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

Le but de ce mémoire est de valider la microscopie électro-optique Pockels comme méthode de mesure et de cartographie de champ électrique aux échelles micro et nanométriques. Une première partie est dédiée à la description de l’instrumentation d’imagerie mise en jeu. Nous développons ensuite son application en physique et biophysique. Une étude de couches minces monocristallines de 2-methyl-4-nitroaniline (MNA) a permis de sonder localement la variation de champ électrique appliqué, mais aussi d’étudier l’orientation des axes optiques de ce cristal dans l’espace. A l’échelle sub-longueur d’onde nous avons pu isoler la modulation électro-optique de la diffusion de lumière associée à une nanoparticule isolée de KTiOPO4 (KTP) d’une taille de 150nm. La dépendance polaire du signal Pockels sur la polarisation lumineuse incidente a permis de prédire l’orientation de la maille cristalline du KTP dans l’espace. De telles sondes de champs électriques nanométriques peuvent avoir de nombreuses applications en nano-photonique. Dans le cas d’entité biologiques comme des neurones, la propagation de l’information est assurée par celle d’un champ électrique dans les membranes plasmiques. Dans une première étape, nous nous sommes intéressés à l’étude de bicouches artificielles dopées par un colorant non-linéaire, le DI-8-ANEPPS. Un signal électro-optique Pockels y a été mesuré pour la première fois. La caractérisation de l’insertion du colorant dans la membrane a été aussi discutée. La grande sensibilité à la mesure d’un champ électrique assurée par l’interféromètre permet d’envisager des possibilités d’applications dans des cellules vivantes. Des expériences menées sur des cellules de type PC12 ont montré l’existence d’un signal optique qui est associé à la distribution spatiale du champ électrique. L’ensemble de ces travaux montrent que la microscopie électro-optique s’avère constituer un outil important pour la physique et biophysique. / The aim of this thesis is to validate the electro-optical Pockels microscopy as a powerful technique for electric field imaging at nano and micrometer scales. A first part of this manuscript is dedicated to the instrumental aspects of this new microscope modality. Then we discuss its application in physical and biophysical domains. We have investiguqted 2-methyl-4-nitroaniline(MNA) monocrystalline molecular thin films where the electric field distribution could be imaged, and crystal orientation retrieved. At sub-wavelength scale, we were able to isolate the electro-optical modulation of light scattered by isolated 150nm size KTiOP04 (KTP) nanoparticles. Using the angular dependency of the Pockels response to the polarization of light we could determine the a priori random, spatial orientation of the nanocrystal. Such electric-field nano-probe configuration could find its way in various applications. In the case of biological entities such as neurons, information is transmitted via an electric field signal, propagating through the plasmid membrane. We concentrated first on a model artificial membrane doped with the DI-8-ANEPPS nonlinear dye, evidencing for the first time a Pockels electro-optical response. A relatively high sensitivity to the electric field allows to envision interesting applications in living cells. Experiences performed with PC 12 cells have shown an optical response that reflects the electric field spatial distribution. This work demonstrates that the electro-optical microscopy is emerging as a new powerful tool for sub-wavelength investigation of electro-optical properties in physics and biology.

Le but de ce mémoire est de valider la microscopie électro-optique Pockels comme méthode de mesure et de cartographie de champ électrique aux échelles micro et nanométriques. Une première partie est dédiée à la description de l'instrumentation d'imagerie mise en jeu. Nous développons ensuite son application en physique et biophysique. Une étude de couches minces monocristallines de 2-methyl-4-nitroaniline (MNA) a permis de sonder localement la variation de champ électrique appliqué, mais aussi d'étudier l'orientation des axes optiques de ce cristal dans l'espace. A l'échelle sub-longueur d'onde nous avons pu isoler la modulation électro-optique de la diffusion de lumière associée à une nanoparticule isolée de KTiOPO4 (KTP) d'une taille de 150nm. La dépendance polaire du signal Pockels sur la polarisation lumineuse incidente a permis de prédire l'orientation de la maille cristalline du KTP dans l'espace. De telles sondes de champs électriques nanométriques peuvent avoir de nombreuses applications en nano-photonique. Dans le cas d'entité biologiques comme des neurones, la propagation de l'information est assurée par celle d'un champ électrique dans les membranes plasmiques. Dans une première étape, nous nous sommes intéressés à l'étude de bicouches artificielles dopées par un colorant non-linéaire, le DI-8-ANEPPS. Un signal électro-optique Pockels y a été mesuré pour la première fois. La caractérisation de l'insertion du colorant dans la membrane a été aussi discutée. La grande sensibilité à la mesure d'un champ électrique assurée par l'interféromètre permet d'envisager des possibilités d'applications dans des cellules vivantes. Des expériences menées sur des cellules de type PC12 ont montré l'existence d'un signal optique qui est associé à la distribution spatiale du champ électrique. L'ensemble de ces travaux montrent que la microscopie électro-optique s'avère constituer un outil important pour la physique et biophysique.

