Academic literature on the topic 'Transport électronique moléculaire'

D'importants progrès ont été réalisés au cours des dernières années pour caractériser le transport électronique dans une jonction constituée de une ou plusieurs molécules. De nombreux candidats de fils et de diodes moléculaires ont été proposés. L'objectif qui a guidé nos travaux est d'améliorer la compréhension des mécanismes de transport dans une jonction moléculaire et de guider la sélection des molécules capables de réaliser des composants électroniques. Nous proposons une méthode simple et rapide de calcul du courant dans une jonction moléculaire à l'aide de la théorie de Landauer exprimée dans un formalisme de fonctions de Green. Afin de calculer la structure électronique de la molécule, nous avons développé une méthode de calcul autocohérente basée sur les liaisons fortes. Nous montrons l'importance de prendre en compte l'influence du champ électrostatique sur la structure électronique de la molécule. Nous appliquons l'ensemble des méthodes que nous avons développées afin d'étudier le transport électronique sur deux types de molécules différentes. Le premier exemple est une famille de fils moléculaires, les thiénylènesvinylènes. Un bon accord a été obtenu entre les calculs de structures électroniques et les différentes caractérisations expérimentales. Nous calculons aussi les caractéristiques électriques de ces fils moléculaires entre deux électrodes d'aluminium et nous mettons en évidence la possibilité d'avoir un effet tunnel résonant. Le second exemple est la molécule C16H33-Q-3CNQ qui est un candidat de diode moléculaire selon le principe d'Aviram et Ratner. En calculant la structure électronique, nous avons montré que le principe d'Aviram et Ratner ne pouvait pas s'appliquer à cette molécule à cause de la délocalisation des états autour de la bande interdite. Nous montrons l'influence de la chaîne aliphatique de la molécule sur les phénomènes de rectification observés et nous discutons l'influence des différents problèmes technologiques (oxyde, diffusion du métal) sur les caractéristiques observées. Enfin, nous analysons l'influence des vibrations et du transport inélastique sur les deux types de jonction moléculaire que nous avons étudiées.

Transport électronique dans l'ADN Ce travail se situe dans le cadre des recherches en électronique moléculaire. La problématique de la conduction électrique dans l'ADN a été posée en 1962 par Eley et Spivey peu de temps après la découverte de la structure en double hélice de l'ADN par Watson et Crick en 1953. A l'heure actuelle, il n'y a pas de consensus sur les propriétés de conduction à travers l'ADN. Le transfert de charges sur des distances de quelques nanomètres a été étudié en solution et est assez bien compris. En revanche, les mesures directes sur des électrodes donnent des comportements allant de la supraconductivité induite à l'isolant, en passant par semi-conducteur. Notre travail a été motivé par cette controverse. Nous avons étudié les propriétés électroniques de l'ADN déposé sur différentes couches moléculaires auto-assemblées sur des substrats de silicium. La préparation des surfaces et le dépôt d'ADN constituent la première partie de notre étude. La conductivité de l'ADN a ensuite été mesurée entre des électrodes fabriquées sur un support isolant ou par le biais d'un AFM conducteur. Dans ce dernier cas, la pointe de l'AFM permet tout à la fois d'imager la surface et de servir de seconde électrode pendant la mesure électrique. Deux types de résultats ont été obtenus : les comportements vont de l'isolant au conducteur, les résistances s'étalent sur au moins 6 ordres de grandeur, de 109 W à 1015 W, avec toutefois une plus faible fréquence de mesure des conductivités élevées. Deux points permettent d'expliquer cette grande disparité : d'une part, l'obtention d'un contact électrique entre l'électrode et l'ADN et, d'autre part, la méthode de dépôt de l'ADN sur la surface. La formation d'un contact électrique entre l'électrode et l'ADN nécessite des traitements en général destructifs pour la molécule. Ce contact peut être amélioré en utilisant un paquet de molécules d'ADN comme intermédiaire entre l'électrode évaporée et la corde d'ADN que l'on étudie. Cependant, cette méthode ajoute une résistance série importante. Des mesures systématiques ont été réalisées en fonction de la distance de la pointe AFM au paquet d'ADN et du nombre estimé de brins d'ADN dans la corde. Le dépôt de l'ADN étant un facteur primordial, nous concentrons nos efforts sur ce point pour comprendre plus avant le lien entre la structure de l'ADN et ses propriétés de conduction. Mots-clés : Electronique moléculaire, nanobiotechnologie, ADN, dépôt d'ADN, Microscopie à Force Atomique, AFM conducteur, monocouche auto-assemblée

