La spectroscopie de perte d’énergie des électrons (EELS) et la cathodoluminescence (CL) dans un microscope électronique en transmission à balayage (STEM) sont des techniques puissantes pour l’étude des nanostructures isolées. Cependant, des électrons rapides peuvent endommager fortement des échantillons minces et fragiles, ce qui limite la résolution spatiale et l’intensité des signaux spectroscopiques. Pendant cette thèse, nous avons dépassé cette restriction par le développement de protocoles d’acquisition spécifiques pour l’étude de certains archétypes de nanosystèmes fragiles. Dans la première partie de cette thèse, nous avons caractérisé des flocons minces de graphène oxydé (GO) et GO réduit (RGO) par EELS dans le STEM. Grâce aux spécificités techniques de notre microscope et à la définition des conditions d’illumination optimales, nous avons dérivé des cartes du contenu d’oxygène dans le (R)GO à une résolution spatiale inédite. Aussi, par l’analyse des pics EELS de structure fine, nous avons révisé les modèles atomiques proposés dans la littérature. Des molécules isolées constituent une autre classe de nanomatériaux fortement sensibles à l’irradiation et aussi à l’environnement chimique et physique. Nous avons conduit des expériences de CL sur des molécules individuelles, grâce à un choix avisé du substrat. Le nitrure de bore hexagonal (h-BN) est un matériaux bidimensionnel chimiquement inerte, qui participe activement au processus de CL en absorbant l’énergie incidente. Le transfert de l’excitation aux molécules et l’utilisation d’une routine innovante d’acquisition par balayage aléatoire ont permis de réduire les effets d’illumination. Ensuite, l’intérêt porté aux propriétés optiques du h-BN ont inspiré l’étude de sa phase cubique (c-BN), qui a été peu caractérisé auparavant à cause d’impuretés dans les cristaux. Nous avons analysé des cristaux de c-BN de haute pureté par EELS, en identifiant une bande interdite d’énergie plus grande que précédemment rapportée et plus proche des calculs les plus récents. Dans des cristaux moins purs, nous avons identifié et analysé plusieurs émissions associées à des défauts, en termes d’énergie caractéristique, distribution spatiale et temps de vie, par CL et interférométrie en intensité de Hanbury-Brown et Twiss. / Electron energy loss spectroscopy (EELS) and cathodoluminescence(CL) in a scanning transmission electron microscope (STEM) are extremely powerful techniques for the study of individual nanostructures. Nevertheless, fast electrons damage extremely sensitive thin specimens, imposing strong limitations on the spatial resolution and the intensity of spectroscopic measurements. During this thesis we have overcome this restriction by developing material-specific acquisition protocols for the study of some archetypical fragile nanosystems. In the first part of this thesis we have characterized graphene oxide (GO) and reduced graphene oxide (RGO) thin flakes by EELS spectroscopy in the STEM. Thanks to the particular setup of our microscope and by experimentally defining the optimal illumination conditions, we have derived oxygen quantification maps of (R)GO at an unprecedented spatial resolution. On the basis also of EELS fine structures analysis, we have revised the existing proposed atomic models for these materials. Another class of exceedingly sensitive nanometric systems is represented by individual molecules, which are strongly affected by both illumination and chemical/physical environment. We have performed the first CL-STEM investigation on the luminescence of isolated molecules, thanks to a watchful choice of the substrate. Hexagonal boron nitride (h-BN) is a flat, chemically inert 2D material, that actively takes part in the CL process by absorbing the incident energy. Excitation transfer from h-BN to molecules and the use of an innovative random scan acquisition routine in the STEM have allowed to considerably lower illumination effects and improve CL intensity. Afterwards, the attractive optical properties of h-BN have led to the study of its cubic phase (c-BN), which has been up to now hindered by the poor quality of the crystals. By EELS in the STEM we have analysed c-BN crystals of the highest available purity, identifying a wider optical band-gap with respect to previous experimental studies and in better agreement with recent calculations. In commercial crystals, several defect-related emissions have been identified and analysed in terms of characteristic energy, spatial distribution and lifetime using CL and Hanbury-Brown and Twiss intensity interferometry.

Pour mieux comprendre leurs propriétés, diverses nanostructures individuelles ont été étudiées à l’aide d’une technique couplant microscopie à force atomique et spectroscopie Raman confocale. Sous excitation lumineuse polarisée, la composition chimique, la structure et la présence de défauts a pu être précisée dans des nanobâtonnets d’oxydes métalliques (ZnO et α-Fe2O3). Sous irradiation laser résonnante, les spectres de nanotubes de carbone monoparoi enrobés de polymères ont révélé notamment l’absence de transfert de charge polymère-nanotube et un effet de désolvatation. Finalement, des feuillets de graphène oxydé et des ADNs double-brin peignés ont pu être préparés et caractérisés par spectroscopie Raman exaltée par effet de pointe en atteignant une résolution spatiale latérale voisine du rayon de courbure de l’apex de la pointe utilisée (12 nm), bien plus faible que la limite de diffraction, ce qui ouvre la voie à de nouveaux travaux spectroscopiques à l’échelle nanométrique. / To better understand their properties, various nanostructures have been studied using a technique combining atomic force microscopy and confocal Raman spectroscopy. Under polarized light excitation, the chemical composition, the structure and the presence of defects has been described in metal oxides nanorods (ZnO et α-Fe2O3). Under resonant laser excitation, Raman spectra of polymer-wrapped single-walled carbon nanotubes have revealed the absence of polymer-nanotube charge transfer and an effect due to desolvation. Finally, graphene oxide sheets and combed double-stranded DNAs have been prepared and characterized using tip-enhanced Raman spectroscopy with a lateral spatial resolution down to the curvature radius of the apex of the used tip (12 nm), well below the diffraction limit, which opens new opportunities for spectroscopic works at the nanometer scale.

