.Le terme nanomatériaux recouvre une grande diversité de phénomènes, et de matériaux. Il est impossible de citer exhaustivement tous les domaines concernés, depuis les particules à propriétés catalytiques jusqu'aux nanotubes de carbones, en passant par les particules luminescentes, l'électronique de spin ou encore les nanocomposites. L'engouement pour les nanomatériaux s'explique aussi comme conséquence naturelle de la miniaturisation continue des dispositifs de certaines industries (microélectronique notamment). De manière complémentaire, l'élaboration de molécules toujours plus grosses et complexes aboutit à des particules nanométriques, de sorte que la matière à l'échelle du nanomètre peut être abordée aussi bien comme une réduction d'échelle de systèmes micrométriques ou comme une augmentation d'échelle de systèmes moléculaires . La première approche est plus immédiatement exploitable. Cependant, la seconde approche, fidèle au rêve du scientifique démiurge, créant de nouveaux matériaux par une organisation contrôlée des briques élémentaires nanométriques parfaitement définies, semble à long terme, plus prometteuse. Au cours de mon parcours en recherche, depuis le début de ma thèse en novembre 1996, j'ai eu l'opportunité de m'investir dans plusieurs domaines des nanomatériaux, selon l'une ou l'autre de ces deux approches. De formation ingénieur généraliste (École Centrale de Lyon), j'ai choisi de m'initier au métier de chercheur en effectuant une thèse de doctorat dans le domaine du confinement optique à l'échelle nanométrique. Plus particulièrement, ce travail concernait la réalisation et la caractérisation de microcavités optiques à base de semi-conducteurs organiques. Ce travail s'est déroulé sous la direction du professeur J. Joseph, dans le Laboratoire d'Électronique, d'Optique et de Microsystèmes, de l'École Centrale de Lyon, dans le cadre d'une bourse DRET-CNRS.À la fin de ma thèse, j'ai souhaité développer ma connaissance des semi-conducteurs organiques. En particulier, je voulais aborder d'autres aspects, notamment électronique, tout en mettant à profit les compétences acquises au cours de ma thèse dans le domaine de l'optique. Du 01/08/1999 au 30/08/2000, par contrat du Ministère de la Recherche de la Confédération Helvétique, j'ai occupé un poste de chercheur-enseignant à l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne, dans l'équipe du professeur L. Zuppiroli. Il s'agit d'une équipe pluridisciplinaire, mêlant physiciens, chimistes et industriels, dont la compétence est reconnue dans le domaine des matériaux organiques semi-conducteurs. L'étude à laquelle je me suis consacré a visé à développer la compréhension et la modélisation des phénomènes d'injection et de transport des charges, et l'émission de lumière qui en résulte dans ces matériaux. La particularité de cette étude était qu'elle repose sur une description à l'échelle nanométrique, caractéristique des molécules constituant les dispositifs, pour rendre compte des propriétés macroscopiques de ces derniers.Depuis mon intégration au LPMCN en qualité de Maître de Conférence (septembre 2000), mon activité de recherche au sein du groupe « agrégats et nanostructures» porte sur la physique des agrégats, d'une part de matériaux covalents et d'autre part de matériaux ioniques. La méthode originale de synthèse d'agrégats et de films nanostructurés (LECBD, Low Energy Cluster Beam Deposition Technique), développée par notre laboratoire en collaboration avec le Laboratoire de Spectroscopie Ionique et Moléculaire (LASIM) et l'Institut de Recherche sur la Catalyse (IRC) depuis plus de dix ans, offre de grandes potentialités pour l'étude des agrégats nanométriques covalents et ioniques. Elle permet d'atteindre des tailles suffisamment petites (quelques nanomètres de diamètre) pour produire des réarrangements de structures et ainsi, par exemple, synthétiser des matériaux cages covalents (type fullerènes). Les conditions de condensation du plasma d'agrégats, fortement hors équilibre thermodynamique (taux de trempe de l'ordre de 1010 K/s) nous permettent de sonder des phases exotiques de la matière. Enfin, cette méthode nous donne accès à la fabrication de composés de stoechiométrie contrôlée pour la plupart des classes de