Dans le cadre de cette thèse, nous avons développé une technique expérimentale basée sur un traitement laser ultraviolet continu permettant la croissance de nanoparticules (NP) d'argent et/ou d'or dans des verres soda-lime préalablement dopés aux ions Ag+ et/ou Au3+. L'originalité de cette méthode réside dans la très forte photosensibilité du verre à la longueur d'onde utilisée (244 nm), par rapport aux résultats de la littérature. Dans les verres échangés à l'argent, des NP de grand diamètre (jusqu'à 250 nm) et très concentrées ont été obtenues et le mécanisme de leur formation a été explicité. Nous avons ensuite montré que les substrats ainsi fabriqués sont adaptés pour la détection d'espèces chimiques faiblement concentrées via l'effet de diffusion Raman exaltée de surface, en choisissant comme molécule test la rhodamine 6G, ce qui était le but initial de ce travail. Nous nous sommes ensuite intéressés à la nanostructuration du verre par des NP d'argent : ainsi, des lignes de NP (de diamètre 80 nm), périodiquement espacées de 160 nm ont été obtenues pour des durées d'insolation " suffisamment longues ". Après avoir caractérisé expérimentalement ces arrangements périodiques de NP d'argent, nous avons montré un très bon accord entre nos résultats expérimentaux et la théorie classique des ripples (ou modèle de Sipe). Ce résultat est sans aucun doute le plus original de ce travail de thèse. D'autre part, nous avons montré que l'insolation laser à 244 nm permet la croissance de NP d'or de diamètre 50 nm dans les verres dopés Au3+ par poling thermique. Le codopage du verre avec des NP d'argent et d'or a également été obtenu

Les polyazamacrocycles trouvent de nombreuses applications dans le domaine de la complexation de cations métalliques ou d'anions. Le laboratoire à longtemps étudié la fonctionnalisation des dérivés tétraazamacrocycliques et leurs propriétés de complexation. Afin d'accroître le savoir-faire du laboratoire et d'explorer de nouvelles propriétés de complexation des polyamines cycliques, nous nous sommes intéressé à transposer ce savoir à la fonctionnalisation d'un macrocycle plus petit : le tacn. Ce travail repose sur la mise au point d'une nouvelle stratégie de fonctionnalisation sélective du tacn et la synthèse de nouveaux dérivés. Les composés obtenus ont permis l'étude de leurs propriétés de complexation vis-à-vis de différents métaux de transition. Les propriétés de complexes de cuivre (II) ont été étudiées pour des applications en imagerie TEP ou en radioimmunothérapie. La détection de zinc (II) basée sur une détection IRM par de nouvelles sondes ditopiques tacn-do3a a été étudiée. La complexation de fer (II) pour des applications en transition de spin ont également permis de déterminer les propriétés de complexation de dérivés du tacn.

L'objectif de ces travaux est d'étudier les effets d'une irradiation ultrasonore haute fréquence (500 kHz) sur la synthèse électrochimique de polymères conducteurs en milieu aqueux. Les ultrasons favorisent la réaction de polymérisation électrochimique en augmentant le transport des espèces électroactives vers l'électrode. Ils engendrent des films plus compacts, présentant une topographie plus fine et plus homogène. Les effets chimiques engendrés par la propagation de l'onde acoustique permettent un meilleur taux de dopage des films. Néanmoins, leur conductivité électrique se trouve légèrement diminuée, dû à une dégradation des chaînes polymères par l'activité cavitationelle. La possibilité de contrôler les propriétés de morphologie fut mise à profit dans différentes applications comme celles des capteurs pH potentiométriques ou des revêtements anti-corrosion. Pour de telles applications, utilisant ces films en tant que couche fonctionnelle, les surfaces obtenues en présence d'irradiation ultrasonore mènent à de meilleurs résultats. Une technique de masquage sélectif à base d'ultrasons focalisés a également été développée afin d'élaborer un substrat biphasique laissant présager d'intéressantes applications biologiques