Dans cette thèse d'habilitation, nous considérons plusieurs aspects du transport à travers une molécule unique, connectée à des bornes de métal normal ou à des bornes supraconductrices.
L'emphase à été mise sur la détection des signatures les plus marquantes du transport cohérent à travers les molécules, ainsi que sur la compréhension des problèmes de corrélations (problème à N corps) sur la dynamique de ces systèmes, provenant des degrés de liberté internes (vibrations, spin,...) du conducteur et affectant le passage du courant.

En ce qui concerne le transport dans le régime normal à travers une molécule qui vibre (un nanotube de carbone suspendu par ses extrémités), nous avons procédé à une étude détaillée de la conductance différentielle négative (CDN) qui est observée dans ces dispositifs. En supposant des contacts tunnel, tel que les électrons qui s'échappent dans les bornes effectivement perdent leur cohérence de phase (c'est-à-dire à haute température),
nous avons dérivé les équations cinétiques dans lesquelles la nature quantique de l'interaction électron-phonon au sein du point quantique moléculaire est prise en compte sans approximations (formation de polaron sur le point quantique moléculaire). Le fait que la conductance différentielle soit positive ou négative dépend de la position du niveau polaronique et de l'occupation des pics satellites associés au nombre d'occupation des phonons, qui sont compris entre la tension de source et de drain des électrodes. La CDN
apparaît lorsque deux de ces pics satellites entrent en compétition dans le transport, et constitue une signature des effets hors équilibres associés au vibrations de la molécule. Nous avons clairement montré que pour des couplages tunnels asymétriques (situation qui correspond à la géométrie des expériences sur le domaine), on observe un CDN pour un vaste domaine de paramètres. Nous avons également exploré les effets de navette électronique, ou
le déplacement de la molécule entre en compte dans l'Hamiltonien tunnel, qui peuvent être détectés en regardant l'asymétrie des courbes courant tension. Bien que le mécanisme de navette tend à renforcer la CDN, il n'est toutefois pas suffisant pour y donner lieu sans hypothèses sur la valeur relative des couplages tunnels.

Nous avons également étudié le transport dans le régime normal à travers un point quantique moléculaire dans le cas d'un couplage fort aux contacts, mais loin du régime Kondo. En utilisant l'approche hors équilibre des fonctions de Green dans la représentation du polaron, nous sommes allés au delà du régime perturbatif pour calculer la caractéristique courant tension dans le régime de couplage électron-phonon intermédiaire. Nous avons montré qu'en accroissant le couplage tunnel au contacts, les corrélations associées au nuage de polaron deviennent très importantes à haute température, et donnent lieu à une réduction dramatique de l'élargissement des pics la densité d'états de la molécule. Nous proposons une détection de ces phénomènes par la mesure de la conductance différentielle, tout en variant la température locale de la molécule (nanotube de carbone). On note qu' en présence d'un environnement dissipatif les pic satellites dus aux phonons devraient acquérir un élargissement additionnel. L'inclusion des effets d'amortissement des modes phononiques constituerait une extension de ce travail.

