Le but de cette thèse était tout d'abord de comprendre les théories physiques qui décrivent la dynamique des polymères à l'échelle macroscopique. Le modèle de Rouse et la théorie d'enchevêtrement de De Gennes décrivent la dynamique des polymères non enchevêtrés et enchevêtrés, respectivement. Nous avons étudiés les différentes transitions entre ces deux régimes en utilisant deux techniques expérimentales: Broadband Dielectric Spectroscopy (BDS) et rhéologie. Les effets d'enchevêtrement sur les spectres diélectriques ont été discutés. Un test complet du modèle de Rouse à été effectué sur en comparant les prédictions de ce modèle pour la dépendance en fréquence de la permittivité diélectrique et du module de cisaillement aux données expérimentales. Ensuite nous avons développés des méthodes bas"s sur la microscopie à force électrostatique afin d'étudier les propriétés diélectriques locales. En utilisant la simulation numérique de la Méthode des Charges Equivalentes la constante diélectrique a été quantifiée à partir de la mesure du gradient de force crée par un potentiel statique entre une pointe et un diélectrique. Cette méthode permet d'imager la constante diélectrique avec une résolution spatial de 40 nm. Le retard de phase de la composante en 2ω de la force ou du gradient de force crée par un voltage alternatif est relié aux pertes diélectriques. En mesurant cette quantité nous avons montré que la dynamique était plus rapide proche d'une interface libre et nous avons développé un mode d'imagerie des pertes diélectriques. Cette méthode simple pourrait être appliqué en biologie ou matière molle en générale afin d'étudier des variations locales de constantes diélectriques. / The aim of this thesis was first to understand the physical theories that describe the dynamics of linear polymers at the macroscopic scale. Rouse and the reptational tube theory describe the large scale dynamics of unentangled and entangled polymers respectively. Using Broadband Dielectric Spectroscopy (BDS) and rheology we have studied the different transition between these two regimes. Effects of entanglement on dielectric spectra will be discussed (Rheologica Acta. 49(5):507-512). Avoiding the segmental relaxation contribution and introducing a distribution in the molecular weight we have been able to perform a comparison of the Rouse model with experiment dielectric and rheological data (Macromolecules 42(21): 8492-8499) Then we have developed EFM-based methods in order to study the local dynamics. Using the numerical simulation of the Equivalent Charge Method, the value of the static dielectric permittivity has been quantified from the measurement of the force gradient created by a VDC potential between a tip and a grounded dielectric (Journal of Applied Physics 106(2):024315). This method allows a quantitative mapping of dielectric properties with a 40 nm spatial resolution and is therefore suitable for the study of nano-defined domains (Physical Review E 81(1): 010801). The electrical phase lags in the 2ω components of the force or force gradient created by VAC voltage, ΔΦ2ω, are related with dielectric losses. Measuring the frequency dependence of ΔΦ2ω Crieder et al (Applied Physics Letters 91(1):013102) have shown that the dynamics at the near free surface of polymer films is faster than the one in bulk. We have used this method in order to visualize the activation of the segmental relaxation with temperature and frequency (Applied Physics Letters 96(21): 213110). All this measurements can be achieved using standard Atomic Force Microscope (and a lock-in) for VAC measurements.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Avec l'intégration de circuits intégrés de plus en plus denses, le besoin d'outils de caractérisation adaptés à ces échelles se fait ressentir. Identifier et analyser les problèmes de fiabilité survenant dans ces structures à des dimensions inférieures à 100 nm demande la mise au point d'instruments innovants. Ce travail de thèse a consisté dans un premier temps à développer un appareil à champs proches sensible aux propriétés mécaniques de surface, et dans un second temps à analyser les résultats expérimentaux en s'appuyant sur des approches analytiques et/ou numériques. Désigné sous le nom de microscope à force atomique à résonance de contact (CR-AFM), cet appareil est sensible à la rigidité effective de films minces sur substrat, ce qui lui permet de cartographier la rigidité mécanique de films minces. Nous avons mené un important travail de développement instrumental afin d'obtenir des résultats expérimentaux répétables et fiables, condition indispensable à une analyse quantitative. Puis nous avons utilisé le CR-AFM sur divers échantillons : empilements modèles (films de silice sur silicium, avec épaisseurs variables de silice), films de silice avec porosité variable, structures damascènes d'interconnexion cuivre,... Des images traduisant les variations d'élasticité de surface ont ainsi pu être construites. Pour quantifier ces variations, nous avons analysé nos résultats à l'aide de différents modèles (approches analytiques et numériques). Des simulations par éléments finis ont été réalisées pour étayer ces résultats.