Les nanotubes de carbone possèdent d’excellentes propriétés mécaniques, thermiques, électriques…, ce qui en fait un candidat de choix pour le développement de nouveaux matériaux pour de nombreuses applications. Cependant, leur mauvaise dispersion dans les solvants et les matrices reste encore aujourd’hui le principal problème pour l’obtention de matériaux composites homogènes. Cette thèse présente une nouvelle voie de fonctionnalisation des nanotubes de carbone réalisée en milieux fluides supercritiques. La fonctionnalisation organique proposée via une oxydation de surface des NTC présente de nombreux avantages par rapport aux techniques conventionnelles. La fonctionnalisation inorganique des NTC par les nanoparticules de palladium et d’argent a servi de modèle pour mieux appréhender le dépôt de nanoparticules de cuivre et déboucher ainsi à la réalisation de matériaux composites cuivre/NTC. / Carbon nanotubes possess excellent mechanical, thermal, electrical properties and so on. Therefore they are excellent candidates for the development of new materials potentially used in numerous applications. However, obtaining homogenous composite materials requires, as well in solvents or in matrices, a good dispersion of carbon nanotubes which is still a problem. This work presents a new way to functionalize carbon nanotubes using supercritical fluids. The proposed organic functionalization, a surface oxidation of carbon nanotubes, turns out to be favourable compared with conventional techniques. Inorganic functionnalization was first performed with palladium and silver nanoparticles depositions. Information provided by these previous depositions was used to carry out depositions of copper nanoparticles leading to the formation of copper/CNT composites.

La synthèse contrôlée de nanoparticules constitue toujours un enjeu majeur en science des matériaux (pour des applications telles que la catalyse par exemple) et la voie «fluides supercritiques» permet de répondre en partie à ce challenge. Dans ce contexte, ce travail de thèse a été consacré à l’élaboration de nanostructures d’oxyde de cérium aux caractéristiques contrôlées (tailles, morphologies, propriétés de surface,…) par synthèse solvothermale supercritique. A partir de l’étude de l’influence des paramètres opératoires du procédé sur les caractéristiques physico-chimiques des nanomatériaux obtenus, des mécanismes de formation et de fonctionnalisation de surface ont été proposés. D’un point de vue applicatif, ces poudres ont été caractérisées qualitativement et quantitativement vis-à-vis de la capture réversible du CO2. / The controlled synthesis of nanoparticles remains of key importance in materials science (for applications such as catalysis for instance) and “supercritical fluids” processes allow partially addressing this challenge. In this context, this PhD work has been dedicated to the synthesis of cerium oxide nanostructures with controlled characteristics (size, morphology, surface property,…) by supercritical solvothermal approaches. Through the study of the influence of process operating parameters on physicochemical characteristics of the synthesized materials, formation and surface modification mechanisms have been proposed. From an applicative point of view, powders have been submitted to qualitative and quantitative characterization towards CO2 capture.

Si le graphène est un candidat prometteur pour de nombreuses applications, il reste des questions fondamentales à résoudre. Les objectifs de cette thèse visent à obtenir une crois- sance de graphène de haute qualité, à développer de nouveaux concepts de transfert pour réaliser de nouveaux dispositifs tout en contrôlant la formation de défauts dans sa struc- ture. Nous avons été en mesure d'augmenter la surface d'une monocouche polycristalline de graphène d'une échelle de quelques centimètres à celle d'une plaquette de silicium sans changer de chambre CVD. D'autre part, nous avons démontré une méthode permettant de diminuer la densité de nucléation et ainsi d'obtenir du graphène monocristallin de quelques centaines de microns. Concernant la réalisation de nouveaux dispositifs, nous avons obtenu des circuits à base de graphène polycristallin empilés par transferts successifs où la région de bicouche artificielle se comporte comme un bicouche intrinsèque. Nous avons également développé une nouvelle méthode pour suspendre le graphène à l'échelle macroscopique sur des supports en piliers. Dans un tel système, les contraintes dans le graphène restent in- férieures à 0,2%. Par la suite une méthode de dépôt d'électrodes par voie sèche a été développée pour éviter toute dégradation du graphène. Ce processus de transfert a été amélioré pour atteindre des tailles de substrats allant jusqu'à 4 pouces pour le silicium et le saphir. Il a été enfin utilisé comme électrode transparente d'une LED à puits quantiques pour remplacer des électrodes Ni / Au . Nous avons mis au point des procédés de création sélective de défauts sur le graphène. Tout d'abord des défauts ont été induits chimiquement de façon contrôlable et ont été analysés par spectroscopie Raman et microscopie électronique en transmission qui ont révélé un mécanisme en deux étapes de formation de défauts dans la structure de graphène. Nous avons également étudié l'effet des défauts chargés adsorbés sur la surface du graphène sans former de liaisons avec lui. Contrairement à la littérature où les particules chargées sont déposées a posteriori, les nanoparticules chargées étaient présentes pendant la croissance sur cuivre. Nous interprétons l'existence d'une bande de phonons D' très intense devant celle de la D, et encore jamais signalée avec la présence de ces nanoparticules / Though graphene is strong candidate to make various applications, still there are issues that need to be resolved. The purpose of this thesis is to grow high quality graphene and transfer it to make new graphene based devices and to engineer defects into graphene structure. We have been able to increase the growth polycrystalline monolayer graphene from few centimeter scale to wafer scale without changing the CVD chamber. At the same time, we have demonstrated a method to decrease the nucleation density which allows us to grow large single crystal graphene from few to hundreds of micrometer. Concerning new design of graphene based devices, the polycrystalline graphene was trans- ferred to create artificial bilayer crossbars where the bilayer region behaved like naturally grown bilayer graphene. We have also developed a novel method of suspending graphene in macroscopic scale in pillared surface. In such a system, the strain in graphene is found to be less than 0.2%. Thereafter a completely dry method of depositing electrodes was developed which prevents damaging of graphene. The scale and process of transferring graphene was improved to different substrates such as 4 inch Si and sapphire substrates. It was used as transparent electrode to in a quantum well LED to replace the Ni/Au electrodes. We have been able to engineer defects into graphene. Firstly defects were induced in a controllable way using chemical method and were analyzed using Raman spectroscopy and Transmission Electron Microscopy which revealed a two step mechanism of defect formation in the graphene structure. We have also studied the effect of charged defects which adsorb onto the graphene surface without forming bonds with it. Unlike in literature where charged particles were deposited onto graphene, here the charged nano particles were present dur- ing the growth process in the copper foil. We believe that due to these nano particles, the intensity of D' phonon is greatly enhanced. Such anomalously higher intensity of D' band compared to D band has not been reported before