Dans cette thèse, nous avons également abordé le problème du transport cohérent en présence de phonons, dans un système moléculaire connecté à des contacts supraconducteurs. Nous avons calculé le courant DC (partie du courant stationnaire) pour toutes les valeurs de la tension à l'aide de l'approche des fonctions de Green Keldysh, pour une fréquence de vibration arbitraire, mais dans le régime du couplage faible électron-phonon. Nos principaux résultats sont les suivants : i) dans le régime sous le gap $eV<\Delta$, les processus de réflexions multiples d'Andreev (MAR) sont accompagnés de processus d'émission/absorption de phonons et donne lieu à une structure très riche près des valeurs de tension ou le nombre
de réflexions d'Andreev changent d'une unité (ces tensions sont appelées les « MAR onsets »). On observe alors un effet pair impair ou le courant est augmenté/diminué suivant la transition de « MAR onset » (entre pair/impair et vice versa). Ces phénomènes trouvent un interprétation physique en comparant avec la théorie de la diffusion de Buttiker-Landauer, adaptée au contacts supraconducteurs, une théorie connue sous le nom d' « échelle de MAR ». A l'équilibre $V=0$, nous avons obtenu des résultats analytiques pour le courant Josephson dans la limite adiabatique ou la fréquence de vibration est faible comparée au gap supraconducteur, qui est interprétée en terme des états liés d'Andreev avec une transparence aux contacts renormalisée par les phonons. Pour le futur, une extension de cette théorie au calcul du bruit (fonction de corrélation courant-courant) est envisagée. Le bruit peut en effet procurer une information supplémentaire sur la charge transmise à travers la jonction, et il serait intéressant d'étudier l'effet des phonons dans ce cadre.

Nous avons également considéré le cas des contacts supraconducteurs, mais cette fois pour les interactions fortes, et uniquement à l'équilibre ou le courant Josephson dépend de la différence de phase entre les deux supraconducteurs. Cette fois on s'intéresse à un diagnostique sur l'état des phonons sur le point quantique moléculaire. Nous trouvons que pour le régime de faible couplage tunnel, des états non-classiques de type « chat de Schrodinger » (une superposition d'états cohérents opposés) sont associés aux états du courant et donc aux liés d'Andreev dans la jonction. Ces états non classiques peuvent être
explicités en procédant à une mesure projective du courant. Pour des contacts transparents, nous avons montré que l'effet Josephson génère des fluctuations de phonon cohérentes, et induit des états quantiques « comprimés » de phonon, analogues aux états « comprimés » de photons en optique quantique : l'impulsion canoniquement conjuguée à la distorsion de la molécule possède des fluctuations inférieures a la valeur minimale habituelle de fluctuations du point zéro. La compression d'états de phonons s'observe pour une grande plage de paramètres : elle est contrôlée par la différence de phase et devient maximale près de la transition de polaron. La détection expérimentale de tels états comprimés pourrait être effectuée en nanoélectronique à l'aide de nanotubes suspendus. Il faudrait recourir à un diagnostique optique tel que l'effet Raman résonant, pour démonter l'existence de ces états de phonons non-classiques.

Une autre manière d'explorer les phénomènes cohérents dans le cadre du transport Josephson
est d'étudier les situations ou les degrés de liberté de spin des électrons du point quantique moléculaire et des électrodes sont importants. Nous avons donc calculé le courant Josephson
à travers un point quantique moléculaire doté d'un grand spin, qui possède une interaction d'échange avec l'électron du point quantique. Ce couplage d'échange peut donner lieu à une transition à l'état pi de la jonction (relation courant phase opposée par rapport a une jonction normale, de phase 0). La contribution relative du courant provenant des états liés d'Andreev
et du continuum détermine si la jonction est dans l'état 0 ou l'état pi. Un débouché possible de cette étude est d'étudier les effets de décohérence, et de rétroaction du supercourant sur la dynamique du spin moléculaire.