Dès sa découverte, le graphène oxydé (GO), le plus accessible des précurseurs du graphène, a été largement utilisé pour des applications en science et technologie. La motivation de ce travail est d'étudier, d'un point de vue fondamental, le couplage entre des bicouches amphiphiles auto-associées (lesquelles peuvent être vues comme une matrice anisotrope formée d'objets bidimensionnels) et un objet lui-même bidimensionnel, en l'occurrence le feuillet de graphène oxydé, quand ils sont dispersés dans un solvant commun. La compétition entre les élasticités intrinsèques des bicouches et des feuillets de GO, ainsi que les interactions directes bicouche-bicouche, bicouche-GO et GO-GO, permet d'envisager un riche polymorphisme en fonction de la composition du système. Après avoir développé une procédure destinée à contrôler, dans une gamme étendue de teneur en GO, le système binaire GO-eau, le domaine confiné des dispersions aqueuses de GO a été exploré et, par la suite, le diagramme de phases ternaire a été construit. Les systèmes obtenus ont été caractérisés par des techniques comme la microscopie optique et la diffusion du rayonnement (diffusion dynamique de la lumière et diffusion des rayons-X aux petits angles). Les propriétés élastiques et thermodynamiques ont été décrites par l'application de modèles initialement conçus pour les phases lamellaires à deux constituants et adaptés dans le cadre de cette étude. / Since the discovery of graphene oxide (GO), the most accessible of the precursors of graphene, this material has been widely studied for applications in science and technology. The motivation of this work is to study with a fundamental perspective the coupling between amphiphilic bilayers, which can be seen as an anisotropic matrix formed of two-dimensional objects, and another two-dimensional object, namely the graphene oxide sheet when they are dispersed in a common solvent. The competition between the intrinsic elasticities of the bilayers and GO sheets, as well as between direct bilayer-bilayer, bilayer-GO and GO-GO interactions allows us to envisage a rich polymorphism, depending on the composition of the system. Following the development of a dedicated procedure for controlling in an extended range of GO content the binary GO-water system, the confined domain of aqueous GO dispersions was first investigated, and the ternary phase diagram then constructed. The obtained systems have been characterised, using techniques such as optical microscopy, light and x-ray scattering. Elastic and thermodynamic properties have been described by applying, and adapting to the scope of this study, models for two-component lamellar stacks. / Desde sua descoberta, o grafeno oxidado (GO), o mais acessível dos precursores do grafeno,tem sido amplamente utilizado para aplicações na ciéncia e tecnologia. A motivação destetrabalho é de estudar, de um ponto de vista fundamental, o acoplamento entre bicamadas anfifílicas auto-organizadas (que podem ser vistas como uma matriz anisotrópica formada por objetos bidimensionais) e um objeto ele mesmo bidimensional, neste caso a folha de óxido de grafeno, quando estão dispersados em um solvente comum.A competição entre as elasticidades intrínsecas das bicamas e das folhas de GO, assimcomo as interaçãoes diretas bicamada-bicamada, bicamada-GO e GO-GO, permitem esperar um rico polimorfismo em função da composição do sistema. Seguindo o desenvolvimento de um procedimento destinado ao controle, em um intervalo extendido da quantidade de GO, o sistema binário GO-água, o domínio confinado de dispersões aquosas de GO foi explorado e, em seguida, o diagrama de fases ternário contruído.Os sistemas obtidos foram caracterizados por t_ecnicas como microscopia ótica, espalhamento dinâmico de luz e espalhamento de raios-x à baixos ângulos. As propriedadeselásticas e termodinâmicas foram descritas pela aplicação de modelos inicialmente concebidos para fases lamelares à dois constituintes e adaptados ao escopo deste estudo.

Pour mieux comprendre leurs propriétés, diverses nanostructures individuelles ont été étudiées à l'aide d'une technique couplant microscopie à force atomique et spectroscopie Raman confocale. Sous excitation lumineuse polarisée, la composition chimique, la structure et la présence de défauts a pu être précisée dans des nanobâtonnets d'oxydes métalliques (ZnO et α-Fe2O3). Sous irradiation laser résonnante, les spectres de nanotubes de carbone monoparoi enrobés de polymères ont révélé notamment l'absence de transfert de charge polymère-nanotube et un effet de désolvatation. Finalement, des feuillets de graphène oxydé et des ADNs double-brin peignés ont pu être préparés et caractérisés par spectroscopie Raman exaltée par effet de pointe en atteignant une résolution spatiale latérale voisine du rayon de courbure de l'apex de la pointe utilisée (12 nm), bien plus faible que la limite de diffraction, ce qui ouvre la voie à de nouveaux travaux spectroscopiques à l'échelle nanométrique.