Résumé confidentiel / Résumé confidentiel

Dans cette thèse, des vitrocéramiques et composites à matrice verres ont été élaborés avec pour objectif principal d’étudier les interactions entre la fissure et les différentes inclusions. Dans un premier temps, la nucléation et la cristallisation volumique de sphérulites dans un verre du système BaO-Al2O3-SiO2 ont été étudiées. Puis, l’influence de la cristallisation sur l’élasticité, la dureté et la ténacité a été mesurée. Il est apparu une augmentation de ces propriétés suite à la cristallisation. Après dopage avec des oxydes de terres rares, le verre a été fonctionnalisé par l’apparition de cristaux phosphorescents à la surface du matériau. Dans un second temps, l’influence d’un différentiel de coefficient de Poisson (entre la matrice et les inclusions) sur la propagation d’une fissure a été étudiée. Pour cela des composites à particules et matrices vitreuses ont été élaborés par Spark Plasma Sintering (SPS) et étudiés par Double Cleavage Drilled Compression (DCDC). Il a été mis en lumière une déviation de la fissure quand cette dernière arrive à proximité des inclusions vitreuses dans le cas où le coefficient de Poisson de l’inclusion est inférieur à celui de la matrice. Une déviation de moindre importance a été observée dans le cas inverse. Enfin, des nanocomposites fonctionnalisés par des particules de magnétite (Fe3O4) et d’or ont été obtenus suite à un frittage SPS. Les propriétés apportées par ces particules ont permis le chauffage du matériau, respectivement, par induction et par irradiation laser. Dans le deuxième cas, après un traitement laser de 10 min, une cicatrisation partielle de fissures d’indentation a pu être observée. / In this thesis, glass-ceramics and glass matrix composites have been developed in order to study the interactions between the crack and the various inclusions. Firstly, the nucleation and volume crystallization of spherulites in a glass of the BaO-Al2O3-SiO2 system were studied. Then, the influence of crystallization on elasticity, hardness and toughness was measured. An increase of these properties due to crystallization was observed. After doping with rare earths oxides, the glass was functionalized by surface crystallization of phosphorescent crystals. Secondly, the influence of a Poisson’s ratio differential (between the matrix and inclusions) on the crack propagation was studied. For this purpose, glassy particulate glass matrix composites have been elaborated by Spark Plasma Sintering (SPS) and studied by Double Cleavage Drilled Compression (DCDC). A deviation of the crack in the vicinity of the glass inclusions has been identified in the case where the Poisson’s ratio of the inclusion is lower than the one of the matrix. In the opposite case, less important deviations were noticed. Finally, nanocomposites functionalized with magnetite (Fe3O4) and gold particles were obtained after a SPS treatment. The properties provided by these particles allowed the material to be heated, respectively, by induction and by laser irradiation. In the second case, after a 10 min laser treatment, a partial healing of indentation cracks could be observed.