Dans un autre contexte, les effets de spin associé au courant Josephson ont été étudiés pour un point quantique possédant plusieurs nivaux, et sujet à l'interaction spin orbite Rashba et Dresselhaus. Pour un point quantique ne possédant qu'un seul niveau les effet du couplage spin orbite sont inexistants en l'absence d'un champ magnétique externe. En présence de ce dernier, le courant de ce point quantique possède des oscillations de type Datta Das en fonction du paramètre de couplage spin orbite multiplié par la longueur du point quantique.
Ces oscillations ont une amplitude de quelques dixièmes du courant nominal Josephson, et pourraient donc être observées expérimentalement. Le cas d'un point quantique possédant plusieurs niveaux est plus intéressant. Pour un point quantique à deux niveaux en particulier,
Le courant possède une dépendance sur le couplage spin orbite même en l'absence de champ magnétique. Le supercourant possède des maxima et des minima marqués pour certaines valeurs de ce couplage. Leur observation constituerait une première évidence du fonctionnement d'un transistor à effet spin orbite dont les bornes sont supraconductrices.
Dans le futur il serait intéressant d'inclure les interactions Coulombiennes sur le dot.

Nous avons développé en parallèle une théorie pour modéliser un bit quantique basé sur les états liés d'Andreev : un dispositif constitué d'un SQUID (dispositif d'interférométrie supraconducteur) et d'un contact ponctuel supraconducteur, combinant donc un circuit macroscopique et microscopique. Le contact ponctuel – qui implique une transparence
elevée entre les contacts, peut être vu comme un point quantique qui contient deux états fermioniques localisés, à leur tout couplés à la dynamique de la phase supraconductrice
(un mode bosonique local). Nous avons étudié la décohérence de ce bit quantique d'Andreev, associée à un couplage des électrons des contacts avec des modes de phonons acoustiques. La nature fermionique des nivaux d'Andreev n'affecte pas le pilotage du bit quantique, mais elle joue un rôle important en ce qui concerne sa décohérence : la relaxation et le déphasage induit
suivent une loi de puissance dans le temps plutôt qu'une exponentielle. De plus, nous avons trouvé que le taux de transition entre les nivaux du bit quantique, induit par les transition phononiques est réduit de manière considérable comparé au taux de transition électron-phonon dans les contacts : l'étalement de la fonction d'onde de ses niveaux dans les contacts
réduit l'espace de phase disponible pour ces transitions assistées par les phonons.

Dans une étude séparée, nous nous sommes intéressé à la mesure du bruit à haute fréquence ainsi qu'a celle des moments supérieurs du courant, à l'aide d'un circuit résonant en présence de dissipation. Le circuit résonant est couplé à un circuit mésoscopique placé dans le régime cohérent. L'information sur les moments supérieurs du courant est codée dans les histogrammes de la charge du condensateur du circuit résonant. La dissipation est prise en compte par le modèle de Caldeira Leggett, et il est essentielle de l'inclure pour obtenir des fluctuations de charge (donc un bruit mesuré) finies. Nous identifions également quelle
Combinaison des corrélateurs de courant entrent dans l'expression du troisième moment mesuré. Ce dernier fait appel à la même susceptibilité généralisée que pour le bruit mesuré, mais elle ne diverge pas dans la limite d'un circuit non dissipatif. Les prédictions sur la mesure de ces quantités sont testées pour le cas du bruit émanant d'un contact ponctuel.

Le potentiel des matériaux Ga(In,Sb)AsN pour les applications transistors est évalué. Une étude RHEED est d'abord menée en fonction de la concentration d'azote et de la température pour fixer les conditions de croissance. Ensuite, la présence de pièges électroniques dont le nombre représente environ 1% de la concentration totale d'azote est mise en évidence par la diminution du nombre d'électrons dans les couches dopées, par une résonance cyclotron supplémentaire et des plateaux de Hall décalés dans les gaz bidimensionnels. Ces pièges attribuables aux clusters d'azote provoquent une diffusion de type impuretés ionisées qui fait chuter la mobilité dès les plus faibles concentrations d'azote. Par ailleurs, on observe une forte diffusion par les phonons, et on mesure une faible augmentation de la masse. Ces propriétés conduisent à une diminution importante du gain dans les TBH malgré un abaissement très intéressant de la tension à appliquer pour obtenir un courant d'injection donné. Une partie annexe traite de phototransistors à base de GaN.