matériaux. En particulier, pour les systèmes d'oxydes ioniques, contrairement aux synthèses par chimie douce, nous pouvons contrôler le taux de dopage et choisir à volonté la nature du dopant luminescent à introduire en substitution dans la matrice oxyde. Il s'agit donc d'une technique d'une grande souplesse et qui permet, pour ma part, d'envisager l'étude des systèmes covalents et ioniques de manière originale. Les agrégats covalents sont essentiellement composés d'éléments semiconducteurs en phase massive (Si, C, Ge, alliages...). Ces matériaux, en raison de leur intérêt évident pour les applications électroniques et dans le mouvement général de la technologie visant à réduire systématiquement les dimensions des composants, sont étudiés à l'échelle nanométrique. À cette taille, ils offrent des modifications spectaculaires de leur propriétés électroniques (transition semi-conducteur/isolant), optiques (apparition de lumière dans Si et Ge qui ne luminescent pas à l'état massif) et structurelles (formation de structures cages). Il y a donc un intérêt tant fondamental qu'appliqué à s'intéresser à de tels matériaux à l'échelle nanométrique. L'étude des oxydes ioniques, que j'ai initiée plus récemment, est aussi stimulée par des intérêts fondamentaux et appliqués. Du point de vue des applications, les oxydes à grand gap font l'objet de recherches intenses en vue d'utilisation comme barrière isolante ultrafine dans les dispositifs électroniques. Ce sont aussi des matériaux généralement chimiquement réactifs et qui dans certains cas peuvent être des luminophores. D'un point de vue fondamental, le comportement de la liaison ionique à l'échelle nanométrique n'a été que peu étudié, principalement en raison de la grande réactivité chimique des matériaux ioniques. Le fait de disposer d'un environnement ultravide pour nos bancs d'expériences nous offre un grand avantage pour la compréhension de ces systèmes. De manière générale, notre approche vise en premier lieu à réaliser et étudier des nanoparticules de référence, parfaitement contrôlées et protégées. En second lieu, elle vise à organiser ces particules sur des substrats choisis pour former des matériaux et dispositifs nanostructurés à vocation optique ou électronique.Les thématiques évoquées ci-dessus sont reprises dans ce mémoire de la manière suivante. Le chapitre I introduit brièvement les matériaux organiques semiconducteurs et les dispositifs électroluminescents qui les exploitent. Il présente aussi mes travaux de modélisation en vue de l'optimisation électronique de tels dispositifs. Nous y insistons sur la nécessité d'une description nanométrique, caractéristique des matériaux décrits, en vue d'une compréhension macroscopique. Le chapitre II se concentre sur l'optimisation optique de ces dispositifs. Cet aspect est généralement complémentaire de l'optimisation électronique. Nous y traitons, de manière plus générale, de la modification de l'émission spontanée d'émetteurs à spectre large par des systèmes confinant la lumière selon une ou deux directions (microcavités) sur des dimensions nanométriques.Le chapitre III synthétise mes activités dans le domaine des agrégats cages covalents. Deux classes complémentaires de matériaux cages sont évoquées au travers de la thématique du dopage. Plus particulièrement, nous illustrons l'intérêt du dopage pour des films issus du dépôt d'agrégats et pour des films de cristaux cages covalents (les clathrates). Ce chapitre marque un changement d'approche par rapport aux chapitres précédents. Contrairement aux études sur les matériaux organiques conjugués qui s'inscrivent dans une approche « top-down », les travaux des chapitres III et IV suivent une approche « bottom-up », partant d'agrégats nanométriques préformés comme briques de constructions de matériaux nanostructurés.Le chapitre IV présente une nouvelle thématique que je développe au sein de notre groupe et qui porte sur les agrégats nanométriques d'oxydes iono-covalents. Nous présentons les premiers résultats concernant le comportement de la liaison ionique dans ces matériaux à très faible taille ainsi que ses effets sur la structure, les propriétés électroniques et optiques de ces nano-objets.Le principal fil rouge que l'on trouvera dans ces