Cette thèse porte sur le développement de fibres optiques de type cœur/gaine, dont le cœur est composé de vitrocéramiques transparentes. Le système étudié est composé d’une matrice de silice stabilisant la phase ZnGa2O4 sous la forme de nano cristaux, pouvant être dopés par des ions de métaux de transition tels que le chrome (III) et le nickel (II). Les verres précurseurs de vitrocéramiques ont été synthétisés par fusion trempe, étirés sous forme de fibres optiques par la méthode poudre puis recuits thermiquement afin d’obtenir des fibres optiques à cœur vitrocéramiques optiquement actives. L’optimisation conjointe de la composition des verres précurseurs, des paramètres de fibrage, de la composition finale des fibres et du protocole de recuit thermique de cristallisation, ont permis de maximiser leurs propriétés de luminescence autour de 700 nm et 1350 nm pour les fibres dopées par du chrome (III) et du nickel (II) respectivement. Ces types de fibres peuvent trouver des applications dans les domaines de la thermométrie optique, des sources optiques, des amplificateurs et des lasers fibrés. En particulier, nous avons démontré que le spectre d’émission autour de 1350 nm des fibres dopées par du nickel (II) présente une largeur à mi-hauteur supérieure à 270 nm, meilleure que celle des sources commerciales centrées autour de 1300 nm. Le niveau de puissance émise, de l’ordre d’une trentaine de microwatts, est quasiment compatible avec les applications de source optique pour l’OCT. Des développements ultérieurs visant à réduire le niveau de pertes dans ces fibres et de maximiser l’efficacité du dopant permettrons d’amener cette technologie à un niveau de performance compatible avec ces applications. Ces résultats encourageants ont motivés le dépôt d’une demande de protection des fibres et de leur procédé d’élaboration par un brevet. / This thesis focuses on the development of core/clad type optical fibers where the core is composed of transparent glass ceramics. The system considered was composed of a silica matrix where ZnGa2O4 nanocrystals can be stabilized. Those crystals can interestingly be doped with transition metal ions such as chromium (III) or nickel (II) ions. The precursor glass were synthetized by melt quenching method, drawn into fibers through the powder in tube process, and subsequently annealed to produce optically active glass ceramic optical fibers. The starting glass composition together with the drawing parameters, the fiber core composition and the annealing protocol were optimized in order to maximize the luminescence properties around 700 nm and 1350 nm in chromium (III) and nickel (II) doped fibers respectively. Such type of fibers are interesting for the domains of optical thermometry, fibered sources, amplifiers and lasers. In particular, we demonstrated that the emission spectrum around 1350 nm of nickel (II) doped glass ceramic fibers exhibited a full width at half maximum above 270 nm, wider than that of 1300 nm centered commercial sources. The overall power outcome is about thirty micro watts, which is almost suitable for OCT applications. Further developments aiming at reducing the optical losses in the fibers and in maximizing the dopant efficiency will allow to reach the applications requirements. Those promising results led to a patent application on the fibers composition and their fabrication process.