Les nanotubes de carbone (CNT) à basse température se comportent comme des points quantiques pour lesquelles les niveaux électroniques deviennent quantifiés. Le transport électronique à travers une jonction-CNT est caractérisé par le phénomène de blocage de Coulomb, dont les spécificités dépendent du couplage entre le nanotube et les électrodes métalliques. Le blocage de Coulomb est extrêmement sensible au moindre changement électrostatique, faisant des jonctions-CNT de précis électromètres. Par exemple, si l'on couple un système magnétique à un nanotube, le transport électronique sera influencé par l'état de spin du système magnétique (effet magnéto-Coulomb). Ce projet de thèse présente des mesures de transport électrique sur un système hybride se composant d'un nanotube de carbone rempli de nanoparticules magnétiques (Fe). Ces mesures, réalisées à très basses températures (40 mK), ont permis de mettre en évidence le comportement hystérétique de la conductance en fonction du champ magnétique, et en particulier la présence de saut de conductance à champ magnétique fini. Nous expliquons ces résultats en termes d'effet magnéto-Coulomb : le renversement d'aimantation des particules de fer à champ magnétique fini provoquant une variation de charge effective due à l'effet Zeeman. Ces mesures sont une étape vers l'étude de l'anisotropie magnétique de nanoparticules individuelles
Carbon Nanotubes at low temperature behave as Quantum Dots for which charging processes become quantized, giving rise to Coulomb Blockade depending upon the coupling to the leads. Any small change in the electrostatic environment (tuned by the gate electrode) can induce shift of the stability diagram (so called Coulomb Diamonds) of the device, leading to conductivity variation of the Quantum Dot. A carbon nanotube can therefore be a very accurate electrometer. For example, if a magnetic system is electronically coupled to a nanotube, its electron conduction may be influenced by the spin state of the magnetic system (magneto- Coulomb effect). In this thesis, we report on the electrical transport measurements of such hybrid systems where a carbon nanotube is filled with magnetic nanoparticles such as Iron(Fe). We find that low-temperature (~40mK) current-voltage measurements of such devices can show a hysteretic behaviour in conductance with sharp jumps at certain magnetic fields. We explain the results in terms of the magneto-Coulomb effect where the spin flip of the iron island at non-zero magnetic field causes an effective charge variation in the Nanotube due to the Zeeman energy. Our studies are a step forward towards the study of the magnetic anisotropy of individual nanoparticles. We believe our findings have important implications for sensitive magnetic detectors to study the magnetization reversal of individual magnetic nanoparticle or molecule, even weakly coupled to a carbon nanotube

L'enjeu de l'électronique moléculaire est la connexion de la molécule à un dispositif macroscopique. Le but de cette thèse est d'étudier le transport électronique dans des nanocassures métalliques, structures d'accueil de molécules, puis d'y insérer une molécule pour réaliser un transistor moléculaire. Connaître les propriétés de transport de la structure d'accueil est un point clé pour la fabrication du transistor moléculaire et la compréhension de ses propriétés électroniques. Les nanocassures sont obtenues par électromigration d'un nanofil d'or. Une forte densité de courant entraine le déplacement des atomes d'or et provoque la rupture du nanofil. Le processus d'électromigration contrôlée développé lors de cette thèse est effectué à température ambiante, et permet de limiter les déplacements atomiques afin d'obtenir des coupures de taille nanométrique. L'échantillon est immédiatement refroidi à 4K pour limiter tous processus diffusifs dégradant la nanocassure formée, et il est caractérisé électriquement. L'ajustement des courbes I-V par un modèle tunnel donne les travaux de sortie des électrodes et la distance inter-électrodes, distance à comparer avec la taille de la molécule. La courbe I-V permet aussi de détecter la présence d'agrégats métalliques piégés entre les électrodes lors de l'électromigration. La dernière étape de la réalisation d'un transistor moléculaire est le dépôt de la molécule. Ce dépôt est effectué in-situ à 4K, sous vide, par sublimation d'une poudre de C60 par effet Joule. Les premiers tests montrent qu'il est possible d'obtenir un tapis de molécules sans dégrader les nanocassures.

