La nanostructure et les propriétés électroniques de matériaux modèles pour le photovoltaïque organique, ont été étudiées en utilisant la Microscopie à Force Atomique en mode non contact sous ultra-vide (NC-AFM) et la Microscopie à sonde de Kelvin (KPFM). En utilisant le mode modulation d'amplitude (AM-KPFM), le potentiel de surface photo- généré dans des mélanges donneur-accepteur présentant une ségrégation de phase optimale a pu être visualisé à l'échelle du nanomètre. Afin de préciser la nature des forces mises en jeu dans le processus d'imagerie KPFM, des oligomères π-conjugués auto-assemblés ont ensuite été étudiés. Une transition entre régimes à longue et à courte portée a ainsi été mise en évidence en combinant l'imagerie en haute résolution aux mesures de spectroscopie en distance. Ces mesures ont également démontré que l'influence des forces électrostatiques à courte portée peut être minimisée en travaillant au seuil du contraste de dissipation. Enfin cette procédure a été utilisée, en combinaison avec les mesures de spectroscopie de photoélectrons UV, pour analyser la fonction de sortie locale d'électrodes transparentes à base de nanotubes de carbone fonctionnalisés.

Dans cette thèse, nous avons étudié les propriétés photoniques et vibrationnelles de monocouches moléculaires auto-assemblées sur graphène et la possibilité d'utiliser des multicouches auto-assemblées de pérylène comme milieu à gain pour l'amplification de plasmons. Le graphène, en tant que matériau transparent et conducteur, a permis pour la première fois de corréler la géométrie du réseau de l’auto-assemblage supramoléculaire avec ses propriétés optiques, grâce à la microscopie à effet tunnel et à des mesures de spectroscopiques optiques et Raman. En comparant plusieurs colorants autoassemblés sur le graphène, nous avons mis en lumière les effets des interactions intermoléculaires et des interactions colorant-graphène sur le spectre d'absorption du colorant adsorbé. Le transfert d'énergie rapide des colorants vers la couche degraphène par les mécanismes de Förster et de Dexter empêche toute relaxation radiative du colorant..Néanmoins, nous avons démontré la première fonctionnalisation fluorescente non-covalente du graphène par une monocouche de colorants autoassemblée en mettant en place une stratégie à base d’espaceurs. Nous avons exploité l’extinction rapide de la fluorescence des colorants par le graphène pour étudier les spectres Raman des auto-assemblages moléculaires sur graphène, et nous avons révélé l'apparition d'un mode vibrationnel couplé entre les molécules adsorbées et le substrat de graphène. Nous avons démontré le régime de couplage fort entre un auto-assemblage tri-dimensionnel de pérylène et un plasmon polariton de surface en optimisant l'orientation et l'organisation des molécules de colorant par rapport au champ électrique du mode de plasmon. Nous avons prouvé que les milieux de gain auto-assemblés en agrégats-J peuvent théoriquement conduire à des milieux de gain efficaces pour l'amplification de plasmons. Cependant, nous avons révélé expérimentalement que les recombinaisons exciton-exciton limitent le taux de pompage à des fluences élevées dans ces milieux denses. / In this work, we have studied thephotonic and vibrational properties of selfassembled molecular monolayers on graphene and the possibility to use perylene self-assembled multilayers as a gain medium for plasmon amplification. Graphene, as a transparent and conductive material, has offered for the first time to correlate the self-assembly structure as deduced from scanning tunneling microscopy to photonic properties as analyzed by optical and Raman spectroscopy measurements. By comparing several self-assembled dyes on graphene we have shed lighton how intermolecular and dye-graphene interactions modify the absorption spectrum of the adsorbed dye.Fast Förster and Dexter energy transfer from the adsorbed dyes to the graphene layer prevent any radiative decay of the dye.Nevertheless, we have demonstrated the first fluorescent non-covalent functionalization of graphene by a supramolecular self-assembled monolayer using a spacer approach.We have exploited the fast dye fluorescence quenching by graphene to study Raman spectra of self-assembled dye on graphene, and we have shown the appearance of a coupled vibrational mode between the adsorbed molecules and the graphene substrate. We have demonstrated the strong couplingregime between a three-dimensional perylene self-assembly and a propagating plasmon polariton by optimizing the orientation and the organisation of the dye molecules compared to the electric field of the plasmon mode. We have shown that J-aggregated self-assembled gain media may theoretically lead to efficient gain media for plasmon amplification. However, we experimentally demonstrated that exciton-exciton recombination limits the achievable pumping rate at high fluences in such dense media.

La nanostructure et les propriétés électroniques de matériaux modèles pour le photovoltaïque organique, ont été étudiées en utilisant la Microscopie à Force Atomique en mode non contact sous ultra-vide (NC-AFM) et la Microscopie à sonde de Kelvin (KPFM). En utilisant le mode modulation d'amplitude (AM-KPFM), le potentiel de surface photo- généré dans des mélanges donneur-accepteur présentant une ségrégation de phase optimale a pu être visualisé à l'échelle du nanomètre. Afin de préciser la nature des forces mises en jeu dans le processus d'imagerie KPFM, des oligomères π-conjugués auto-assemblés ont ensuite été étudiés. Une transition entre régimes à longue et à courte portée a ainsi été mise en évidence en combinant l'imagerie en haute résolution aux mesures de spectroscopie en distance. Ces mesures ont également démontré que l'influence des forces électrostatiques à courte portée peut être minimisée en travaillant au seuil du contraste de dissipation. Enfin cette procédure a été utilisée, en combinaison avec les mesures de spectroscopie de photoélectrons UV, pour analyser la fonction de sortie locale d'électrodes transparentes à base de nanotubes de carbone fonctionnalisés. / In this thesis, noncontact atomic force microscopy (NC-AFM) and Kelvin probe force microscopy (KPFM) under ultrahigh vacuum have been applied to investigate the nanostructure and electronic surface properties of model materials for organic photovoltaics. First, it has been demonstrated that the surface photovoltage of nanoscale phase segregated donor-acceptor photovoltaic blends can be finely resolved at the nanometer scale by using amplitude modulation KPFM (AM-KPFM). Next, model self-assembled π-conjugated oligomers have been investigated, in order to obtain a deeper insight into the nature of the tip-surface forces involved in the KPFM imaging process. A crossover between long-range (LR) and short-range (SR) regimes has been evidenced by combining high resolution imaging with distance-spectroscopy measurements. It has also been shown that the influence of the SR electrostatic forces can be minimized by working at the onset of the damping contrast. Finally, using this procedure, the local work function of flexible transparent electrodes, comprised of functionalized carbon nanotubes by metallic nanoparticles, has been investigated, and compared to the averaged value deduced from ultraviolet photoelectron spectroscopy.