Les objectifs de cette thèse sont articulés autour de deux axes principaux : la synthèse et l’étude de cages moléculaires photo-modulables, et la génération de nano-cristaux d’or par photo-catalyse supramoléculaire. Ces deux thématiques sont reliées entre elles par l’exploitation des propriétés photophysiques et photochimiques d’un motif commun, le 9,10-diphénylanthracène (DPA). Dans un premier temps, de nouvelles architectures tridimensionnelles photo-modulables de type cage moléculaire ont été conçues et étudiées. En présence d’oxygène, l’irradiation directe ou sensibilisée du DPA permet de former réversiblement le dérivé endoperoxyde et ainsi moduler les propriétés de complexation de la cage. Les différentes stratégies de synthèse mises en place reposent sur l’exploitation conjuguée de la réactivité de la 2,4,6-trichloro-1,3,5-triazine, et de réactions de chimie « click » (métathèse des oléfines, cycloaddition de Huisgen). L’étude et la modulation des propriétés des reconnaissances ont été effectuées sur des sels de cations alcalins (sodium et césium) et suivies par émission de fluorescence et spectroscopie d’absorption UV-visible. Les résultats obtenus avec deux cages possédant des constantes d'associations élevées (logK = 8,7 pour le cation sodium) montrent une augmentation de la constante d’association d’un facteur 10 et 20 pour respectivement le sodium et le césium entre la forme DPA et la forme endoperoxyde. Dans un second temps, des photocatalyseurs supramoléculaires basés sur le chromophore DPA ont été étudiés en vue de la synthèse de nano-cristaux d’or nus. L’association du chromophore avec des thioéthers permet de former un complexe en phase organique par extraction de sels d’or(III) depuis une phase aqueuse. L’irradiation à 400nm permet la réduction de l’or(III) par transfert d’énergie depuis le 9,10-diphénylanthracène. Les atomes d’or sont ensuite relargués en phase aqueuse pour former des nano-cristaux nus qui ont pu être caractérisés par MET, XPS, AFM et DLS. Par ailleurs, ce procédé est catalytique dans le toluène et un système de réduction en flux continu a été mis au point permettant un turnover moyen de 150. / The goals of this thesis are organized around two major axes: the synthesis and study of photo-gated molecular cages, and the generation of gold nanocrystals by supramolecular photocatalysis. These two themes are connected by the use of the photochemical and photophysical properties of a common chromophore, 9,10-diphenylanthracene (DPA). Three-dimensional photo-gated cage-like architectures were designed and synthesized. Various synthetic strategies based on the combined use of the 2,4,6-trichloro-1,3,5-triazine unit and "click" chemistry reactions (olefin metathesis, Huisgen cycloaddition) were employed for the synthesis. In the presence of oxygen, sensitized or direct irradiation of the DPA chromophore forms the corresponding endoperoxide derivative, thereby modulating the binding properties of the cage. The study and the modulation of the recognition properties were performed on various alkali metal cations and a strong binding of sodium and cesium was evidenced by fluorescence emission and UV-visible absorption spectroscopy. The cages investigated possessed high association constants towards sodium and cesium cations (logK = 8.7 for the sodium cation) which could be reversibly increased by a factor 10 and 20 for sodium and cesium, respectively, upon formation of the endoperoxide. Supramolecular photocatalysis of gold(III) reduction based on the DPA chromophore was also studied for the preparation of uncapped gold nanocrystals. The combination of the DPA chromophore with thioether chains allows the formation of a complex in the organic phase by extraction of gold(III) chloride from an aqueous phase. Irradiation at 400 nm enables the reduction gold(III) by energy transfer from the 9,10-diphenylanthracene followed by oxidation of the solvent. The gold atoms are subsequently released in the aqueous phase to form uncapped nanocrystals characterized using TEM, XPS, AFM, and DLS techniques. Furthermore, the process is catalytic in toluene, where a continuous flow reactor was developed. The latter allowed an average catalytic turnover of 150 to be determined.

Les propriétés physico-chimiques d'un nanocristal semi-conducteur sphérique, intermédiaires entre la molécule et le solide, dépendent de sa taille. Empilés ou dispersés, ces nanocristaux sont les briques architecturales de nouveaux matériaux fonctionnels aux propriétés ajustables, en particulier pour l'optoélectronique. Cette thèse s'inscrit dans le développement de ces nouveaux matériaux et présente avant tout une méthodologie pour la simulation du transport électronique dans un solide à nanocristaux en régime de faible couplage électronique appliquée à des nanocristaux de silicium dans une matrice de SiO2 pour les applications photovoltaïques. La cinétique du déplacement des porteurs est liée au taux de transfert tunnel (hopping) entre nanocristaux. Ces taux sont calculés dans le cadre de la théorie de Marcus et prennent en compte l'interaction électron-phonon dont l'effet du champ de polarisation dans la matrice ainsi que les interactions électrostatiques à courte et longue portée. Le calcul des états électroniques (électrons et trous) en théorie k.p associé à l'utilisation de la formule de Bardeen donne au code la capacité, par rapport à la littérature, de fournir des résultats (mobilité ou courant) en valeur absolue. Les résultats de mobilité ainsi obtenus pour des empilements cubiques idéaux viennent contredire les résultats de la littérature et incitent à considérer d'autres matériaux notamment en ce qui concerne la matrice pour obtenir de meilleurs performances. En outre, les résultats de simulation de dispositifs montrent l'impact considérable des électrodes sur les caractéristiques courant-tension. Aussi, un nouvel algorithme Monte-Carlo Cinétique accéléré a été adapté afin de pouvoir reproduire le désordre inhérent à la méthode de fabrication tout en maintenant un temps de simulation raisonnable. Ainsi l'impact du désordre en taille se révèle faible à température ambiante tandis que les chemins de percolation occultent la contribution des autres chemins de conduction. Des résultats de caractérisation comparés aux simulations tendent par ailleurs à indiquer que ces chemins peuvent concentrer les porteurs et exhiber un phénomène de blocage de coulomb. Enfin, la section efficace d'absorption est calculée théoriquement et permet d'obtenir le taux de génération sous illumination qui se révèle proche du silicium massif. Et une méthode en microscopie à sonde de Kelvin est décrite pour caractériser la durée de vie des porteurs c'est-à-dire le taux de recombinaison, les résultats ainsi obtenus étant cohérents avec d'autres techniques expérimentales.

