La spintronique moléculaire et la photocatalyse sont deux domaines en constante évolution. Le premier s'attache à exploiter la possibilité de coupler deux phénomènes physiques, à savoir le transport d'un flux de porteurs de charges et le spin de l'électron, tandis que le second se concentre sur l'exaltation des propriétés chimiques de transfert d'électrons d'une espèce donnée grâce au phénomène physique d'irradiation lumineuse. Depuis quelques années, les nanotubes de carbone ont suscité un grand intérêt à la fois en tant que composant pour la spintronique moléculaire, en raison de leur grande cohérence de spin, et en tant que support idéal pour la catalyse moléculaire, grâce à leurs exceptionnelles propriétés électroniques de surface. Au cours de ce travail de thèse, nous nous sommes attachés à concevoir des complexes inorganiques possédant des propriétés physiques, (magnétiques ou optiques) et des propriétés chimiques (permettant leur assemblage non-covalent sur des nanotubes de carbone monoparoi) de manière à former des adduits complexes inorganiques-nanotubes aux propriétés exploitables en spintronique moléculaire et en photocatalyse. Les propriétés des complexes synthétisés ont été extensivement caractérisées (Chapitre 2), et les plus prometteurs de ces composés ont été assemblés avec succès sur les nanotubes de carbone (Chapitre 3), comme en attestent les mesures spectroscopiques réalisées. Enfin, les deux domaines d'applications concernés par nos travaux faisant intervenir des phénomènes de transport électronique, des études spécifiques sur des dispositifs électriques de type transistor à effet de champ dont le canal de conduction est constitué de nanotubes de carbone ont été réalisées (Chapitre 4). Celles-ci mettent à chaque fois en évidence l'existence d'une communication électronique entre les complexes inorganique et les nanotubes de carbone sur lesquels ils sont assemblés au sein des dispositifs. Bien qu'au final un couplage entre les propriétés magnétiques des complexes synthétisés et les propriétés de transport des nanotubes n'ait pas pu être mis en évidence, de nombreux phénomènes inattendus et extrêmement intéressants tels que des effets ambipolaires, des transferts de charge ou des ruptures de liaisons ont été observés. Par contre, un fort couplage opto-électronique a pu être obtenu entre un complexe et le flux de porteurs de charge des dispositifs, ce qui s'avère être de très bon augure pour des futures applications en photocatalyse.

Au cours de ces dernières années, le développement des capteurs de gaz a connu un essor grandissant pour des applications industrielles, militaires et environnementales afin d’assurer la sécurité et la protection contre les gaz nocifs et toxiques. Ces applications demandent des capteurs sensibles, sélectifs, à faible consommation d’énergie et à faible coût. Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit, s’inscrit dans ce contexte. Il a pour objectif la réalisation d’un capteur hyperfréquence à base de nanotubes de carbone et fabriqué par technologie jet d’encre. Le principe de fonctionnement du capteur repose sur la caractérisation en fréquence d’un résonateur RF, dont un élément est sensible grâce aux nanotubes de carbone, à la présence d’un gaz environnant. Le manuscrit aborde l’ensemble des étapes nécessaires à la réalisation du capteur, à savoir : la conception des dispositifs de test, s’appuyant sur une étude théorique de leur comportement, la caractérisation des matériaux utilisées, la fabrication sur un substrat flexible par une technique d’impression jet d’encre et enfin la caractérisation du capteur de gaz en termes de comportement en fréquence et de sensibilité en présence de gaz. / In recent years, the development of gas sensors has grown rapidly for industrial, military and environmental applications to ensure safety and protection against harmful and toxic gases. These applications require sensitive, selective, low power and low cost sensors. The thesis work presented in this manuscript fits into this context. Its objective is the realization of a microwave sensor based on carbon nanotubes and manufactured by inkjet technology. The operating principle of the sensor is based on the frequency characterization of an RF resonator, one element of which is sensitive, thanks to the carbon nanotubes, to the presence of a surrounding gas. The manuscript addresses all the steps necessary for the realization of the sensor, namely: the design of the test devices, based on a theoretical study of their behavior, the characterization of the materials used, the fabrication on a flexible substrate by inkjet printing technique and finally the characterization of the gas sensor in terms of frequency behavior and sensitivity in the presence of gas.