pages est mon intérêt pour les effets fondamentaux de l'échelle nanométrique sur les propriétés structurales et optiques. C'est la raison pour laquelle mes travaux de post-doctorat (chapitre I) peuvent apparaître moins développés que mes travaux de thèse (chapitre II) ou que mes travaux récents (chapitres III et IV). Cette répartition est intentionnelle. En me basant sur l'expérience acquise, tant durant ma thèse qu'au sein du LPMCN, ainsi que sur l'environnement local actif dans le domaine des nanosciences, j'envisage de développer mes activités de recherches à court et moyen terme vers les systèmes et applications pour la nanooptique, avec en particulier, l'élaboration de nano-sources lumineuses originales selon les deux axes précédemment mentionnés, à savoir les nano-agrégats covalents d'une part et d'oxydes iono-covalents d'autre part. Ceci fait l'objet du chapitre V.

The recent introduction of virtual realities into scientific data processing tools inaugurates a major turning in the history of the man machine interfaces, by allowing a real-time interaction with virtual spaces. ln parallel, the emergence of nanosciences requires the installation of innovative tools which, beyond the measurement and classical data display, will allow action and understanding at a scale where physical phenomena are singular and typically intangible. This work aims to develop of a nanomanipulator, an instrumental interface of augmented reality based on the coupling of an Atomic Force Microscope, a simulator and a multisensory platform. This nanomanipulator conforms like a real tool allowing to interact naturally and directly with the environment of the nanoworld. The multisensoriality is allowed by the real-lime rebuilding of a mixed space (real and virtual), energetically and dynamically coherent, where the user can interact with force feedback, animated images and sounds. Reality is increased thanks to the insertion of virtual mass-point physical models, interacting conjointly with the user and nanoscene. The modularity and the opening of this instrument are presented, besides the issues induced by the scaling and by the technological and modeling systems. The teaching impact of such a device, for the formal training of intangible physical phenomena, within a practical teaching framework in nanophysic, constitutes a first evaluation of the tool. Its potential for research was highlighted through some applications of determination of real nanometric situations through recursive modeling and sensory comparisons with their virtual counterparts.; L'introduction récente des réalités virtuelles dans les outils informatiques scientifiques inaugure un tournant majeur dans l'histoire des interfaces homme-machine, en permettant l'interaction temps réel avec des espaces virtuels. Or l'émergence des nanosciences requiert la mise en place d'outils novateurs qui, au-delà de la mesure et de la représentation classique de données, permettront l'action et la compréhension à une échelle où les phénomènes physiques sont singuliers et typiquement intangibles. Ce travail vise au développement d'une interface instrumentale de réalité augmentée basée sur un Microscope à Force Atomique. Ce nanomanipulateur se conforme comme un outil réel permettant d'interagir naturellement avec le nanomonde. La multisensorialité est permise par la reconstruction temps-réel d'un espace mixte (réel et virtuel), énergétiquement et dynamiquement cohérent, où l'utilisateur peut interagir avec un retour de force, d'images animées et de sons. La réalité est augmentée par insertion de modèles physiques particulaires virtuels, interagissant à la fois avec l'utilisateur et la nanoscène. La modularité et l'ouverture de cet instrument sont exposées, ainsi que les problèmes induits par le changement d'échelle et par les systèmes technologiques et de modélisation. L'impact pédagogique, dans l'apprentissage formel de phénomènes physiques non tangibles en enseignement pratique en nanophysique, constitue une première évaluation de l'outil. Son potentiel pour la recherche s'est affirmé à travers quelques applications de détermination de situations nanométriques réelles par modélisations récursives et comparaison sensorielle avec leurs homologues virtuels.