Les propriétés physico-chimiques d'un nanocristal semi-conducteur sphérique, intermédiaires entre la molécule et le solide, dépendent de sa taille. Empilés ou dispersés, ces nanocristaux sont les briques architecturales de nouveaux matériaux fonctionnels aux propriétés ajustables, en particulier pour l’optoélectronique. Cette thèse s'inscrit dans le développement de ces nouveaux matériaux et présente avant tout une méthodologie pour la simulation du transport électronique dans un solide à nanocristaux en régime de faible couplage électronique appliquée à des nanocristaux de silicium dans une matrice de SiO2 pour les applications photovoltaïques. La cinétique du déplacement des porteurs est liée au taux de transfert tunnel (hopping) entre nanocristaux. Ces taux sont calculés dans le cadre de la théorie de Marcus et prennent en compte l'interaction électron-phonon dont l'effet du champ de polarisation dans la matrice ainsi que les interactions électrostatiques à courte et longue portée. Le calcul des états électroniques (électrons et trous) en théorie k.p associé à l'utilisation de la formule de Bardeen donne au code la capacité, par rapport à la littérature, de fournir des résultats (mobilité ou courant) en valeur absolue. Les résultats de mobilité ainsi obtenus pour des empilements cubiques idéaux viennent contredire les résultats de la littérature et incitent à considérer d'autres matériaux notamment en ce qui concerne la matrice pour obtenir de meilleurs performances. En outre, les résultats de simulation de dispositifs montrent l'impact considérable des électrodes sur les caractéristiques courant-tension. Aussi, un nouvel algorithme Monte-Carlo Cinétique accéléré a été adapté afin de pouvoir reproduire le désordre inhérent à la méthode de fabrication tout en maintenant un temps de simulation raisonnable. Ainsi l'impact du désordre en taille se révèle faible à température ambiante tandis que les chemins de percolation occultent la contribution des autres chemins de conduction. Des résultats de caractérisation comparés aux simulations tendent par ailleurs à indiquer que ces chemins peuvent concentrer les porteurs et exhiber un phénomène de blocage de coulomb. Enfin, la section efficace d'absorption est calculée théoriquement et permet d'obtenir le taux de génération sous illumination qui se révèle proche du silicium massif. Et une méthode en microscopie à sonde de Kelvin est décrite pour caractériser la durée de vie des porteurs c'est-à-dire le taux de recombinaison, les résultats ainsi obtenus étant cohérents avec d'autres techniques expérimentales. / The physicochemical properties of a spherical semiconductor nanocrystal, intermediate between the molecule and the solid depend on its size. Stacked or dispersed, these nanocrystals are building blocks of new functional materials with tunable properties, particularly appealing for optoelectronics. This thesis takes part in the development of these new materials. It mainly presents a methodology for the simulation of electronic transport in nanocrystal solids within the weak electronic coupling regime. It is applied to a material made of silicon nanocrystals embedded in silicon oxide and considered for photovoltaïc applications. The displacement kinetics of charge carriers is related to the tunneling transfer rate (hopping) between nanocrystals. These rates are calculated within the framework of Marcus theory and take into account the electron-phonon interactions, the effect of the bias field and the electron-electron interactions at short and long range. The calculation of electronic states (electrons and holes) in k.p theory associated with the use of Bardeen's formula provides, compared to previous works, results (mobility or current) in absolute terms. The mobility thus computed is far lower than the results of the literature and encourage to consider other materials. Furthermore, the device simulations show the significant impact of the electrodes on the current-voltage characteristics. Also, a new accelerated kinetic Monte-Carlo algorithm has been adapted in order to reproduce the disorder inherent in the manufacturing process while maintaining a reasonable simulation time. Thus the impact of the size disorder is poor at room temperature while the percolation paths shunt the contribution of other conduction paths. Characterization results compared to simulations tend to show that these paths concentrate carriers and exhibit Coulomb blockade phenomenon. Finally, the absorption cross section is calculated theoretically to obtain the generation rate under illumination. It is similar to the bulk silicon one. And a method employing a Kelvin probe microscope is described to characterize the carrier lifetime, namely the recombination rate. The results thus obtained are consistent with other experimental technics.