Les travaux présentés dans ce manuscrit traitent de l’optimisation du procédé de dépôt de couches minces sur un fil d’acier inoxydable en mouvement. Deux magnétrons cylindriques inversés (ICM) sont utilisés pour étudier différents aspects de la pulvérisation cathodique. Dans un premier temps, un modèle analytique permettant l’évaluation des contributions thermiques à l’échauffement du substrat est confronté à des séries de mesures. Les résultats obtenus sont concluants mais souffrent de l’inhomogénéité du champ magnétique, lequel est à l’origine de pertes localisées d’électrons secondaires de haute énergie. Afin de limiter la contribution thermique des charges sur le substrat, des anodes auxiliaires, destinées à récupérer le flux d’énergie, sont ajoutées à chaque extrémité des magnétrons. Leur influence sur la distribution du plasma, sur la microstructure et sur la composition chimique des dépôts est alors discutée. Dans une seconde partie, l’étude des magnétrons lors de dépôts réactifs met en avant la nécessité d’homogénéiser le champ magnétique dans les cathodes. Une discussion est alors conduite sur l’influence du champ magnétique sur la distribution des vitesses de dépôt au sein des magnétrons et un modèle analytique, ayant pour but de reproduire les profils de dépôt, est développé sur la base des résultats obtenus. Une étude paramétrique (pression, distance cible – substrat, intensité du champ magnétique) est aussi réalisée afin de déterminer les conditions de dépôt optimales dans un ICM. Finalement, de la modélisation par éléments finis à l’aide d’un logiciel commercial vient clore le manuscrit. / The work presented in this manuscript deals with the optimization of the process of deposition of thin films on a moving stainless steel wire. Two inverted cylindrical magnetrons (ICMs) are used to study different aspects of sputtering. At first, an analytical model allowing the evaluation of the thermal contributions to the heating of the substrate is confronted with series of measurements. The results obtained are conclusive but suffer from the inhomogeneity of the magnetic field, which is responsible for the localized loss of high energy secondary electrons. In order to limit the thermal contribution of the charges on the substrate, auxiliary anodes designed to recover the energy flow, are added to each end of the magnetrons. Their influence on the plasma distribution, the microstructure and the chemical composition of the coatings is then discussed. In a second part, the study of reactive sputter deposition with ICMs highlights the need to homogenize the magnetic field in the cathodes. A discussion is then conducted on the influence of the magnetic field on the distribution of deposition rates within the magnetrons and an analytical model, aimed at reproducing the deposition profiles, is developed on the basis of the results obtained. A parametric study (pressure, target – substrate distance, magnetic field strength) is also performed to determine optimal deposition conditions in an ICM. Finally, finite element modeling using commercial software closes the manuscript.