Le développement de circuits mesoscopiques avec une architecture hybride cette dernière décennie a permis d’étudier l’interaction lumière matière dans son aspect fondamental avec des photons dans le régime micro-ondes. Ces développements permettent aujourd’hui d’étudier cette interaction dans le domaine terahertz, gamme spectrale s’étendant de 0.1 THz à 10 THz (0.4 meV-41,3 meV). L’apparition de sources performantes et de méthodes de spectroscopie efficaces telles que la spectroscopie dans le domaine temporel sont des outils utilisables pour l’étude de l’interaction lumière matière dans ce domaine spectral. Dans ce travail de thèse, nous avons développé un outil afin d’étudier cette interaction dans son aspect le plus fondamental composé d’un nanotube de carbone en régime de boîte quantique et d’une cavité térahertz. Le nanotube de carbone est un élément d’autant plus adapté que sa structure électronique est régie par des énergies dont la fréquence équivalente se situe dans le terahertz. La cavité térahertz est un "split ring resonator". Le travail s’est décomposé en deux aspects, avec dans un premier temps le développement d’un banc de spectroscopie térahertz large bande (0.3 THz-20 THz) dans le domaine temporel pour l’étude des résonateurs. En utilisant un procédé original de contrôle du front d’onde d’émission de l’antenne, nous démontrons que le champ térahertz est focalisé en limite de diffraction ce qui ouvre la possibilité d’étudier des résonateurs uniques. Dans un second temps, des mesures de transport électronique ont été effectuées afin de mettre en évidence un couplage entre le résonateur et la boîte quantique. Un couplage avec un mode bosonique est observé. La conductance de ces états est modulée par la source de photons utilisée dans cette étude. Cependant, l’énergie du mode est inférieure à celle observée par les mesures de spectroscopie ne permettant pas de conclure de manière définitive sur l’origine de ce mode. / In the last ten years, research has been devoted to the development of hybrid architecture mesoscopic circuit to study the ligh-matter interaction in the microwaves range. These improvements allow us to study this interaction in the terahertz range extending from 0.1 THz to 10 THz (0.4 meV - 41.3 meV). Moreover, new efficient sources and new spectroscopy schemes like time domain spectroscopy set-up are some tools that can be used to study the light-matter interaction in this range. In this work, we developed a paradigm to study the interaction in the fundamental aspect composed of a carbon nanotube in a quantum dot regime embedded in a terahertz cavity. Carbon nanotube quantum dot is well adapted because of its electronic levels which are separated by energy in the terahertz range. The cavity used for the study is a "split ring resonator". This thesis is decomposed in two parts. Firstly, we built an ultrabroadband terahertz time domain spectroscopy set-up (0.3 THz -20 THz) to study the terahertz resonators. We demonstrated that the terahertz field is focused at the diffraction limit by exciting the antenna with an original scheme based on a control wavefront. Then, electronic transport measurements have been done to highlight the coupling between the cavity and the quantum dot. A coupling with a bosonic mode is observed. The conductance of these states is modified by the source that we used in this work. However, the energy of the observed mode is lower than the fundamental energy mode of the cavity that do not allow us to conclude about the origin of this mode.

Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale par spectroscopie de photoluminescence de nanotubes de carbone nus et fonctionnalisés. Les nanotubes étant formés exclusivement d'atomes de surface, leurs propriétés optiques peuvent être grandement altérées, mais aussi contrôlées, par interaction avec l'environnement physico-chimique. Un dispositif de microscopie confocale à l'échelle de l'objet unique et à température cryogénique est développé pour l'étude de la luminescence de nanotubes déposés sur substrat. La variété des profils spectraux observés est interprétée en terme d'un couplage entre excitons localisés et phonons acoustiques unidimensionnels dont le spectre peut être altéré aux basses énergies. Ce mécanisme explique notamment l'observation originale de raies très fines, de largeur inférieure à 500 µeV. La fonctionnalisation non-covalente des nanotubes par des molécules de colorants (porphyrines) introduit une nouvelle voie d'excitation optique par un transfert d'énergie très efficace. Le suivi physico-chimique de la réaction d'adsorption nous informe sur la couverture et l'affinité des molécules sur les nanotubes. Une étude de photoluminescence sur composés uniques résolue en polarisation montre une forte anisotropie du transfert d'énergie gouvernée par des effets d'antenne à proximité du nanotube. Enfin, le colorant peut être utilisé comme cellule d'absorption de référence pour évaluer la section efficace d'absorption des nanotubes. Une nette évolution avec l'angle chiral de l'espèce est notamment observée pour l'absorption à la résonance optique S22. / This manuscript presents an experimental study on pristine and functionalized single-wall carbon nanotubes by means of photoluminescence spectroscopy. Due to nanotubes original one-layer structure, the physico-chemical environment can greatly alter their optical properties, introducing in the same time a way to control these properties. Luminescence signals from single substrate desposited nanotubes are studied with a home-made confocal microscope at cryogenic temperatures. The large variety of observed spectral profiles is interpreted in term of an unified coupling between localized excitons and unidimensionnal acoustic phonons. In particular, a local gap in the low energy phonon spectrum leads to narrow lines with width lower than 500 µeV. Nanotubes non-covalently functionalized with dye molecules (porphyrins) show an original absorption feature at 2.8 eV involving a very efficient energy transfer. Molecules coverage and affinity on the nanotube wall are evaluated from the adsorption thermodynamic equilibrium. A polarized photoluminescence study at the single compound scale reveals that the energy transfer shows strong anisotropy owing to antenna effects in the vicinity of the nanotube. Finally, the dye molecule can be used as an absorptive unit cell to calculate the absorption cross section of carbon nanotubes. A clear evolution is found at the S22 optical resonance with respect to the chiral angle of the species.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre du développement de nouveaux matériaux permettant de se substituer aux métaux pour les applications de transport de l’électricité. L’excellente conductivité électriques des nanotubes de carbone (NTC) ainsi que le fait qu’ils peuvent être assemblés sous forme de fil en font une alternative prometteuse. Cependant, la conductivité électrique des fils en NTC n’est pas encore suffisante pour directement concurrencer les métaux. Ce travail de thèse cherche à identifier et comprendre les points bloquants pour les dépasser et ainsi améliorer la conductivité des fils en NTC. Les nanotubes de carbones sont fabriqués par la technique de Chemical Vapour Deposition sous forme de tapis. Ces tapis dit "filable" permettent d'extraire une nappe de NTC que l’on densifie ensuite pour former un fil. Tous les travaux de la littérature sur ce type de fil rapportent des résistivités supérieures à 1 mΩ.cm. Afin de comprendre cette limite apparente, une étude approfondie du transport électronique de ces fils est présentée en étudiant le comportement de la résistance du matériau entre 3 K et 300 K. Cette analyse met en évidence que le transport dans les fils de NTC est dominé par les contacts entre NTC en dessous de 70 K et qu’il est dominé par le transport intrinsèque des NTC au-dessus de 70 K. L'amélioration de la conductivité des fils en NTC à température ambiante passe par l’amélioration de la conductivité intrinsèque des NTC. Pour ce faire, deux techniques sont présentées dans ce travail, l’amélioration de la qualité structurale des NTC obtenue par un recuit à plus de 2000 °C et le dopage. L'amélioration linéaire de la conductivité du fil de NTC avec la qualité structurale des NTC nous a permis d’atteindre un record de résistivité à 0.76 