Ces dernières décennies, l'électronique moléculaire a suscité un intérêt croissant. La construction de jonctions métal / molécules / métal est une étape fondamentale dans la compréhension de ce domaine. Nous avons été témoins d’avancées importantes concernant les jonctions moléculaires tant sur le plan théorique que sur le plan expérimental. Cette thèse se concentre principalement sur l'étude du transport de charge à travers les jonctions moléculaires. Des polymères conducteurs et des filaments de cuivre ont été déposés, par électrochimie avec un microscope électrochimique à balayage (SECM), entre une pointe et une électrode substrat. Ainsi, nous avons développé une nouvelle façon de réaliser des contacts atomiques et des jonctions moléculaires permettant de contrôler, d’activer et de protéger ces systèmes.La fabrication de jonctions à grille redox de polymères conducteurs, tel que le PEDOT et le PBT, a été effectuée dans l’intervalle micrométrique séparant les deux électrodes du SECM. Ces nano-jonctions, hautement stables et réversibles, ont montré des conductances de 10-7-10-8 S dans leur état conducteur. Ces résultats, liés à la croissance du polymère, donnent à penser que la conductance de l'ensemble de la jonction est régie par 20 à 100 oligomères.Afin d’obtenir des nano-jonctions de manière contrôlée, une méthode combinant la stratégie dite « Break Junction » (BJ) et le SECM a été mise en place. Une nano-jonction peut être obtenue en éloignant la pointe de sa position initiale. Les variations de conductance obtenues ont montré que des jonctions moléculaires au PEDOT peuvent être brisées par paliers. Des paliers de conductance ont été mesurés par SECM-BJ, et sont comparables à ceux observés par des approches STM-BJ classiques. La technique SECM-BJ s’est avérée efficace pour la fabrication et l’étude de jonctions moléculaires de polymères à grille redox. Le SECM permet également de réaliser des nano-jonctions en utilisant une stratégie d'auto-terminaison. La croissance du polymère peut être arrêtée dès que quelques brins de polymère relient les deux électrodes initialement séparées. La taille de la jonction peut donc être contrôlée par cette méthode. Les jonctions au PTFQ et PFETQ ont montré des propriétés de transport ambipolaires. Lorsque les jonctions sont constituées de plusieurs fibres, un déséquilibre dans le transport est observé entre canaux de type p- et n-. Au contraire, un équilibre est mis en évidence lorsque les jonctions atteignent une taille nanométrique. Nous attribuons cet effet à un mécanisme de transport qui passe d’un régime diffusif (loi d’Ohm) à un régime balistique (quantique) lorsque les dimensions du dispositif deviennent nanométriques.Par ailleurs, le comportement d’électrodes d’ITO avec des nanoparticules d’or (Au NPs/ITO) dénote la présence de plasmons localisés de surface (LSP). Ces substrats ont été utilisés, sous irradiation lumineuse, pour activer la jonction démontrant ainsi que la résonance plasmon peut induire une réduction électrochimique. La diminution de conductance observée peut être attribuée à des électrons chauds générés par les plasmons sur les nanoparticules d’Au piégées dans la jonction de PEDOT, réduisant celui-ci en un état isolant.Enfin, des nano-fils de cuivre ont été élaborés par SECM en utilisant un procédé électrochimique. L’étude du transport a permis de suivre la formation de ces fils entre des électrodes asymétriques. Une étude similaire a été conduite sur une électrode constituée d’un film de silice mésoporeuse sur ITO. Les films ont une épaisseur de 115 nm et les filaments de cuivre sont protégés par encapsulation dans des canaux poreux verticaux d’environ 3 nm de diamètre
Molecular electronics has attracted increasing interest in the past decades. Constructing metal/molecules/metal junctions is a basic step towards the investigation of molecular electronics. We have witnessed significant development in both experiment and theory in molecular junctions. This thesis focuses mainly on the study of charge transport through molecular junctions. Conducting polymers and copper filaments were electrochemically deposited with a scanning electrochemical microscope (SECM) configuration between a tip and a substrate electrode. In doing so, we have developed a new way to fabricate atomic contact and molecular junctions, and we have explored the possibility to control, protect and switch these systems.Firstly, SECM, where two microelectrodes are located face-to-face separated by a micrometric gap, has been successfully used for the fabrication of redox-gated conducting polymers junctions, such as PEDOT and PBT. Highly stable and reversible redox-gated nano-junctions were obtained with conductance in the 10-7-10-8 S range in their conducting states. These results, associated with the wire-like growth of the polymer, suggest that the conductance of the entire junction in the conductive state is governed by less than 20 to 100 oligomers.Secondly, to obtain the nano-junctions in a controllable way, a break junction strategy combined with the SECM set up is adopted. A nano-junction could be acquired by pulling the tip away from its initial position. And conductance traces showed that PEDOT junctions can be broken step by step before complete breakdown. Similarly as STM-BJ conductance steps were observed on a PEDOT molecular junction before break down by using SECM-BJ. SECM break junction technique proved to be an efficient way of molecular junction fabrication studies, especially for redox gated polymer molecular junctions. Moreover, a self-terminated strategy is found to be another way to obtain nano-junctions. An external resistance connected to the electrode plays an important role in controlling the size of conducting polymer junctions.PFTQ and PFETQ molecular junctions exhibit well-defined ambipolar transport properties. However, an unbalanced charge transport properties in n- and p- channel for these two polymer junctions was observed when the junctions are in the fiber device scale. In contrast, when molecular junction changes into nano-junction, a balanced n- and p-channel transport property is acquired. We propose that such effect is due to charge transport mechanism changing from diffusive (ohm’s law) to ballistic (quantum theory) when the junction size is reduced from fiber devices to nanodevices.High stable Au NPs/ITO electrodes exhibit a well localized surface plasmon (LSP) behavior. These plasmonic substrates have been successfully used to trigger switching of molecular junctions under light irradiation, demonstrating that surface plasmon resonance can induce electrochemical reduction. Such conductance reduction can be attributed to the hot electrons plasmonically generated from gold nanoparticles trapped into the PEDOT junction, resulting in PEDOT being reduced and changed to an insulating state.Finally, copper metallic nanowires were generated using an electrochemical self-terminated method based on SECM configuration. The presence of a few atoms that control the electron transport highlights the formation of metallic nanowires between the asymmetric electrodes. Furthermore, a similar study was performed on mesoporous silica film on ITO used as a substrate electrode. The mesoporous silica films have vertically aligned channels with a diameter of about 3 nm and a thickness of 115 nm, which play a crucial role in protecting the copper filament