Cette thèse a pour objectif la mise au point d’une méthode permettant l’élimination d’ionsmétalliques toxiques (Ni2+, Cu2+ et Zn2+) présents dans des solutions aqueuses au moyen de membranesorganiques d’ultrafiltration modifiées chimiquement par des films polymères.La première méthode utilisée pour modifier les membranes est la technique dite layer-by-layerqui consiste à former un film multicouches à la surface des membranes par adsorption alternée de deuxpolyélectrolytes de charge opposée (l’hydrochlorate de poly(allylamine) et le poly(styrène sulfonate)).Après modification, les membranes sont caractérisées afin de déterminer leurs propriétés ainsi que cellesdes films polymères. Puis, des solutions aqueuses contaminées par un ou plusieurs ions métalliques sontfiltrées à travers les membranes. L’analyse des solutions résultant de ces filtrations montre que lesmembranes modifiées permettent d’éliminer une grande proportion des ions polluants et ce même enprésence de solutions polymétalliques très concentrées. Une étude du vieillissement des membranesmodifiées permet de démontrer que leur capacité de filtration reste effective même après plusieursdizaines de filtrations consécutives. Afin d’améliorer encore les performances en terme d’élimination,la filtration membranaire est ensuite couplée à une étape d’adsorption sur des particules de silicesfonctionnalisées par des composés organiques. Ce couplage permet d’augmenter encore le taux derétention des ions métalliques après filtration/adsorption et aboutit donc à un procédé dedécontamination très performant.Une seconde méthode est également utilisée pour modifier les membranes, il s’agit de lapolymérisation plasma. Des films de poly(allylamine) sont ainsi déposés sur les membranes au moyende cette technique en utilisant diverses conditions opératoires. Il apparaît que l’utilisation d’une faiblepuissance de plasma durant l’élaboration des films polymères conduit aux films présentant les plus fortesquantités d’amines, ce qui permet aux membranes modifiées dans ces conditions d’être très performantesen matière de filtration des ions métalliques grâce aux propriétés de chélations des fonctions aminesenvers ces ions. / The aim of this work is to study the efficiency of a decontamination method allowing theremoval of metallic ions (Ni2+, Cu2+ and Zn2+) by using chemically modified organic ultrafiltrationmembranes.The first functionalization method used to modify membranes is called layer-by-layer method.It consists in the formation of a multilayer film on the surface of the membrane thanks to the alternateadsorption of polyelectrolytes having an opposite charge (poly(allylamine hydrochloride) andpoly(styrene sulfonate)). The properties of these modified membranes and the properties of the polymerfilm are then characterized. After that, the filtration performances of the modified membranes are testedby filtering the aqueous solutions containing either single ion or mixed-ions solutions. The long-termperformance of the modified membranes is also studied to demonstrate their capacity to filter thepolluted solutions several times successively. The filtration technique is then coupled with adsorptionon the modified silica particles, in order to increase the retention rates of metallic ions after the filtrationprocess. This results in a very performant two-steps treatment.The second functionalization method used is the plasma polymerization. Thus, poly(allylamine)films are deposited on membranes using this technique with various operating conditions. It is shownthat the use of a low plasma power during the polymerization leads to the films containing the highestamount of amines, which allow the membranes modified with this film to be very efficient to removemetallic ions from aqueous solutions thanks to the chelation properties of amines towards such ions.