mΩ.cm. Le dopant présenté dans ce travail (PtCl4) est pour la première fois utilisé pour des fils en NTC. Ce dopant possède une excellente efficacité (résistivité diminuées par 3) et une très grande stabilité dans le temps. L’amélioration de la qualité structurale des NTC augmente fortement l’efficacité de dopage. La qualité structurale est indispensable pour atteindre d’excellentes conductivités électriques. Un schéma récapitule l’influence des différents paramètres expérimentaux sur le transport électronique des fils en NTC. Enfin, l’étude du transport électronique dans les matériaux en NTC a permis de développer un nouveau modèle de transport s’ajustant à la fois à nos travaux ainsi qu’à tous ceux de la littérature. Ce modèle consiste en deux résistances en série. La première résistance décrit le transport dans les matériaux en NTC en dessous de 70 K et est très bien décrite par la théorie d’un Liquide de Luttinger. La deuxième résistance dépend à la fois du transport intrinsèque des parois métalliques et semi-conductrices des NTC ainsi que de l’arrangement des NTC entre eux (faisceaux ou individualisés). Ce modèle permet de tirer les informations intrinsèques aux fils comme la façon dont les électrons sont injectés dans les NTC, l’influence des NTC semi-conducteurs par rapport aux métalliques et les libres parcours moyen des électrons dans la structure. L’ensemble de ces résultats indique que les paramètres indispensables pour obtenir des fils très conducteurs sont pour des NTC: d’une excellente qualité structurale, fabriqué sous forme individualisée et avec une forte proportion de parois métalliques. / The overall framework of this PhD. work is to develop new materials to replace metals in electrical wiring. Carbon nanotubes (CNT) are a good alternative as they show a high electrical conductivity as well as they can be assembled into yarns. However, CNT yarns have not yet reached the electrical conductivity of individual CNTs preventing them from competing with metals. The aim of this work is to identify the factors limiting the CNT yarn conductivity, increase the CNT yarn conductivity and model their electrical transport. In this work, carbon nanotubes are grown in array by Chemical Vapour Deposition. Our CNT arrays are spinnable meaning that, CNT webs can be drawn from it and then densified into yarns. All the published works on this type of CNT yarns reveal that their resistivities are limited above 1 mΩ.cm. In order to understand this apparent limitation, we present an extensive study of the CNT yarn electrical transport by measuring the yarn resistance behavior from 3 K to 300 K. We show that the CNT yarn electrical transport is dominated by the contact resistance between CNTs below 70 K and by the intrinsic CNT resistance above. In order to improve the CNT yarn electrical conductivity at room temperature, it is essential to improve the intrinsic CNT conductivity. Two ways are investigated, the first one is to increase the CNT structural quality by annealing above 2000 °C, and the second one is doping. Annealing treatment drastically improves the CNT structural quality, revealing that the CNT yarn resistivity linearly decreases with the CNT quality improvement. This treatment allows reaching a resistivity record of 0.76 mΩ.cm for undoped yarn made from CNT array. In addition, we present a new dopant for CNT yarn (PtCl4) that shows both high doping efficiency (CNT resistivity decreased by almost a factor of 3) and a very long term stability. By combining successively annealing and doping treatments, we found out that the doping efficiency is drastically increased by the CNT structural quality improvement. From all our experimental studies and the literature data analysis, we present a scheme showing the influence of many parameters on the CNT yarn electrical transport. After bringing to light that existing electrical transport models do not correctly explain the CNT yarn electrical transport, we developed a new model that perfectly fits both our data and those of the literature. Our model consists in two resistances in series. The first resistance represents the CNT material electrical transport below 70 K and is very well explained by the Luttinger Liquid theory. The second resistance depends on both the intrinsic CNT wall electrical transport (metallic or semi-conducting) and the CNT arrangement (bundled or individualized). Our model allows extracting CNT yarn physical parameters such as the way electrons tunnel from one CNT to another, the role of semi-conducting walls versus metallic ones and the electron mean free paths in the structure. All these results highlight that the main ways to make CNT yarns with high electrical conductivities involve individualized CNTs, with an excellent structural quality and also a high metallic CNT wall content.