Depuis les années 90, dans le contexte de la pénurie annoncée d'énergies fossiles et de modifications climatiques, un regain d'intérêt s'est fait sentir pour les énergies renouvelables et, parmi elles, pour la thermoélectricité. Cette dernière permettant la conversion directe entre énergies thermique et électrique devrait permettre la récupération de l'énergie perdue sous forme de chaleur, durant les processus industriels. Cependant, à l'heure actuelle, l'efficacité de la conversion thermoélectrique, évaluée à partir du facteur de mérite, ZT, n'est pas suffisante pour des applications à grande échelle. Cependant, pour évaluer l'impact potentiel de la thermoélectricité, il est nécessaire de prendre en compte d'autres critères que celui de l'efficacité relativement faible de la thermoélectricité, qui la cantonne dans des niches spécifiques, et tels que la faible toxicité des matières premières, leur abondance, leur faible coût et leur facilité de mise en œuvre. Diverses familles de matériaux répondent à ces critères parmi lesquelles les plus favorables sont les siliciures pour les matériaux inorganiques et les polymères conducteurs pour les composés organiques. Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés au disiliciure de chrome (CrSi2) et au polymère PEDOT:PSS.Parmi les siliciures, CrSi2 est un candidat prometteur mais sa grande conductivité thermique est un handicap par rapport aux matériaux conventionnels. Elle peut cependant être réduite par nanostructuration. Nous présentons une étude CrSi2 nanostructurés (10-15 nm) obtenus soit par four à arc suivie d'un broyage mécanique, soit par mécanosynthèse. Ces poudres sont chimiquement stables jusqu'à 1073 K. A plus hautes températures, des phases secondaires apparaissent, notamment CrSi. Grâce à la technique SPS, CrSi2 a pu être densifié jusqu'à 94% en maintenant une taille nanométrique (30-45 nm) ce qui a conduit à une réduction de la conductivité thermique d'un facteur 2 par rapport au composé CrSi2 massif. Malheureusement, le facteur de mérite ZT n'a pas été amélioré en raison de l'accroissement de la résistivité électrique.Guidés par des calculs DFT, nous avons explorés de nouvelles voies de dopage pour améliorer les propriétés thermoélectriques de CrSi2. Des alliages Cr1-xTixSi2, Cr1-xZrxSi2 et Cr1-xMoxSi2 ont ainsi été synthétisés et nous avons étudié leurs propriétés thermoélectriques. A Tamb, le dopage au Ti semblerait de ne pas significativement améliorier le facteur de puissance (PF) pour une porosité de 11% par rapport à nano-CrSi2. Par contre, pour 2% Zr, PF a été amélioré d'un facteur 1.7 pour une porosité de 30%. En plus, il semblerait que le PF de Cr0.98Zr0.02Si2 avec une porosité de 0% est amélioré d'un factuer 1.9 par rapport au CrSi2 massif. Néanmoins, à hautes températures il existe encore un potentiel d'amélioration pour le dopage au Ti. Bien qu'il soit métastable, l'alliage Cr1-xZrxSi2 a pu être obtenu jusqu'à 5% Zr. Une optimisation supplémentaire est encore nécessaire pour les alliages dopés au Ti et Zr. L'alliage Cr1-xMoxSi2 est le plus prometteur avec une amélioration significative du facteur de Mérite (ZTmax > 0.2) pour 10% et 20% de Mo entre 500 et 700 K. Ces valeurs sont supérieures à celle du massif bien que toujours du même ordre de grandeur que le meilleur ZT obtenu pour CrSi2.Enfin, nous avons élaboré des composites à base de CrSi2 associé à du Polypyrrole (PPy) ou du PEDOT:PSS. Aucune amélioration significative n'a été obtenue pour le composite PPy-CrSi2. Dans le cas du PEDOT:PSS, nous avons testé la fonctionnalisation de CrSi2 pour améliorer sa dispersion dans le polymère. Nous avons montré qu'un agent de fonctionnalisation avec un groupement phosphonique réagissant avec Cr est le plus efficace. Cette étape est très prometteuse car il s'agit de la première étude de ce type effectuée dans le cas de l'élaboration de composites à base de siliciures intermétalliques pour des applications thermoélectriques. / In the context of renewable energies, which is related to the shortage of fossil energies and climate change, thermoelectricity has regained interest in recent years (1990s). The concept of this technology is the direct conversion between thermal and electrical energies. This can contribute to a progress in the industrial sector. However, the efficiency of the thermoelectric materials, denoted ZT (figure of merit), is not sufficient for large scale applications. Nevertheless, thermoelectricity can be found in the niche market sector where other criteria are taken into account such as the abundance of the raw elements, their price and toxicity. Several families meet these criteria with the silicides as inorganics materials and conductive polymers as organics materials being the most favorable. The objective of this dissertation was to investigate the chromium disilicide (CrSi2) and PEDOT:PSS.Among the silicides, CrSi2 