Actuellement, les recherches sur la fonctionnalisation des surfaces sont en pleine effervescence. Dans ce manuscrit, nous proposons une approche innovante pour mesurer l’efficacité de cette fonctionnalisation. Cette approche est basée sur l’utilisation d’un microscope à force atomique, opérant dans un mode dit de « modulation de fréquence ». Cet outil couplé aux pointes greffées d’un nanotube de carbone, que nous appellerons « sonde », permet d’obtenir des mesures qu’il serait impossible d’effectuer avec des pointes standards. En métrologie, afin d’assurer une bonne reproductibilité des mesures, nous avons besoin d’avoir des sondes ayant des caractéristiques les plus similaires possibles. Ceci a nécessité la mise en oeuvre d’une méthode pour optimiser la fabrication des sondes, ainsi qu’une définition de critères pour les classer dans différents grades de qualités. L’incertitude de répétabilité et de reproductibilité des mesures effectuées avec des sondes de grade « A » a été quantifiée. Ces mesures ont démontré que ces sondes sont compatibles en termes de robustesse et de sensibilité pour la caractérisation de surfaces fonctionnalisées, dont l’épaisseur est supérieure à la monocouche. Des mesures de cartographie effectuées sur de deux types de surfaces fonctionnalisées ont permis de dissocier la mesure de topographie de la réponse mécanique du nanotube en interaction avec la surface. / At present, the researches on the surface functionalization are in full effervescence. In this manuscript, we propose an innovative approach to measure the efficiency of this functionalization. This approach is based on the use of an atomic force microscope, operating in a mode called "frequency modulation". This tool coupled with the grafted tips with a carbon nanotube, which we will call "probe", allows to obtain measurements which would be impossible to make with standard tips. However, in metrology, in order to ensure good reproducibility of the measurements, we need to have probes with characteristics that are as similar as possible. This required the implementation of a method to optimize the manufacture of the probes, as well as a definition of criteria to classify them in different grades of qualities. The uncertainty of repeatability and reproducibility of the measures made with probes of rank "A" were quantified. These measurements have demonstrated that these probes are compatible in terms of robustness and sensitivity for the characterization of functionalized surfaces, whose thickness is superior to the monolayer. Mapping measurements carried out on two types of functionalized surfaces enable to dissociate the topography measurement from the mechanical response of the nanotube in interaction with the surface.

Les techniques de microscopie en champ proche se sont fortement diversifiées au cours des dernières années et ne sont plus désormais cantonnées aux seuls laboratoires experts dans le domaine mais sont exploitées plus largement par les spécialistes des matériaux et des 'micro-' ou 'nano-'objets. Pour ce qui concerne les matériaux diélectriques, des techniques dérivées de la microscopie à force atomique -AFM-, telles que la microscopie à force électrostatique -EFM, ou à force de Kelvin -KFM, permettent d'obtenir de nouvelles informations, à l'échelle nanométrique, sur l'état de charge des isolants et sur leur capacité à stocker/dissiper les charges. Cependant, ces techniques ne permettent pas de connaître précisément la répartition spatiale de la charge en latéral et en profondeur dans les matériaux isolants, données indispensables pour une meilleure compréhension des phénomènes de transport et de piégeage de charges. C'est pourquoi, nous nous sommes intéressés aux courbes de forces électrostatiques comme nouvel outil susceptible de permettre la localisation de la charge. L'objectif de la thèse est donc de comprendre le lien entre l'allure de la courbe de force et le positionnement spatial de la charge dans le matériau. Pour ce faire, deux études sont menées en parallèle : une étude expérimentale