Ce manuscrit présente une étude expérimentale autour de la synthèse des nanotubes de carbone et de leurs possibles intégrations dans des dispositifs. Les remarquables propriétés électroniques et optiques des nanotubes en font un matériau de choix pour entre autres, la nanoélectronique. Néanmoins, l’intégration des nanotubes dans des dispositifs performants est encore aujourd’hui un défi. Cela repose principalement sur la difficulté d’obtenir de grandes quantités de nanotubes mono-paroi avec des propriétés uniformes, propriétés qui sont définies par la structure du nanotube (i.e. leur angle chiral et leur diamètre). Ainsi, réaliser des synthèses de nanotube de carbone avec un contrôle de leur structure représente un point clé pour le progrès dans ce domaine.Nous avons donc mis en place une nouvelle méthode de synthèse de nanotubes de carbone basée sur la chimie de coordination et le dépôt chimique en phase vapeur activé par filament chaud. Cette synthèse permet la conception de nombreux nouveaux catalyseurs bimétalliques pour la croissance des nanotubes de carbone. Comme le procédé mis en place est très générique, des études paramétriques peuvent être réalisées de manière à mieux comprendre l’influence des différents paramètres de la croissance sur la structure des nanotubes obtenue. Nous discuterons ici du rôle de la température et de la composition chimique du catalyseur. Les nanotubes obtenus sont principalement caractérisés par spectroscopie Raman et par microscopies électroniques.Afin de valider les observations obtenues par spectroscopie Raman, les nanotubes synthétisés ont aussi été intégrés dans des dispositifs de type transistor à effet de champ. Une analyse des performances des transistors en fonction des différents nanotubes utilisés dans le canal est présentée.Enfin, les nanotubes intégrés dans ces transistors ont été fonctionnalisés avec un chromophore de ruthénium. Nous avons montré que cette fonctionnalisation nous permet de moduler, grâce à une impulsion lumineuse, la conductivité du dispositif sur trois ordres de grandeur. / This manuscript presents an experimental study around the single wall carbon nanotubes (SWCNT) synthesis and their possible integration in nanodevices. The unique electronic and optical properties of carbon nanotubes make them a choice material for various applications, particularly in nano-electronics.Nevertheless, their integration in effective devices is still a challenge. This is mainly due to the difficulty to obtain large quantity of SWCNT with uniform properties, defined by their structure (i.e. chiral angle and diameter). Therefore, structure controlled growth of SWCNTs is a key point for progress in this field.Here, we established a new synthesis approach based on coordination chemistry and hot-filament chemical vapor deposition. This approach allows the design of various bimetallic catalyst nanoparticles for the SWCNT growth. As the synthesis process is generic, parametric study can be performed in order to better understand the influence of the various parameters on the structure of the as-grown SWCNTs. In particular, we will discuss the role of the growth temperature and the chemical composition of the catalyst on the final SWCNTs structure. The obtained SWCNTs are mainly characterized by Raman spectroscopy and electronic microscopy.In order to validate the observations performed by Raman measurement, the synthesized SWCNTs have been also integrated in field effect transistors (FET) devices. An analysis of the performance of the FET-device as a function of the SWCNTs used in its channel will be presented.Finally, SWCNTs integrated in these transistors have been functionalized with an inorganic chromophore of ruthenium.We demonstrate that the functionalization of the SWCNTs leads to a three order of magnitude reversible switch of the device conductivity triggered by visible light.

La microscopie à force atomique exploite les interactions entre une sonde et un échantillon. Les nanotubes de carbone représentent la sonde idéale, ils sont: fins, robustes, peu réactifs et ont un haut rapport d'aspect. L'utilisation à grande échelle des sondes à nanotubes de carbone passe par l'étude de leur comportement mécanique en contact avec une surface. Nous étudions deux types de sondes: les sondes avec nanotubes multiparois et les sondes avec nanotubes monoparois. Pour les nanotubes multiparois nous avons utilisé trois mode de fonctionnement AFM différents que sont les modes contact, modulation de fréquence et bruit thermique. Les résultats expérimentaux sont comparés à des modèles mécaniques que nous avons développés. Les études des nanotubes monoparois ont été réalisées à partir d'un AFM interférométrique. Ces mesures nous ont permis de déterminer l'énergie d'adhésion par unité de longueur d'un nanotube monoparoi sur des surfaces de graphite et mica.Enfin nous présentons deux applications des sondes AFM avec nanotube multiparoi. La première est un projet de sondes électrochimiques pour lesquelles un nanotube multiparoi sert de nanolocalisateur. La seconde est une étude par AFM d'une interface air-liquide de fluides complexes. / Atomic force microscopy exploits interactions between a probe and a sample. Carbon nanotubes represent the ideal probe; they are thin with a high aspect ratio, robustes and few reactive. The widespread use of carbon nanotube probes needs the study of their mechanical behavior in contact with a surface. We study two types of probes: probes with multiwalled nanotubes and probes with singlewalled nanotubes. For multiwalled nanotubes, we used three differents AFM modes that are contact, frequency modulation and thermalnoise. The experimental results are compared with mechanical models that we developed. Studies of singlewalled nanotubes have been produced from an interferometric AFM. These measures have enabled us to determine the adhesion energy per unit length of singlewalled nanotubes on graphite and mica surfaces.Finally we present two applications of AFM probes with multiwall nanotubes. The first is a project of electrochemical sensors for which a multiwall nanotube is used as a nanolocalisator. The second is a study by AFM of air-liquid interface of complex fluids.