Dans le domaine de l’électronique moléculaire, la connexion d’un faible nombre de molécules est l’un des défis majeurs. Ce travail de thèse porte sur l’utilisation de nanotubes de carbone comme électrodes dans deux configurations distinctes. Dans la première, un nanotube métallique mono-feuillet individuel est utilisé pour former une jonction de taille nanométrique de type métal/couche moléculaire auto-assemblée (SAM)/nanotube. Le cas d’une SAM isolante est comparé au cas d’une SAM basée sur un système σ-π-σ. Les caractéristiques obtenues dans le premier cas permettent de déterminer les paramètres de cette barrière tunnel moléculaire. Dans le second, nous obtenons des caractéristiques électriques structurées. Nous proposons pour ce système un modèle où le transport est modulé via l’orbitale occupée de plus haute énergie. Lorsqu’un nanotube semi-conducteur est utilisé, la géométrie du dispositif permet également d’étudier le comportement d’un transistor à nanotube de carbone où la SAM isolante est alors utilisée comme diélectrique de grille ultra-fin. Les dispositifs ainsi réalisés montrent d’excellentes performances de commutation. Nous soulignons le rôle capital du dipôle électrique constitué par la SAM sur les propriétés de modulation du transistor. Dans la seconde configuration, nous avons étudié et optimisé une chimie de synthèse afin de réaliser en solution un grand nombre de jonctions mono-moléculaires où la molécule unique est connectée par des liaisons covalentes à deux nanotubes. Après dépôt sur surface, nous effectuons des caractérisations électriques pour une molécule d’éthylènediamine connectée par deux nanotubes mono-feuillets
Connecting a small number of molecules is an ongoing challenge in molecular electronics. During this thesis work, we have used carbon nanotubes as electrodes in two distinct configurations. In the first one, a single-walled metallic nanotube is used to build a nanometer-sized metal/self assembled monolayer/metal junction. The case of an insulating SAM is compared to the one of a σ-π-σ system. The characteristics obtained in the first case allow determining the insulating molecular barrier parameters. In the second one, we obtain structured electrical characteristics. For this system, we propose a model where the transport is modulated via the highest occupied molecular orbital. When a semiconducting nanotube is used, the proposed device geometry enables studying the behaviour o a nanotube transistor where the insulating SAM is used as an ultra-thin gate dielectric. The realized devices display excellent switching performances. We underline the major role of the SAM dipole on the transistor modulation properties. In the second configuration, we have studied and optimized a chemical synthesis to make a high number of single-molecule junctions in solution where the single molecule is connected through covalent bonds to carbon nanotubes. After deposition, we characterize a single molecule of ethylenediamine connected by two single-walled nanotubes