We investigate, by means of optical spectroscopy of a single InAs/GaAs quantum dot, the neutral exciton decoherence inside the dot, its fine structure and its spin relaxation.We show that the coherence is intrinsically limited by a non-perturbative coupling to acoustic phonons, and extrinsically limited by the presence of a fluctuating electrostatic environment around the dots.We observe that the fine structure depends on the dots local density, which influences their geometry as their strain profile, and analyse, in low density regions, original dots emitting a strongly polarized light.We study the exciton spin relaxation by measuring the polarisation ratio of the emission. On an ensemble of dots, we measure a relaxation time of 10 ns at 10 K and show that the relaxation dynamics is extremely sensitive to the dots environment. On a single dot, we show that the spin can relax very quickly (in 100 ps), even at 10 K., Nous étudions, par spectroscopie optique à l'échelle de la boîte quantique unique InAs/GaAs,la décohérence de l'exciton neutre dans une boîte, sa structure fine et la relaxation de sonspin.Nous montrons que la cohérence est limitée intrinsèquement par un couplage non-perturbatifaux phonons acoustiques, et extrinsèquement par l'existence d'un environnementélectrostatique fluctuant autour des boîtes.Nous observons que la structure fine dépend de la densité locale de boîtes, qui affecte leurgéométrie et leur état de contrainte, et mettons à jour des boîtes originales émettant une lumière très polarisée.Nous étudions la relaxation du spin excitonique en mesurant le taux de polarisation del'émission. Sur un ensemble de boîtes, nous observons un temps de relaxation d'une dizainede ns à 10 K et montrons que la dynamique de cette relaxation est sensible à l'environnementdes boîtes. Sur boîte unique, nous montrons que le spin peut relaxer très rapidement (en 100ps), même à 10 K.

Persistent currents are one of the most striking consequences of the quantum coherence of the electrons. In this paper, we show that they exist not only in isolated rings, but also in a line of connected rings, even if its size is much larger than the electronic phase coherence length.In the second part, we show that in metals containing Kondo impurities, the phase coherence time is limited by the spin diffusion and by the spin glass transition that happens at very low temperature when RKKY interactions between magnetic impurities become dominant.; Les courants permanents sont une des conséquences les plus spectaculaires de la cohérence quantique des électrons ; dans ce travail, nous montrerons que ceux-ci sont présents non seulement dans des anneaux isolés, mais aussi dans une chaîne d'anneaux connectés, et ce même si la taille de celle-ci est très largement supérieure à la longueur de cohérence de phase électronique.Dans la seconde partie du manuscrit, nous montrerons que dans des métaux contenant des impuretés magnétiques Kondo, le temps de cohérence de phase à très basse température est limitée par la diffusion de spin et par la transition vitreuse qui apparaît lorsque les interactions RKKY entre impuretés magnétiques deviennent dominantes.

Persistent currents are one of the most striking consequences of the quantum coherence of the electrons. In this paper, we show that they exist not only in isolated rings, but also in a line of connected rings, even if its size is much larger than the electronic phase coherence length.In the second part, we show that in metals containing Kondo impurities, the phase coherence time is limited by the spin diffusion and by the spin glass transition that happens at very low temperature when RKKY interactions between magnetic impurities become dominant., Les courants permanents sont une des conséquences les plus spectaculaires de la cohérence quantique des électrons ; dans ce travail, nous montrerons que ceux-ci sont présents non seulement dans des anneaux isolés, mais aussi dans une chaîne d'anneaux connectés, et ce même si la taille de celle-ci est très largement supérieure à la longueur de cohérence de phase électronique.Dans la seconde partie du manuscrit, nous montrerons que dans des métaux contenant des impuretés magnétiques Kondo, le temps de cohérence de phase à très basse température est limitée par la diffusion de spin et par la transition vitreuse qui apparaît lorsque les interactions RKKY entre impuretés magnétiques deviennent dominantes.