et une étude par modélisation numérique. Les travaux de recherche sont focalisés principalement sur la partie simulation de la sonde AFM par une modélisation électrostatique des phénomènes physiques en jeu. Un des verrous à lever dans ces travaux est la disparité d'échelle des objets modélisés et le caractère tridimensionnel du système. Dans cet objectif, un modèle mathématique pour l'étude des interactions électrostatiques entre une pointe AFM et la surface d'un matériau diélectrique a été développé en 2D. La discrétisation des équations décrivant le système est basé sur un nouveau schéma numérique du type volumes finis d'ordre élevé obtenu par le principe de la reconstruction polynômiale. Ce premier modèle a permis de comprendre l'influence de la géométrie de la pointe, notamment le rayon de courbure de l'apex et l'angle de demi-ouverture, sur l'aspect qualitatif et quantitatif des courbes de force. Les résultats montrent, par exemple, que plus le rayon de courbure de la pointe est faible plus la courbure de la courbe de force est prononcée. Ces résultats sont conformes à l'expérience. Pour parfaire notre étude sur la géométrie de la pointe, un premier modèle en 3D a été développé à l'aide du logiciel commercial Comsol Multiphysics(r). Plusieurs formes de pointe ont été testées : conique, tétraèdre et pyramidale. Les courbes de forces obtenues par simulation ont été comparées aux données expérimentales permettant ainsi de trouver une forme optimale représentative de la pointe réelle. Un deuxième modèle en 3D basé sur les équations électromécaniques a été développé pour prendre en compte l'effet du bras de levier sur les courbes de force. Les résultats obtenus montrent que le bras de levier ne modifie pas la forme de la courbe de force obtenue par la pointe seule mais rajoute simplement une composante continue sur celle-ci. / The Scanning Probe Microscopy techniques (SPM) are highly diversified and no longer confined to expert laboratories, being widely used by material scientists for "micro" or "nano" applications. The use of Atomic Force Microscopy (AFM), and techniques derived from it, such as Electrostatic Force Microscopy (EFM) or Kelvin Force Microscopy (KFM), provides a considerable advantage allowing the acquisition of new information down to nanoscale, such as the charge state of dielectric materials and their ability to store and dissipate charges. However, these techniques do not allow to precisely know the spatial distribution of the lateral and deep distribution of the space charge in the insulating materials, required for a better understanding of the phenomena of transportation and charge trapping data. For this purpose, we are interested in the electrostatic force distance curve -EFDC- as a new tool to allow the location of the space charge. The aim of the thesis is to understand the relationship between the shape of the force curve and the spatial positioning of the space charge in the material. To do this, two studies were conducted in parallel: an experimental study and a study by numerical modeling. The research work here is focused mainly on the simulation of the AFM probe by electrostatic modeling of physical phenomena. One of the difficult obstacles to do in this work is the taken in account disparity of scale objects modeled and the three-dimensionality of the system. For this purpose, a mathematical model for the study of electrostatic interactions between an AFM tip and the surface of a dielectric material has been developed in 2D. The discretization of equations describing the system is based on a new numerical scheme of high order finite volume method obtained by the principle of polynomial reconstruction operator. This first model was used to understand the influence of the geometry of the tip, including the radius of curvature of the apex and the half-opening angle on the qualitative and quantitative aspects of the force curves. The results show, for example, more than the radius of curvature of the tip is smaller the curvature of the force curve is pronounced.