stands as a promising candidate for thermoelectric applications. However, its relatively high thermal conductivity compared to the conventional materials is considered as a drawback. Therefore, we were interested in nanostructuration in order to reduce this thermal conductivity. Nanostructured CrSi2 is synthesized by arc melting followed by mechanical milling or mechanical alloying with a grain size of 10-15 nm. These powders have a good chemical stability up to 1073 K. Above this temperature, secondary phases, such as CrSi, are formed. SPS processing permits to efficiently densify our pellets up to 94% while maintaining nanometric grain size (30-45 nm). This leads to a reduction of the thermal conductivity by a factor of 2 compared to bulk CrSi2. However, the Figure of merit (ZT) does not improve as the electrical resistivity increases.DFT calculations predict that some doping elements have potentiality to improve CrSi2 electronic structure. Therefore, Cr1-xTixSi2, Cr1-xZrxSi2 et Cr1-xMoxSi2 alloys are synthesized in order to enhance the thermoelectric properties of CrSi2. At RT, The power factor of Cr0.9Ti0.1Si2 seems not to be improved compared to nano-CrSi2 for a porosity of 11%. On the other hand, 2% Zr doping improved the power factor by 1.7 at RT for a porosity of 30%. It also seems that for 0% porosity, the power factor of Cr0.98Zr0.02Si2 is improved by a factor 1.9 compared to bulk CrSi2. Nevertheless, an improvement could be predicted at high temperatures for Cr0.9Ti0.1Si2. Although Cr1-xZrxSi2 alloy is metastable, we were able to synthesize it by mechanical alloying up to 5%. Further optimization is needed for improving the thermoelectric performances of Ti and Zr- doped CrSi2 . On the other hand, Cr1-xMoxSi2 alloys seem to be the most promising as an increase of the Figure of merit is observed with a ZTmax reaching values larger than 0.2 for Cr0.9Mo0.1Si2 and Cr0.8Mo0.2Si2 in the temperature range of 500-700 K. These values are higher compared to the bulk but still in the same order of magnitude as for the highest ZT value report for CrSi2.We then elaborated CrSi2 based composites with Polypyrrole (PPy) and PEDOT :PSS. No significant enhancement was observed for PPy-CrSi2 composites. In order to improve the dispersion of CrSi2 in the PEDOT :PSS, we have tested the functionnalization. Preliminary tests show that grafting agents with phosphonic acid group is the most efficient by reacting with Cr. This step is very promising as no study till date reported the functionnalization approach for the elaboration of silicides based composites, especially for thermoelectric applications.

A l’échelle du micromètre, les forces de surface appliquées à l’objet deviennentprépondérantes par rapport aux forces volumiques. Dans le but de s’affranchirdu phénomène d’adhésion causé par ces effets d’échelle, la microrobotique sanscontact apparaît comme une voie prometteuse. Nos travaux sont à la jonctionentre la microrobotique et la chimie des surfaces. L’objectif de cette thèse est deproposer une méthode de micromanipulation innovante exploitant la chimie dessurfaces afin de contrôler les forces électrostatiques. Nous exploitons les chargesélectriques créées par les fonctions chimiques dépendantes du pH lorsqu’elles sontplacées en milieu liquide. La modélisation des interactions entre une surface et unmicro-objet fonctionnalisés repose sur l’exploitation du phénomène de la doublecouche électrique. Deux principes de fonctionnalisation de surface ont été utilisés;les monocouches auto-assemblées (APTES) qui sont facilement mises en oeuvreet les films de polymères (polyaniline, polypyrrole) par voie électrochimique quipermettent d’obtenir des dépôts localisés. Les résultats obtenus mettent en évidencel’intérêt de l’exploitation des forces électrostatiques d’origine chimique pour desapplications de micromanipulation. / On the micrometer scale, surface forces applied to the object are significant comparedto volume forces. In order to overcome the adhesion phenomenon caused by thesescale effects, contactless microrobotics appears promising. Our work is mergingwith microrobotics and chemistry of surfaces. The objective of this thesis is topropose a method of micromanipulation based on innovative surface chemistry tocontrol electrostatic forces. The principle is based on the electric charges generatedby pH dependent chemical functions when placed in liquid medium. Modeling ofthe interaction between a surface and a micro- functionalized object is based onthe exploitation of the phenomenon of the electrical double layer. Two surfacefunctionalization principles were used, (i) self-assembled monolayers (APTES),and (ii) electrodeposition of polymer films (polyaniline , polypyrrole) that enablelocalized deposits. The results highlight the interest of using electrostatic chemicalforces for micromanipulation applications.