This thesis collects recent work on the proximity effect in metal/superconductor hybrid junctions studied by very low temperature scanning tunneling microscopy and transport measurements.; Ce mémoire regroupe des travaux sur la supraconductivité de systèmes métalliques hybrides métal/supraconducteur par microscopie tunnel à très basse température et mesure de transport.

This thesis collects recent work on the proximity effect in metal/superconductor hybrid junctions studied by very low temperature scanning tunneling microscopy and transport measurements., Ce mémoire regroupe des travaux sur la supraconductivité de systèmes métalliques hybrides métal/supraconducteur par microscopie tunnel à très basse température et mesure de transport.

This report presents a study of polymers nanoscale properties using Atomic Force Microscopy in amplitude and frequency modulation modes. It starts by the determination of the physical origins of contrast in AFM images of triblock copolymer surfaces. This contrast is shown to be solely due to nanometric variations of viscoelastic properties (i.e. no topographic contribution is found in it). In a next step the local physical constants of the two nano-phases of the copolymer are evaluated thanks to an analytical and numerical modelling of the nonlinear dissipative interaction between oscillator and polymer sample. Then, a turning point experimental result shows that, in amplitude modulation mode with a sufficiently high quality factor Q, a soft material can appear as a hard one, so that its undeformed structure can be probed. Practically, this means that local mechanical properties or topography of sufficiently soft samples can be selectively accessed by varying Q. The last part is a study of the scale dependent viscoelasticity of a melt of entangled polymer chains, an hevea rubber sample, with the frequency modulation mode and a very high Q factor: when tip-polymer indentation and interaction time reach threshold values, a sharp increase of the drive power needed to maintain a constant oscillation amplitude is measured. It is shown to be due to a transition from a fast relaxation process of the polymer (10-5 s disentanglement process as the size of the indented object goes beyond the entanglement length). This transition corresponds to a few angstroms variation of indentation depth., Ce mémoire présente une étude des propriétés de polymères à petite (nano) échelle, par les modes de modulation d'amplitude (« Tapping ») et de modulation de fréquence (« Non-contact » résonant) de la Microscopie à Force Atomique. Il débute par la détermination des origines physiques du contraste d'images obtenues sur une surface de copolymère tri- séquencé : la reconstruction d'une section d'image grâce aux courbes d'approche- retrait permet d'en attribuer le contraste aux seules variations de la réponse viscoélastique du copolymère (i.e. de montrer l'absence de contribution topographique au contraste). L'étape suivante est une évaluation des constantes physiques des deux nanophases du même copolymère tri- séquencé par l'analyse de courbes d'approche- retrait en mode modulation d'amplitude. Pour cela nous modélisons analytiquement et numériquement l'interaction non-linéaire et dissipative entre nano-pointe oscillante et polymère. Puis un résultat expérimental charnière montre qu'en mode modulation d'amplitude avec un facteur de qualité Q suffisamment élevé un matériau de raideur locale très faible peut apparaître dur et sa topographie être mesurée sans déformation. Cela signifie que, sur un échantillon suffisamment mou, la variation contrôlée du facteur de qualité Q permet d'accéder sélectivement aux propriétés mécaniques ou topographiques. La dernière partie concerne la dépendance d'échelle de la viscoélasticité d'un polymère fondu enchevêtré. On utilise le mode modulation de fréquence avec un facteur Q très élevé : lorsque l'indentation de la pointe dans le polymère et leur temps d'interaction atteignent des valeurs seuils, la puissance nécessaire pour maintenir une amplitude d'oscillation constante présente une augmentation abrupte. On montre que cette augmentation de la dissipation est due au passage d'une relaxation moléculaire rapide (10-5s, désenchevêtrement lorsque la taille de l'objet indenté dépasse celle de la maille du réseau de chaînes). Cette transition correspond à une variation de profondeur d'indentation de quelques angströms.