Les nanofils nitrures, de par leurs propriétés mécaniques et piézoélectriques exceptionnelles, sont des nanomatériaux très prometteurs pour la réalisation de dispositifs piézogénérateurs ultra-compacts et de haute efficacité. Les nanofils de GaN étudiés dans cette thèse sont synthétisés par épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma. Grâce à des caractérisations employant un AFM résiscope spécialement adapté, nous démontrons le fort potentiel des nanofils de GaN dopés de type-n et dopés de type-p pour convertir une énergie mécanique en énergie électrique. Nous confirmons la corrélation entre la polarité des nanofils, leurs dopages et l'établissement du potentiel piézoélectrique dans les nanostructures. Nous étudions également la capacité de récupération de l'énergie générée par les nanofils, qui se fait au travers d'une diode Schottky de dimension nanométrique. De ce nanocontact, résulte une conduction à l'interface métal/semi-conducteur accrue et donc une meilleure collection de l'énergie piézogénérée par les nanofils de GaN. Enfin, en nous basant sur les mécanismes de piézoconversion mis en évidence, nous fabriquons un piézogénérateur intégrant un réseau de nanofils verticaux de GaN et fonctionnant sous compression. Le prototype délivre une densité de puissance de l'ordre de 12,7 mW/cm3, ce qui le place à l'état de l'art des piézogénérateurs à base de nanofils nitrures. / Nitride nanowires are a promising material for the fabrication of efficient and compact piezogenerators. Their tremendous piezoelectric and mechanical properties give them the ability to convert efficiently mechanical energy into electrical energy. The piezoelectric material studied in this thesis is GaN, synthetised as nanowires by PA-MBE. Thanks to an adapted AFM résiscope, we show the great potential of nitride nanowires for piezogeneration and the correlation between the polarity of the nanostructure, its deformation and the establishment of the piezopotential. We also study the harvesting efficiency of the nanostructures’ polarization, through a nanometric Schottky contact. Due to scale effects, this Schottky nanocontact shows a reduced barrier height and resistance, which lead to an enhanced conduction and thus to a better harvesting of the piezoelectric energy generated by the GaN nanowires. Based on the understanding of those mechanisms, we have built a piezogenerator integrating a vertical array of p-type GaN nanowires, embedded in HSQ resist and with their top connected by a Pt metallic electrode, leading to a Schottky contact. This prototype delivered a power density of about 12,7 mW.cm-3, which is the state of the art for GaN nanowires based piezogenerator.

Ce travail de thèse s'inscrit dans le contexte de miniaturisation des transistors MOS afin de mener la technologie CMOS à ces dimensions ultimes.<br /> Avec les techniques actuelles de fabrication et pour des longueurs de grille de transistor inférieures à 30nm, les variations moyennes de la longueur de grille, appelées rugosité de bord, entraînent des fluctuations électriques dans le transistor inacceptables pour le bon fonctionnement des futures générations de dispositifs. Il convient donc de contrôler ce paramètre afin de le réduire. Pour réussir ce défi technologique, il est essentiel de le mesurer avec précision afin, par la suite, de comprendre ses origines et son évolution après chaque étape technologique de fabrication. <br /> Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à la mesure la rugosité de bord, à l'aide d'un nouvel équipement de métrologie : le microscope à force atomique en trois dimensions. Nous avons évalué les capacités de cet outil et déterminé un protocole de mesure de la rugosité de bord, qui nous a permis ensuite d'étudier ses origines et d'étudier son évolution lors des différentes étapes technologiques de fabrication d'une grille de transistors MOS. Nous avons remarqué que la formation de la rugosité de bord est un problème complexe qui fait intervenir de nombreux facteurs fortement liés entre eux. Par la suite, nous montrons que le bombardement ionique d'un procédé de gravure plasma est responsable de la diminution de la rugosité de bord de la résine. Nous avons également mis en évidence que la rugosité de bord du masque avant la gravure de la grille est un paramètre clé pour le contrôle de la rugosité de la grille finale.

Les microsystèmes regroupent sur un même substrat des fonctions électroniques, mécaniques, optiques, chimiques ou biologiques et sont fabriqués par les procédés de la microélectronique. Leurs particularités géométriques les rendent extrêmement sensibles aux forces de surfaces qui peuvent conduire à leur collage définitif, notamment lors de l'étape de libération. Cette thèse porte sur la compréhension de ce phénomène. Pour cela une mesure des forces d'adh´esions entre deux surfaces de silicium en milieu liquide a été entreprise à l'aide d'un appareil de mesure des forces de surface et à l'aide de microstructures. L'impact de la tension de surface de différents liquides sur l'adhésion a été étudié. L'étude de la rugosification du silicium par gravure humide, caractérisée par microscope à force atomique ; et l'impact cette rugosité sur l'adhésion a également été menée. Enfin, un procédé industriel original de libération par voie humide sans démouillage des substrats a été développé.