Depuis la dernière décennie, les implants dégradables pour fixation de fracture connaissent un intérêt grandissant. Parmi tous les matériaux, le magnésium apparait comme un candidat prometteur dû à une combinaison unique de propriétés. Le magnésium est très bien toléré par le corps, il a une tendance naturelle à la dégradation et son faible module élastique peut aider à réduire le stress-shielding durant la reconstitution de l'os. Cependant, une combinaison optimale entre les propriétés mécaniques et la vitesse de dégradation doit être obtenue. Le calcium étant biocompatible et procurant différents effets bénéfiques, l'alliage sélectionné pour ce projet est le Mg-2wt.%Ca. Afin d'optimiser cet alliage, nous proposons une stratégie volume/surface : modifier la microstructure interne par des traitements thermomécaniques et fonctionnaliser la surface à l'aide d'une technique additive.Du laminage et de l'extrusion à chaud ainsi que de l'extrusion coudée à aires égales (ECAE), ont été utilisé afin de modifier la microstructure. La déformation plastique sévère induite par l'ECAE produit la plus fine microstructure (taille de grain et particules de seconde phase). Alors que différentes caractéristiques microstructurales (dislocations, macles, taille de grain) peuvent justifier l'augmentation de la résistance mécanique, l'évolution de la résistance à la corrosion semble principalement affectée par la microstructure de la seconde phase et la taille de grain. Cette influence résulte de la combinaison d'un effet micro-galvanique et de la dispersion des particules de Mg2Ca et possiblement d'une couche d'oxide plus stable. L'ECAP apparait comme le traitement le plus efficace pour augmenter les propriétés mécaniques et le comportement à la corrosion.La fonctionnalisation de surface a été réalisée par un dépôt à motif réguliers à l'aide d'une technique de microdéposition de nanoparticules d'argent afin d'apporter un effet antibactérien à la surface. La déposition est suivie d'un procédé de frittage par laser. Une série de déposition a été conduite afin d'optimiser les conditions du dépôt de nanoparticules d'argent. La topographie de la couche déposée, la qualité du frittage ainsi que l'impact thermique du traitement laser sur la microstructure du substrat a été caractérisée par profilommétrie, SEM et TEM. Une modélisation par éléments finis a été réalisé afin de décrire l'impact thermique du traitement laser. Cette simulation pourra être utilisée à des fins d'optimisation du procédé de dépôt.Combiner une approche sur la microstructure interne et la surface du matériau a permis d'obtenir un alliage de magnésium fonctionnalisé ayant des propriétés améliorées qui peut être considéré dans de futurs tests biomédicaux. / Since the last decade, degradable implants for bone fixation have attracted special attention. Among different materials, magnesium appears as a promising candidate due to its unique combination of properties. Magnesium is very well tolerated by the body, it has a natural tendency for degradation and its low elastic modulus helps to reduce stress-shielding effect during bone healing. However, an optimal compromise between mechanical resistance and degradability kinetics has to be achieved. Since calcium is biocompatible and has several beneficial effects on magnesium, the alloy selected for this project is: Mg-2wt.%Ca alloy. To optimize this alloy for implant application, we propose a bulk/surface approach: i.e. tailoring the bulk microstructure by thermomechanical treatments and surface functionalization by additive manufacturing.Hot rolling and extrusion, and equal channel angular pressing (ECAP) have been used to tailor the microstructure. Severe plastic deformation induced by the ECAP process produces the finest grain and second particle phase microstructure. While different microstructural features (dislocations, twins, grain size) can account for the increase of the mechanical strength, the evolution of the corrosion resistance appears as primarily affected by grain size and second phase microstructure. This influence results from the combination of a micro galvanic effect, the dispersion of the second phase Mg2Ca and possibly a more stable oxide layer. Finally ECAP appears as the most efficient processing to improve both mechanical and corrosion behavior.Surface functionalization is achieved by designing a surface pattern using microdeposition with silver nanoparticles to add an antibacterial effect. The deposition is followed by a laser sintering process. A series of deposition were performed to optimize the deposition conditions for silver nanoparticles. The layer topography, the sintering, and the thermal impact of the laser treatment on the substrate microstructure have been characterized by profilommetry, SEM, TEM. A finite element simulation has been realized to describe the thermal effect of the laser treatment. This simulation can be further used for optimizing the patterning deposition process.Combining the bulk and surface approach have permitted to obtain a functionalized magnesium alloy with enhanced properties that can be considered for further biomedical tests.

