Cette thèse est consacrée à l'étude des propriétés électroniques de nanostructures par microscopie à force atomique (AFM) en ultra-vide. La première partie de ce travail a consisté à caractériser localement des nanofils de silicium par technique d'AFM conducteur. Les expériences de conduction locale sur nanofils inclinés montrent que la conduction des nanofils intrinsèques est dominée par un transport en surface, associé à la présence de résidus catalytiques métalliques. Cette conduction peut être partiellement supprimée (par désoxydation) ou exaltée (par traitement thermique). Une caractérisation qualitative du dopage de ces nanostructures est présentée, par technique de microscopie à sonde de Kelvin. La deuxième partie de la thèse a consisté à étudier le transfert de charges et les propriétés d'ionisation de nanocristaux de silicium passivés hydrogène, dopés de type n (P) ou p (B), fabriqués par dépôt plasma. L'analyse des images de microscopie à sonde de Kelvin en modulation d'amplitude sous ultra-vide montre que le transfert de charges des nanocristaux de silicium correspond à un mécanisme de compensation d'énergie, exalté par le confinement quantique. Les résultats expérimentaux fournissent une mesure de l'ouverture de la bande interdite des nanocristaux due au confinement quantique, dans la gamme 2-50 nm, en accord quantitatif avec des calculs en liaisons fortes. Ils mettent en avant la possibilité d'utiliser des nanocristaux dopés comme sources d'électrons pour réaliser un dopage sélectif contrôlé de nanostructures ou nanodispositifs, avec des densités dans les gammes de 2×10^11-10^14 cm^-2 ou 8×10^5-2×10^7 cm^-1.

L'importante augmentation de fluage des plaques de plâtre en milieu humide est un vieux problème dans l'industrie du bâtiment, dont l'origine n'est pas encore établie. Afin d'en comprendre le mécanisme une étude à trois échelles (macro : réponse mécanique, micro : cinétique de dissolution et nano : observation atomique) a été réalisée. Une corrélation forte existe entre le fluage du plâtre en immersion et la cinétique de dissolution du gypse. La concordance de cette corrélation avec une loi de déformation par dissolution sous contrainte, très utilisés en géologie, permet de proposer la dissolution sous contrainte comme un des mécanismes responsables du fluage du plâtre en immersion. L'évolution de la topographie de la surface du cristal de gypse immergé dans une solution aqueuse de gypse est observée par microscopie à force atomique (AFM). La cinétique de migration des marches atomiques est très dépendante de la sous-saturation de la solution, de la force d'appui de la pointe de l'AFM ainsi que des additifs utilisés. L'étude de l'influence de la force d'appui sur les vitesses des marches met en évidence la présence de deux mécanismes complètement différents. A fortes forces (_ 15 nN) on observe un mécanisme d'usure de la surface, tandis qu'à faibles forces (_ 10 nN) le mécanisme observé semble être la dissolution sous contrainte. L'évolution des vitesses des marches atomiques avec la force appliquée par la pointe est concordante avec une loi connue de dissolution sous contrainte.

Les puroindolines (isoformes a et b) sont des protéines extraites du grain de blé et dont la structure est stabilisée par cinq ponts disulfure. La pin-a possède un domaine unique riche en tryptophane (WRWWKWWK) qui est tronqué dans le cas de la pin-b (WPTKWWK). Les deux galactolipides majeurs de l'endosperme du blé, MGDG et DGDG, ont été extraits et purifiés. Les études ont été réalisées à l'interface liquide/air et en dispersion aqueuse grâce à des techniques appropriées : tensiométrie, ellipsométrie, microscopies à l'angle de Brewster et à force atomique, techniques spectroscopiques (PM-IRRAS, Raman, ATR), et diffraction des rayons X. Les lipides ainsi que leur mélange équimolaire montrent des propriétés spécifiques attribuées aux fortes interactions entre les têtes polaires galactosyl. La pin-a et la pin-b présentent des propriétés similaires, en particulier une forte activité à l'interface. Finalement, l'étude des interactions protéine/lipide montre que la pin-a interagit plus fortement avec les galactolipides en formant des structures (réseaux) qui pourraient être à l'origine de la forte stabilité des mousses pin-a/lipide.