La spectroscopie Raman est un outil non destructif fort utile lors de la caractérisation de matériau. Cette technique consiste essentiellement à faire l’analyse de la diffusion inélastique de lumière par un matériau. Les performances d’un système de spectroscopie Raman proviennent en majeure partie de deux filtres ; l’un pour purifier la raie incidente (habituellement un laser) et l’autre pour atténuer la raie élastique du faisceau de signal. En spectroscopie Raman résonante (SRR), l’énergie (la longueur d’onde) d’excitation est accordée de façon à être voisine d’une transition électronique permise dans le matériau à l’étude. La section efficace d’un processus Raman peut alors être augmentée d’un facteur allant jusqu’à 106. La technologie actuelle est limitée au niveau des filtres accordables en longueur d’onde. La SRR est donc une technique complexe et pour l’instant fastidieuse à mettre en œuvre. Ce mémoire présente la conception et la construction d’un système de spectroscopie Raman accordable en longueur d’onde basé sur des filtres à réseaux de Bragg en volume. Ce système vise une utilisation dans le proche infrarouge afin d’étudier les résonances de nanotubes de carbone. Les étapes menant à la mise en fonction du système sont décrites. Elles couvrent les aspects de conceptualisation, de fabrication, de caractérisation ainsi que de l’optimisation du système. Ce projet fut réalisé en étroite collaboration avec une petite entreprise d’ici, Photon etc. De cette coopération sont nés les filtres accordables permettant avec facilité de changer la longueur d’onde d’excitation. Ces filtres ont été combinés à un laser titane : saphir accordable de 700 à 1100 nm, à un microscope «maison» ainsi qu’à un système de détection utilisant une caméra CCD et un spectromètre à réseau. Sont d’abord présentés les aspects théoriques entourant la SRR. Par la suite, les nanotubes de carbone (NTC) sont décrits et utilisés pour montrer la pertinence d’une telle technique. Ensuite, le principe de fonctionnement des filtres est décrit pour être suivi de l’article où sont parus les principaux résultats de ce travail. On y trouvera entre autres la caractérisation optique des filtres. Les limites de basses fréquences du système sont démontrées en effectuant des mesures sur un échantillon de soufre dont la raie à 27 cm-1 est clairement résolue. La simplicité d’accordabilité est quant à elle démontrée par l’utilisation d’un échantillon de NTC en poudre. En variant la longueur d’onde (l’énergie d’excitation), différentes chiralités sont observées et par le fait même, différentes raies sont présentes dans les spectres. Finalement, des précisions sur l’alignement, l’optimisation et l’opération du système sont décrites. La faible acceptance angulaire est l’inconvénient majeur de l’utilisation de ce type de filtre. Elle se répercute en problème d’atténuation ce qui est critique plus particulièrement pour le filtre coupe-bande. Des améliorations possibles face à cette limitation sont étudiées. / Raman spectroscopy is a useful and non-destructive tool for material characterization. It uses inelastic light scattering interaction with matter to investigate materials. The major part of the performances in a Raman spectroscopy system comes from two light filter units: the first shapes the light source (usually a laser) and the other attenuates the elastic scattered light in the signal beam. In resonant Raman spectroscopy (RRS), the excitation energy (wavelength) is tuned to match an electronic transition of the sample. When in resonance, the Raman cross section is increased by a factor up to 106. Current RRS setups are limited by filtering devices technology. RRS is a complex technique which, for the moment, remains tedious to implement. This master thesis presents the construction of a tunable Raman spectroscopy system based on volume Bragg gratings light filters. The setup is designed to operate in the near infrared region so as to study carbon nanotubes resonances. Steps leading to the operation of the system are described. They cover conceptualization, fabrication, characterization and optimisation of the setup. Collaboration with a local small company, Photon etc, led to the building of two new light filters that allow to tune easily the excitation wavelength. These filters have been adapted to work with a tunable titanium-sapphire laser (tunable from 700 to 1100 nm) and assembled with a homemade microscope and a detection system combining a CCD camera with a grating spectrometer. This document is arranged as follow: First are presented the theoretical aspects