Ces travaux de thèse ont pour but de mettre en œuvre un capteur de plomb à base de nanostructures de silicium polycristallin. L'étude physique des structures de type nanorubans ou nanofils de silicium polycristallin a montré que ces derniers possèdent de faibles qualités cristallines mais des propriétés électriques suffisantes pour être utilisées comme éléments sensibles d'un capteur. Les nanorubans ont été fonctionnalisés par greffage spontané des sels de diazonium, capables de pré-concentrer des ions de plomb à la surface de la nanocouche. Cette fonctionnalisation a permis de détecter des traces de plomb, le capteur atteignant une limite de détection de 2.10-7 mol/L. Ces résultats montrent ainsi que la détection de plomb est possible avec des nanostructures de silicium polycristallin dont le procédé de fabrication est relativement bon marché. Le développement d'un transistor gate-all-around (GAA) à base de nanofils de silicium polycristallin est proposé dans cette thèse. Son utilisation avec deux grilles indépendantes a permis de caractériser électriquement et physiquement les nanofils de silicium polycristallin. Les caractéristiques électriques du transistor GAA sont par ailleurs encourageants pour une utilisation en tant que capteur pour diminuer la sensibilité et les limites de détection d'ions de plomb. / The aim of this research work is to implement a lead ions sensor based on polycrystalline silicon nanostructures. This material has been intensively studied by electrical and physical characterization. This study showed that structures such as polysilicon nanoribbons or nanowires have poor crystalline quality but satisfying enough electrical properties to be used as a sensor sensible elements. Nanoribbons have been functionnalized by spontaneous grafting of diazonium salts that enable lead ions trapping at the surface of these nanoribbons. Thanks to the functionnalization, sensor reached a limit detection as low as 2.10-7 mol/L. These results prove that sensing lead ions is possible thanks to low-cost polysilicon nanostructures. Development of a gate-all-around transistor based on polycrystalline silicon nanowires is proposed in this manuscript. It could lead to increase sensibility of that type of microsensors.

Des matériaux hybrides organiques-inorganiques mésostructurés ont été élaborés par deux voies différentes: le procédé sol-gel et l'assemblage de « briques » hybrides moléculaires. Dans une première partie, nous nous sommes intéressés à la synthèse directe de mésoporeux cubiques monofonctionnalisés (SBA-16) par voie sol-gel. Différents groupements organiques ont été insérés dans les pores du matériau (SH, CN, Cl, PO(OEt)2 et acac). Leur accessibilité a été mise en évidence par la complexation d'un lanthanide (europium) grâce aux fonctions acac, mais aussi par la croissance de nanoparticules d'or régulièrement distribuées dans les pores grâce aux groupements SH. Grâce à leur petite taille (2nm) et leur accessibilité, ces nanoparticules ont pu être utilisées en catalyse. Notre étude a ensuite été étendue aux matériaux mésoporeux bifonctionnels. La fonctionnalisation des pores et de la charpente de silices hexagonales (SBA-15) a été réalisée en une seule étape. Plusieurs fonctionnalités chimiques ont été insérées avec succès et ont permis le confinement intime de deux types de nanoparticules pouvant interagir entre-elles. Le matériau est alors qualifié d' « interactif ». Dans une dernière partie, nous avons développé une nouvelle approche de la synthèse de matériaux 3D organisés par assemblage de « cages » moléculaires hybrides (octasilsesquioxanes fonctionnalisés). Nous avons choisi des fonctions Cl, facilement convertibles en acides ou en ions et capables de s'auto-assembler par liaisons faibles (liaisons H) ou par forces coulombiennes. Nous avons également envisagé d'utiliser des « connecteurs » organiques comme le cyclame, capables de lier les différentes cages par liaison covalente et de fixer des ions métalliques. / Mesostructured hybrid materials (organic-inorganic) were prepared according two different ways: the sol-gel process on the one hand, the assembly of molecular hybrid 'bricks' on the other. In the first part, we focused on the one-pot synthesis of monofunctionalised cubic silicas (SBA-16) through the sol-gel process. Different organic functions were successfully introduced within the pores of the material (SH, CN, Cl, PO(OEt)2 and acac). Their accessibility was brought to light by complexation of lanthanide salts (europium) by acac moieties, but also by growing of gold nanoparticles within the pores, regularly distributed thanks to the SH groups. Thanks to their small size (2 nm) and their high accessibility, these supported nanoparticles could be used as catalysts. Secondly, our study was extended to bifunctional materials. 