L'implantation ionique dans les aciers, bien que largement utilisée pour l'amélioration des propriétés d'usage, entraîne des modifications structurales des couches superficielles, qui restent sujettes à controverse. Dans ce cadre, différents éléments (N, Ar, Cr, Mo, Ag, Xe et Pb) ont été implantés (à des énergies allant de 28 à 280 keV) dans un acier 316LVM austénitique dans une couche d'épaisseur limitée à 80 nm avec une concentration maximale en élément implanté n'excédant pas 10 %.at. L'analyse de la couche implantée par diffraction des rayons X en incidence rasante permet de mettre en évidence des déformations des raies de l'austénite, l'apparition de ferrite et l'amorphisation de la couche.<br />La phase ferritique apparaît aux joints de grains, quelle que soit la nature de l'élément implanté, à partir d'une quantité « seuil » d'énergie totale envoyée (produit de la dose par l'énergie d'un ion). La formation de ferrite ainsi que l'amorphisation de la couche implantée ne dépendent que de la quantité totale d'énergie envoyée.<br />Afin de comprendre les déformations des raies de diffraction de l'austénite, un modèle de simulation de ces raies a été élaboré. Le modèle écrit correctement les déformations (élargissement, décalage, dédoublement) observées à partir de l'hypothèse que l'expansion de la maille austénitique est due à la présence de l'élément implanté et est proportionnelle à la concentration de l'élément au travers d'un coefficient k'. Ce coefficient ne dépend que de l'élément et varie linéairement avec son rayon.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Nanophysique : Toulouse 3 : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 123-130.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Chimie organique et macromoléculaire : Lille 1 : 2004. / N° d'ordre (Lille 1) : 3448. Résumé en français et en anglais. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. p. 254-272.

Le graphène, un feuillet élémentaire de graphite, est un matériau très étudié par la communauté scientifique car ses propriétés physiques sont nouvelles et uniques. Il apparaît comme un matériau très prometteur pour des applications technologiques. Nous présentons une étude des propriétés structurelles et électroniques du graphène épitaxial sur 6H-SiC(0001) au moyen d'un microscope STM/AFM combiné basé sur un diapason en quartz avec une pointe conductrice en Pt/Ir ou en fibre de carbone. Les pointes fabriquées par attaque électrochimique présentent un rayon d'apex de quelques nanomètres et ont été caractérisées par SEM, TEM et émission électronique par effet de champ. On s'est d'abord focalisé sur les propriétés d'un échantillon qui présente des terrasses partiellement recouvertes de graphène. Dans ce cas, l'image STM ne donne pas la topographie de la surface. Celle-ci est donnée par l'AFM en mode répulsif. Les différentes propriétés électroniques de chaque terrasse sont confirmées par des mesures spectroscopiques I=f(V). Puis, l'étude à haute résolution par FM-AFM sur une terrasse lisse a révélé la structure ondulée et périodique de la reconstruction 6√3x6√3R30° du SiC(0001) recouverte de graphène. Nous montrons que les maxima des nappes d'iso-densité locale d'états électroniques au niveau de Fermi observés dans l'image STM ne se superposent pas avec les zones associées aux maxima des nappes d'iso-densité d'états totaux (Topographie AFM). Ils apparaissent décalés de ~1 nm le long de la direction [11] de la quasi-maille 6x6 de la reconstruction 6√3x6√3R30°. Comme l'amplitude mesurée des ondulations de la surface augmente avec le gradient de force appliqué, on montre que la surface du graphène est déformée par la pointe AFM. Cette déformation qui modifie le couplage électronique entre le graphène et la couche tampon influence fortement le contraste des images STM/AFM. Les conséquences de cette déformation sur les images STM résolvant le réseau du graphène sont aussi discutées.

Les travaux de cette thèse se situent dans un contexte de miniaturisation des transducteurs ultrasonores micro-usinés (cMUTs). Ce type de dispositifs est utilisé depuis plusieurs décades dans le domaine de l'imagerie par échographie allant du contrôle non-destructif de structures jusqu'au domaine médical. La quête d'une imagerie hautement résolue nécessite l'utilisation de cMUTs de fréquence de résonance de l'ordre du GHz et de taille micrométrique. L'élément actif de ces cMUts est une membrane suspendue de surface micrométrique. Une étude analytique, basée sur le comportement mécanique des plaques minces, a permis de dimensionner les membranes suspendues et de souligner l'importance d'avoir une épaisseur nanométrique pour avoir un signal émis détectable électriquement. Plusieurs matériaux; à savoir des nanotubes de carbone, du graphène, du graphène oxydé, du DLC (diamond like carbon) et du silicium, ont été mis en œuvre dans la cadre de cette étude pour réaliser des membranes suspendues de taille micrométrique et d'épaisseur nanométrique. Des procédés technologiques propres à chacun de ces matériaux ont été conçus et des membranes d'épaisseurs variant de 2 à 15 nm et de largeurs variant de 1 à 2 µm ont été fabriquées. Une méthode de caractérisation innovante a été mise en place afin d'évaluer les propriétés mécaniques des différentes membranes réalisées. Un protocole de mesure a été développé pour mesurer l'amplitude de déplacement des membranes suspendues sous l'action d'une force électrostatique. Des amplitudes qui atteignent la dizaine de nanomètres ont été mesurées, amplitudes qui correspondent à des variations de capacités électriquement détectables. Plus généralement, ces travaux constituent une preuve solide de la faisabilité des nano-membranes suspendues de taille micrométrique avec un déplacement détectable.