surrounding RRS. Carbon nanotubes (CNT) are than described to illustrate the relevance of such technique applied to material science. Principles behind the use of the Bragg filters are described to be followed by a scientific paper in which the main results of this work are presented. These include the optical characterisation of the filters and measurements with the system. Low frequency limits of the system are demonstrated using a sulphur powder where the 27 cm-1 line is clearly resolved. The tunability of the setup is also demonstrated using a bulk carbon nanotube sample. By changing the excitation wavelength, different nanotube chiralities become resonant, leading to different signals in the Raman spectra. Finally, clarifications regarding the alignment, optimisation and operation of the system are described. Low angular acceptance has been found to be the main drawback of the system leading to attenuation problems especially critical for the notch filter. Possible improvements on this limitation are discussed.

Le cerveau est composé de neurones et de cellules gliales qui jouent un rôle de soutien et de protection du réseau cellulaire. L’espace extra-cellulaire (ECS) correspond à l’espace qui existe entre ces cellules. Les modifications de sa structure peuvent dépendre de plusieurs paramètres comme l’âge, l’apprentissage ou les maladies neuro-dégénératives. Le volume de l’ECS correspond à environ 20$%$ du volume total du cerveau et les neurotransmetteurs et autres molécules circulent dans cet espace pour assurer une communication neuronale optimale. Cependant, les dimensions et la viscosité locale de cet espace restent encore mal-connues. L’ECS est composé entre autres de protéoglycans, de glycoaminoglycans (acide hyaluronique…) et de fluide cérébrospinal. Nous avons proposé dans cette thèse une stratégie pour mesurer les dimensions et les propriétés rhéologiques de l’espace extra-cellulaire de tranches de cerveaux de rats maintenue en vie à l’aide du suivi de nanotubes de carbone individuels luminescents. Pour ces applications, nous avons étudier la biocompatibilité et le rapport signal sur bruit de nos échantillons de nanotubes afin de les détecter en profondeur dans les tranches de cerveaux et de pouvoir mesurer leurs propriétés de diffusion. / The brain is mainly composed of neurons which ensure neuronal communication and glialcells which play a role in supporting and protecting the neural network. The extracellular space corresponds to the space that exists between all these cells and represents around 20 %of the whole brain volume. In this space, neurotransmitters and other molecules circulate into ensure optimal neuronal functioning and communication. Its complex organization whichis important to ensure proper functioning of the brain changes during aging, learning or neurodegenerative diseases. However, its local dimensions and viscosity are still poorly known.To understand these key parameters, in this thesis, we developed a strategy based on the tracking of single luminescent carbon nanotubes. We applied this strategy to measure the structural and viscous properties of the extracellular space of living rodent brains slices at the nanoscale. The organization of the manuscript is as follows. After an introduction of the photoluminescence properties of carbon nanotubes, we present the study that allowed us to select the optimal nanotube encapsulation protocol to achieve our biological applications. We also present a quantitative study describing the temperature increase of the sample when laser irradiations at different wavelengths are used to detect single nanotubes in a brain slice.Thanks to a fine analysis of the singular diffusion properties of carbon nanotubes in complex environments, we then present the strategy set up to reconstruct super-resolved maps (i.e. with resolution below the diffraction limit) of the brain extracellular space morphology.We also show that two local properties of this space can be extracted : a structural complexity parameter (tortuosity) and the fluid’s in situ viscosity seen by the nanotubes. This led us to propose a methodology allowing to model the viscosity in situ that would be seen, not by the nanotubes,but by any molecule of arbitrary sizes to simulate those intrinsically present or administered in the brain for pharmacological treatments. Finally, we present a strategy to make luminescent ultra-short carbon nanotubes that are not intrinsically luminescent and whose use could be a complementary approach to measure the local viscosity of the extracellular space of the brain.