2-D hexagonal silicas (SBA-15) were functionalised by one-step synthesis within both pores and walls. Several organic groups were covalently included within the structure, which then allowed us to confine very closely two kinds of nanoparticles, able to interact between themselves at nanometric scale. The bimetallic material is consequently qualified as 'interactive'. The last part was dedicated to a new approach for the synthesis of 3-D structured materials, consisting in the assembly of hybrid molecular 'cages' (functionalised octasilsesquioxanes). Chloro terminations were chosen because of their easy conversion into acid or ionic moieties, able to self-assemble, driven by weak interactions such as H-bonds or electrostatic forces. The use of organic “linkers” such as cyclam groups was also considered to connect cages and anchor metallic ions.

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.

Cette thèse présente la synthèse et la caractérisation de nanoparticules d’or bi-fonctionnelles. Plusieurs voies de synthèse de nanoparticules d’or sphériques sont présentées afin d’obtenir des nanoparticules de 2 nm, 5 nm, 15 nm ou 35 nm de diamètre. La couronne de ligands peut être rendue bi-fonctionnelle par deux procédés : les synthèses bi-ligands ou les échanges de ligands. Dans les deux cas, la composition de la couronne de ligands est étudiée par résonance magnétique nucléaire et elle s’avère être systématiquement différente de la composition du milieu réactionnel, chaque ligand introduisant des interactions intermoléculaires particulières qui lui confèrent des propriétés de complexation propres vis-à-vis de la surface d’or. La ségrégation des ligands en surface est étudiée par nucléation hétérogène et régiosélective de silice et aboutit à la formation de nanostructures or/silice asymétriques, révélant une séparation de phase des ligands sous forme de patches dans certains cas. Enfin, une influence particulière des ligands aromatiques sur les propriétés optiques des nanoparticules d’or est observée, se traduisant par un fort décalage de la position de la bande plasmon de surface localisé vers les grandes longueurs d’onde. Une étude théorique montre l’influence de ces ligands sur les transitions interbandes de l’or au sein des nanoparticules. / This thesis shows the synthesis and the characterization of bi-functional gold nanoparticles. Several synthesis of spherical gold nanoparticles are presented in order to obtain nanoparticles with a diameter of 2 nm, 5 nm, 15 nm or 35 nm. The ligand shell can become bi-functional from two processes: bi-ligand synthesis or ligand exchange. In both cases, the composition of the ligand shell is studied by nuclear magnetic resonance and is shown to be systematically different from the reaction medium’s composition, each ligand introducing particular intermolecular interactions which provide it proper complexing abilities against the gold surface. The ligand segregation on the surface is studied thanks to regioselective heterogeneous nucleation of silica, leading to the formation of asymmetric gold/silica nanostructures, thus revealing a phase separation of the ligands in certain cases. Then, a particular influence of aromatic ligands on the optical properties of the gold nanoparticles is observed, showing a strong shift of the localized surface plasmon band to higher wavelengths. A theorical study shows the influence of this kind of ligands on the gold interband transitions in the nanoparticles.Keywords: gold nanoparticles, functionnalization, ligand exchange, segregation, gold/silica hybrid nanostructures, plasmonics, nuclear magnetic resonance.