Le transport électrique dans les jonctions tunnel minces de type MIS a été analysé en utilisant la dépendance en température du courant et de l’admittance en fonction de la tension sur des jonctions Hg//ML–nSi. Le taux de couverture et l’épaisseur des couches moléculaires (-CnH2n+1, -C10H20-COOH) formant une liaison covalente avec le Si(111), avant et après fixation de clusters (Se8Re6(TBP)4(OH)2, Mo6Br8F6), sont obtenus par XPS et par ellipsométrie. Les caractéristiques électriques ont été interprétées en utilisant un nouveau modèle de transport dans les jonctions MIS de très faible épaisseur. Nous avons observé que les groupements fonctionnels (acide et clusters) modifient la structure électronique de la jonction et par conséquent la caractéristique I(V). Aux faibles tensions en direct, dominées par l’émission thermoïonique, on observe une dépendance linéaire de la hauteur de barrière thermoïonique en fonction de la température. Aux fortes tensions, le modèle de Simmons est utilisé pour décrire la dépendance de la transparence de la barrière tunnel en fonction de la tension. La distribution des défauts localisés à l’interface est déduite des mesures de l’admittance (basse fréquence) et de la modélisation du temps de réponse τR(V) en utilisant un modèle de jonction tunnel hors équilibre. La faible densité de défauts près du milieu de gap indique une bonne passivation des liaisons pendantes à l’interface ML / Si de la jonction
Electrical transport in ultrathin Metal-Insulator-Semiconductor (MIS) tunnel junctions is analyzed using the temperature dependence of current voltage and admittance spectroscopy measurements applied to Hg // ML – n Si junctions. The coverage and thickness of molecular layers (-CnH2n+1, -C10H20-COOH) covalently bonded to Si(111), before and after capping with clusters (Se8Re6(TBP)4(OH)2, Mo6Br8F6), are deduced from XPS and ellipsometry. The I(V) characteristics are described using a new model for transport in ultrathin MIS junctions. We observe that functional groups (acid, clusters) modify the electronic structure of the junction and consequently the I(V) characteristics. In the low forward bias regime governed by thermionic emission, the observed linear T-dependence of the effective barrier height provides the thermionic emission barrier height and the tunnel barrier attenuation. In the high-forward-bias regime, the bias dependence of the tunnel barrier transparency is approximated by a modified Simmons model for a rectangular tunnel barrier. The density distribution of defects localized at the ML / Si interface is deduced from admittance data (low-high frequency method) and from a simulation of the response time τR(V) using a model for a non equilibrium tunnel junction. The low density of electrically active defects near mid-gap indicates a good passivation of dangling bonds at the ML / Si interface