Cette thèse est consacrée à l’étude de deux aspects de la physique mésoscopique que sont le bruit quantique haute fréquence et l'effet de proximité supraconducteur en se focalisant toutefois sur un système modèle: le nanotube de carbone.Ainsi la première partie de cette thèse est dédiée à la mesure de bruit quantique haute fréquence. Afin de mesurer ces fluctuations nous avons développé un système de détection "on-chip" original dans lequel la source de bruit et le détecteur, une jonction Supraconducteur/Isolant/Supraconducteur, sont couplés par un circuit résonant. Cela nous a permis dans un premier temps de mesurer le bruit à l'équilibre du résonateur. Son bruit comporte une forte asymétrie entre émission et absorption reliée aux fluctuations de point zéro. Une seconde étape a été de mesurer le bruit hors équilibre d’émission du passage tunnel de quasi-particules dans une jonction Josephson. Ce bruit comporte une forte dépendance en fréquence en accord avec les prédictions théoriques et nous a permis de valider le principe de détection. Finalement, nous avons pu mesurer le bruit associé au régime Kondo hors équilibre d'une boîte quantique à nanotube de carbone (énergie caractéristique kBTK avec TK la température Kondo). Ce bruit d’émission à kBTK~hν possède une forte singularité à la tension V=hν/e (ν étant la fréquence de mesure). Cette singularité est reliée aux résonances Kondo dans la densité d’états de la boîte associés aux niveaux de Fermi de chaque réservoir. A plus haute fréquence hν~3kBTK, la singularité disparaît, ce qui est compris par des effets de décohérence induits par la tension.Dans la seconde partie, nous avons développé une technique permettant de mesurer à la fois la relation courant/phase et la caractéristique courant/tension d'un lien faible séparant deux supraconducteurs. Nous avons ainsi caractérisé une jonction à base de nanotube de carbone au travers de laquelle une relation courant-phase modulable par une tension de grille a été observée. Cette relation courant/phase exhibe une forte anharmonicité lorsque le supercourant présente une relativement grande amplitude. / This thesis discusses two experiments of mesoscopic physics regarding the high frequency quantum noise and the superconducting proximity effect. We nevertheless focused on a single model system: the carbon nanotube. The first experiment aims to measure the high frequency quantum noise of the tube. In order to measure those fluctuations we have designed an original on-chip detection scheme in which the noise source and the detector, a Superconductor/Insulator/Superconductor junction, were coupled through a resonant circuit. This first allowed us to measure the equilibrium noise of the resonator. It exhibits a strong asymmetry between emission and absorption related to zero point fluctuations. We have then measured the out-of-equilibrium emission noise of quasiparticles tunneling of a Josephson junction. It exhibits a strong frequency dependence in agreement with theoretical predictions and allowed us to validate the detection scheme. Finally, the out-of-equilibrium emission noise associated to the Kondo effect (characteristic energy kBTK with TK the Kondo temperature) in a carbon nanotube quantum dot was measured. We find a strong singularity at voltage V=hν/e (ν is the measurement frequency) for frequency ν~kBTK/h. This singularity is related to resonances in the density of states of the dot pinned at the Fermi energy of the leads. At higher frequency hν~3kBTK the singularity vanishes and understood in terms of decoherence effects induced by the bias voltage. In the second experiment, we have developed a technique allowing to measure in the same experiment the current-phase relation and the current-voltage characteristic of a weak link separating two superconductors. We have characterized a carbon nanotube based junction through which a gate tunable current-phase relation was observed. Jointly to a high critical current amplitude, an anharmonic current-phase relation was measured.