Les propriétés optiques des nanoparticules métalliques, caractérisées par l'existence d'une résonance plasmon de surface (SPR) dans le domaine visible, sont aujourd'hui couramment utilisées afin de détecter et de caractériser des espèces chimiques, en solution ou déposées sur des substrats (dans les capteurs par exemple). Dans ce travail, j'ai optimisé la réalisation puis la caractérisation physico-chimique et optique d'interfaces composées de nanoparticules d'or d'environ 15 nm de diamètre sur des substrats de silicium et de verre fonctionnalisés par des silanes, à l'aide de méthodes d'optique linéaire et non linéaire. La spectroscopie UV-visible en réflexion et transmission, couplée aux microscopies électronique et à force atomique, et aidée par la modélisation, m'a permis de corréler les propriétés optiques des particules à leur densité locale sur la surface. La spectroscopie optique non linéaire par génération de fréquence somme (SFG) permet de sonder la chimie de surface des particules et du substrat ainsi que de tirer parti de l'amplification locale des processus optiques par excitation de la SPR. Après avoir montré qu'elle amplifie effectivement des signaux SFG moléculaires peu intenses de la couche de silanes, j'ai révélé la présence dans la couche organique de greffage de groupements méthyles résultant d'une réaction de silanisation incomplète, démontré le lien entre la stabilité temporelle chimique et plasmonique des interfaces et l'irradiation laser, caractérisé finement la qualité de fonctionnalisation des particules par des thiols et montré la relation de proportionnalité entre réponses optiques linéaire et non linéaire en surface. Finalement, j'ai étudié directement le processus d'amplification de la SFG par le couplage à la SPR en réalisant une spectroscopie à deux dimensions infrarouge et visible. J'ai montré que ce couplage est mesurable même sur de petites particules déposées, et qu'il se produit dans la zone spectrale d'existence du plasmon de surface (du vert au rouge). La comparaison avec une surface plane de platine et d'or m'a permis d'extraire de façon fine des facteurs d'amplification, qui correspondent à ce que prédit une modélisation simple de la plasmonique en jeu dans ces interfaces. / Optical properties of metallic nanoparticles, exhibiting a surface plasmon resonance (SPR) in the visible range, are nowadays extensively used to detect and characterize chemical entities, either in solution or deposited on substrates (e.g. sensors). In this work, I have optimized the creation of interfaces composed of 15nm in diameter gold nanoparticles on silicon and glass substrates after functionnalization by silanes, and their chemical and optical characterization by linear and nonlinear optical methods. I have used UV-visible spectroscopy in reflexion and transmission geometries, coupled to electronic and atomic force microscopies, with the help of optical simulations, to correlate the optical properties of the particles to their local density at the surface. Nonlinear sum frequency generation spectroscopy is able to probe the surface chemistry of both the particles and the substrate, through a local amplification of optical processes due to the excitation of the SPR. After showing that the latter does indeed amplify the low intensity molecular SFG signals from the silane layer, I have revealed the presence, in the organic layer, of unreacted methyl groups arising from an incomplete silanization, evidenced the link between plasmonic and chemical stability in time and laser irradiation, finely assessed the quality of surface functionnalization of the particles by thiols, and established the linear relationship between linear and nonlinear optical responses at the surface. Finally, I have directly studied the amplification process itself by coupling to the SPR through two dimension spectroscopic studies in the visible and infrared ranges. I have shown that the coupling is indeed measurable, even on small deposited particles, and that it happens in the spectral zone where the surface plasmon exists (from green to red). A comparison to flat platinum and gold surfaces leads to a fine estimation of amplification factors, which correspond to the predictions of a simple model for the plasmonic processes at stake at such interfaces.