La compréhension des propriétés électriques de nano-objets est essentielle pour le développement s des nanotechnologies. La microscopie à force Kelvin (KFM) est une des techniques les plus utiles pour cartographier simultanément la topographie et la différence de potentiel de contact (CPD) à l'échelle nanométrique. Après 20 ans de développement, la KFM est principalement utilisé dans des conditions normales de pression et de température, permettant d'effectuer, de manière simple, de multiples analyses comparatives. Toutefois, sous ultra-vide (UHV), comme la surface est contrôlée et que la sensibilité est meilleure, des mesures plus précises et plus fiables sont réalisables. Dans la première partie, la mesure KFM sous atmosphère ambiante est améliorée en développant la technique simple-passage à la fois en modulation de fréquence (FM) et en modulation d'amplitude (AM). Une électronique externe Nanonis a été adaptée sur les AFMs commerciaux (Dimension 3100 et MultiMode, Bruker). Une étude comparative avec le mode Lift a été réalisée sur des couches de graphène épitaxié sur échantillon de SiC. L'effet de la distance pointe-échantillon sur le contraste et la résolution est décrit ainsi que l'influence des paramètres expérimentaux. Une amélioration significative du contraste et de la résolution est clairement observée sur les résultats obtenus par la technique simple passage en modulation de fréquence, indépendamment de la distance pointe-échantillon. Dans une deuxième partie, la technique KFM est développée sous vide secondaire. Le travail instrumental est réalisé sur un AFM EnviroScope de chez Bruker, qui a été équipé d'une électronique externe Nanonis, permettant de mesurer simultanément la topographie en mode non-contact et la CPD en modulation d'amplitude ou de fréquence. Les résultats montrent que la CPD mesurée est comparable à celle obtenue avec une mesure sous ultravide. Enfin, après avoir posé les bases à la fois expérimentale et théorique de la KFM, cette technique est utilisée pour caractériser les hétérostructures CdTe/CdS en films minces utilisés pour les applications de cellules solaires. Un protocole de préparation d'échantillon sur la tranche a été spécialement développé. L'hétérojonction CdTe/CdS est étudiée sous polarisation à la fois dans l'obscurité et sous éclairement. L'influence de l'épaisseur de la couche de CdS est également étudiée pour comprendre son effet dramatique sur le rendement des cellules solaires.

Les mécanismes de déformation de trois polymères semi-cristallins à morphologie sphérolitique ont été étudiés par microscopie à force atomique in situ à l'aide d'une machine de traction. Le polyamide 6, le polybutène et le polycaprolactone utilisés lors de cette étude se déforment tous par fragmentation lamellaire. Des micro-craquelures ont également été observées dans le polybutène. Ces deux mécanismes s'amorcent dès la fin du domaine élastique. Ils sont tous deux à l'origine d'une déformation permanente et d'une dégradation des propriétés mécaniques. Ces constations expérimentales ont conduit à l'hypothèse d'un couplage entre plasticité et endommagement. Après avoir identifié la contribution visqueuse pour chaque matériau, l'endommagement et la déformation plastique ont été mesurés par des essais de traction charge/décharge. Il s'est avéré que dans les trois matériaux de l'étude, l'évolution du dommage en fonction de la déformation plastique suit une unique loi malgré les nombreuses différences structurales (épaisseur des lamelles, diamètre des sphérolites, température de transition vitreuse . . .). Une loi de comportement a été établie d'une part sur le concept qu'un polymère semi-cristallin est constitué d'un réseau macromoléculaire bridé par la structure cristalline et d'autre part sur la constatation que la destruction de la structure cristalline induit un endommagement régi par la loi précédemment identifiée. Cette loi a été implémentée dans un code de calcul éléments finis. Elle permet de reproduire très convenablement les essais de traction monotones et cycliques de l'étude et de prédire le comportement en relaxation des polymères semi-cristallins.