Le nano-moteur qui se trouve à la base des flagelles des bactéries est une merveille de part sa structure et son rôle dans la survie des bactéries. Il permet la mise en rotation rapide (300Hz) d'un long filament à l'extérieur de la bactérie, filament qui va jouer un rôle comparable à une hélice de sous marin. Malgré sa taille, 45 nm dans son plus grand diamètre, cette nano-bio-machine est composée de milliers de protéines, briques essentielles à la vie. Ces protéines travaillent de concert afin de faire tourner le flagelle bactérien et permettre à la bactérie de se mouvoir dans son environnement au gré du milieu dans lequel elle évolue. Malgré son importance dans la vie bactérienne, son fonctionnement précis reste encore relativement flou aujourd'hui. Sa découverte il y a plus de 30 ans a permis l'accumulation de données qui permettent d'esquisser la structure de certaines des protéines, leur emplacement ou le rôle joue par certaines parties de ces mêmes protéines. D'autres expériences ont permis de déduire des caractéristiques mécaniques, comme les relations couple/vitesse de ce moteur. Cependant, sa description à l'échelle nanométrique reste a ce jour limité et sujette à précautions. Dans le cadre de ma thèse, deux approches parallèles et complémentaires ont été développé afin de répondre à ce défi : le réassemblage de manière contrôlé in vitro d'une partie du moteur crucial pour le fonctionnement du moteur, l'étude à grande échelle des interactions entre les protéines identifiées comme étant essentielles à la rotation du flagelle. De nombreux outils qui n'avaient jamais été utilisés pour l'étude du moteur ont été mis à profit : le microscope à force atomique, afin de visualiser dans un environnement proche du milieu natif les parties du moteur réassemblées, et la Micro Balance à Quartz pour les études d'interactions. Des nouvelles données ont pu être obtenues et synthétisées dans une nouvelle hypothèse de fonctionnement du Nano-moteur flagellaire des bactéries q ui sera présentée.

L’étude des propriétés singulières de nanoparticules colloïdales synthétisées par voie chimique et leur intégration dans des nano-composants requiert leur assemblage dirigé sur des zones parfaitement définies et localisées de surfaces solides. L’objet de cette thèse est le développement d’une méthode d’assemblage dirigé originale: la nanoxérographie par microscope à force atomique (AFM). Cette technique consiste à injecter localement, sur des zones spécifiques, des charges électrostatiques dans un matériau électret par l’intermédiaire d’une pointe d’AFM. Ces charges servent ensuite de pièges électrostatiques sur la surface pour les nanoparticules en solution. Dans le cadre de ce travail, l’injection, la rétention de charges dans de fines couches électrets de PolyMéthylMéthAcrylate (PMMA) et la quantification des densités de charges surfaciques des motifs chargés, ont été étudiées grâce au mode électrique dérivé de l’AFM, le microscope à force Kelvin (KFM). L’étude de l’assemblage de nanoparticules de différentes natures (métal, polymère (organique ou inorganique)), de taille moyenne variable dans un large domaine (2 nm - 1µm) et de potentiel zêta contrôlé a permis d’analyser les mécanismes de dépôt et de montrer les performances de la méthode et son aspect générique. Enfin deux techniques d’injection de charges parallèles ont été mises en place afin d’offrir des perspectives industrielles: le microcontact printing électrique et la nanoimpression électrique / The study of original properties of colloidal nanoparticles and their integration into nanodevices requires their assembly onto specific areas of solid surfaces. The aim of this thesis work is to develop an innovative method for the directed assembly of colloidal nanoparticles: the nanoxerography process by atomic force microscope (AFM). This technique consists in injecting charges into electrets using an AFM tip. The injected charges are then used to electrostatically trap nanoparticles from suspensions onto the surface. In this context, the charge writing and charge decay in PolyMethyMethAcrylate (PMMA) thin films were studied and the charge density of the charged patterns were quantified using Kelvin force microscope (KFM), an electrical mode of AFM. Assemblies of nanoparticles of different nature (metallic, polymeric (organic and inorganic)), with average sizes extending over a large range (2 nm to 1 µm) and controlled zeta potential were obtained on PMMA thin films. This allowed the analysis of assembly mechanisms and demonstration of the excellent performance of the method. Finally, two techniques of parallel charge writing, viz., the electrical microcontact printing and the electrical nanoimprinting were explored with the prospect of extending the nanoxerography process to industrial scale