La biomasse lignocellulosique est au cœur du développement de la bioraffinerie de par l’intérêt de fractionner ses composants avec divers procédés pour la production de biocarburants, de molécules d’intérêt et de matériaux agro-sourcés. L’objectif de cette thèse visait à étudier la transformation des xylanes du son de blé en molécules tensio-actives (esters de pentoses). Cette transformation a été envisagée en deux étapes : une première étape d’hydrolyse du son de blé par des hémicellulases pour la production de xylose et d’arabinose, suivie d’une seconde étape d’acylation de ces glucides par une lipase pour accéder aux esters de pentoses. La thèse s’est principalement focalisée sur l’étude de la transestérification de D- xylose et de L-arabinose (purs ou issus d’un hydrolysat de son de blé) et du laurate de vinyle par la lipase immobilisée N435. L’influence de divers paramètres réactionnels a été étudiée. Des mono- et diesters lauriques de D-xylose et de L-arabinose, dont la structure a été caractérisée, sont produits par la lipase. Les propriétés physico-chimiques de ces esters lauriques de pentoses, originaux et nouvellement décrits, ont été évaluées et ont montré l’intérêt de ces molécules en tant que tensio-actifs. Une approche préliminaire a également été développée pour étudier la synthèse d’esters lauriques de xylo-oligosaccharides par la lipase N435. Nos résultats montrent que cette production a lieu mais qu’elle est moins efficace que dans le cas des monosaccharides. La transestérification catalysée par la lipase N435 reste dans ce cas à optimiser, de même que la purification et la caractérisation de ces esters lauriques de xylo-oligosaccharides. / Lignocellulosic biomass is at the center of biorefinery development. This development is achieved by the fractionation of the main components of lignocellulosic biomass (cellulose and hemicelluloses) in order to produce biofuels, molecules of interest and agromaterials.This PhD thesis had the objective to study the transformation of wheat bran xylanes into pentose based surfactants. A two steps system was studied, a first step of enzymatic hydrolysis of wheat bran with hemicellulases (to produce xylose and arabinose) and a second step of sugar acylation catalyzed by a lipase to produce pentoses based surfactants.The PhD thesis mainly focused on the transesterification of D- xylose and L-arabinose (pure or obtained from wheat bran hydrolysate) by the immobilized lipase N435 with vinyllaurate. Several parameters were studied. Lauryl mono- and diesters of D- xylose and L-arabinose were produced by the lipase and their structures were elucidated. Physico-chemical properties of the original and newly produced pentoses based esters were investigated and shown the surfactant potential of these molecules. A preliminary approach was also developed to study the enzymatic synthesis of lauryl xylo-oligosaccharides esters by the lipase N435. Our results showed that such a production is possible but is less efficient than with monosaccharides. The production by transesterification of xylo-oligosaccharides with the lipase N435 needs to be optimized as well as the purification and the characterization of lauryl xylo-oligosaccharides esters.

Les biocapteurs ont pour objectif de détecter de faible quantité de biomolécules afin d'améliorer laqualité et la précocité des diagnostics médicaux. Parmi eux, les transistors à nanofils sont desdispositifs prometteurs, car ils permettent la détection électrique de biomolécules sans marquage avecune grande sensibilité et un temps de réponse court. Actuellement, la plupart de ces dispositifs utilisedes nanofils de silicium, qui peuvent être limités par une faible résistance chimique, ce qui entrainedes variations du signal en présence de solutions biologiques. Pour palier ces inconvénients, le carburede silicium (SiC) est un matériau prometteur déjà utilisé dans le domaine biomédical pour lafabrication ou le recouvrement de prothèses ou de vis médicales. Outre ses propriétés semiconductrices,ce matériau est biocompatible et montre une forte inertie chimique. Par conséquent, ilouvre une voie à l'intégration in-vivo des capteurs.L'objectif de cette thèse est d'élaborer des biocapteurs SiC à l'échelle nanométrique pour détecter desmolécules d'ADN. La première étape est la fabrication des transistors à base de nanofils SiC à grillearrière. Un procédé original de fonctionnalisation combiné avec la lithographie et aboutissant augreffage covalent de molécules sondes d'ADN a été mis au point. Finalement, la réponse des capteursa été mesurée entre chaque étape du protocole de fonctionnalisation. Les variations du signal lors desétapes de greffage et d'hybridation des molécules d'ADN démontrent la capacité de ces dispositifs àdétecter des molécules d'ADN. Des mesures complémentaires ont aussi montré la stabilité, lasélectivité et la réversibilité du dispositif. / Biosensors are designed to detect small quantities of biomolecules in order to improve the accuracyand earliness of medical diagnosis. Among them, nanowire transistors are promising devices, as theyallow the electrical detection of biomolecules without labeling with high sensitivity and a shortresponse time. Currently, most of these devices use silicon nanowires, which can be limited by a lowchemical resistance, which leads to signal variations in the presence of biological solutions. Toovercome these limitations, silicon carbide (SiC) is a promising material already used in thebiomedical field for the coating of prosthesis or bone screws. In addition to its semiconductingproperties, this material is biocompatible and shows a high chemical inertness. Therefore, it opens theway for in vivo integration of sensors.The goal of this thesis is to develop SiC biosensors at the nanoscale to detect DNA molecules. Thefirst step is the fabrication of SiC nanowire-based back gate transistors. A novel process combiningfunctionalization and lithography leading to the covalent grafting of DNA probe molecules has beendeveloped. Finally, the sensor response was measured between each step of the functionalizationprocess. The variations of the signal during the steps of grafting and hybridization of DNA moleculesdemonstrate the ability of these devices to detect DNA molecules. Additional steps have also shownthe stability, selectivity and reversibility of the device.