L’augmentation des bactéries résistantes aux antibiotiques et la diminution du nombre de nouveaux antimicrobiens ont créé un besoin de développer de nouveaux agents antimicrobiens ayant un mode d’action diminuant le risque de développement d’une résistance. L’une des familles ayant un tel potentiel est celle des peptides antimicrobiens. Pour étudier les facteurs agissant sur l’activité biologique des peptides antimicrobiens, un peptide développé dans notre laboratoire, qui comprend des acides aminés 21-couronne-7-L-phénylalanine, est utilisé comme modèle pour la synthèse de plusieurs analogues. Les modifications comprennent : l’ajout à différentes positions d’acides aminés cationiques, différentes longueurs de peptides, différentes grosseurs d’éthers-couronnes et une modification avec un complexe de Zn²⁺. Chaque analogue est caractérisé par des études de dichroïsme circulaire, des études fluorimétriques et des tests d’activité antimicrobienne et d’activité hémolytique. Les résultats ont permis d’identifier plusieurs tendances quant à la position de charges cationiques, la structure secondaire et l’activité des peptides.

Ce mémoire présente la synthèse et les études d'autoassemblage de peptides ayant la propriété de s'autoassembler. Ces études ont pour objectif principal de comprendre le processus qui régit l'autoassemblage des nanostructures protéiques de dimensions définies. Nous avons choisi de réaliser ces études d'autoassemblage à partir des peptides amphiphiles, neutres de type (LSLLLSL)3 et (LSSLLSL)3. Dans les quinze dernières années, plusieurs travaux, entre autres du Professeur W.F. DeGrado, démontrent que ces peptides ont la propension à s'autoassembler dans les milieux hydrophobes. Le premier chapitre porte sur les nanostructures protéiques autoassemblantes naturelles et artificielles. Ce chapitre suscite un questionnement sur les règles et les propriétés permettant le processus d'autoassemblage moléculaire. Le deuxième chapitre traite des études antérieures réalisées sur les peptides hélicoïdaux (LSLLLSL)3 et (LSSLLSL)3 communément appelé LS2 et LS3 dans la littérature. Le troisième chapitre décrit les différentes voies de synthèse des dérivés fluorescents LS2 et LS3 dans le but de faire des études d'autoassemblage. Finalement, les chapitres 4, 5 et 6 portent principalement sur la caractérisation de nos peptides fluorescents par dichroïsme circulaire, par fluorescence et par microscopie à force atomique.

Le présent mémoire porte sur le développement d'une approche générale en vue de la préparation et de l'utilisation de canaux ioniques artificiels pour la réalisation de biosenseurs. Cependant, l'utilisation de ces nanostructures peptidiques dans des dispositifs pratiques nécessite des modifications. Nous rapportons ici la modification sélective des extrémités de nos canaux ioniques par des groupements permettant leur attachement à une surface électro-attractive et la reconnaissance d'analytes biologiques. La première partie consiste en une description générale des biosenseurs, ainsi qu'en une revue des principaux modèles proposés dans la littérature de protéines «canal» d'origine naturelle ou artificielle comme composantes des ces outils de biodétection. Le second chapitre présente notre approche générale, les molécules cibles utilisées pour faire l'ingénierie de notre système modèle, de même que les méthodes de synthèse employées pour l'élaboration et la modification sélective des extrémités de nos nanostructures peptidiques. La troisième partie est consacrée à l'attachement du peptide à des surfaces d'or. La quatrième partie présente les différentes techniques utilisées pour la caractérisation des canaux ioniques et des nanoparticules d'or.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2008-2009 / Le présent mémoire propose une étude sur la caractérisation biophysique et in vivo de peptides formant des canaux ioniques artificiels nommés LS2 et LS3. Ces molécules servant de modèles ont d'abord été mises au point par DeGrado et al en 1988, pour être ensuite caractérisées et modélisées jusqu'en 2007. Nous nous appuyons donc sur ces travaux ainsi que sur des études antérieures effectuées au sein de notre laboratoire pour éclaircir davantage les phénomènes d'auto-assemblage propres à ces peptides modèles. La première partie introduit le sujet des nanostructures peptidiques et la problématique de l'auto-assemblage à l'aide de plusieurs exemples tirés de la littérature récente. Les chapitres 1 et 2 traitent, dans un premier temps, des canaux ioniques naturels et offrent une analyse des éléments structuraux qu'ils partagent. Par la suite, une analyse des critères visés pour la création d'un canal ionique modèle est offerte. Celle-ci est suivie d'une présentation détaillée de LS2 et LS3. Le troisième chapitre présente la synthèse d'analogues fluorescents destinés aux caractérisations biophysiques et in vivo. Les chapitres 4 et 5 se consacrent aux études de dichroïsme circulaire et d'incorporation transmembranaire en infrarouge, respectivement. Le dernier chapitre présente les études de localisation in vivo réalisées avec les analogues fluorescents que nous avons synthétisés.

In this dissertation, I present that at a vacuum of 3×10-7 Torr, residual O2, CO2, H2 and Ar exposure do not significantly degrade the field emission (FE) properties of ZnO nanorods, but N2 exposure significantly does. I propose that this could be due to the dissociation of N2 into atomic nitrogen species and the reaction of such species with ZnO. I also present the effects of O2, CO2, H2O, N2, H2, and Ar residual gas exposure on the FE properties of GaN and ZnS nanostructure. A brief review of growth of ZnO, GaN and ZnS is provided. In addition, Cs deposition on GaN nanostructures at ultra-high vacuum results in 30% decrease in turn-on voltage and 60% in work function. The improvement in FE properties could be due to a Cs-induced space-charge layer at the surface that reduces the barrier for FE and lowers the work function. I describe a new phenomenon, in which the resistivity of CVD-grown graphene increases to a higher saturated value under light exposure, and depends on the wavelength of the light—the shorter the wavelength, the higher the resistivity. First-principle calculations and theoretical analysis based on density functional theory show that (1) a water molecule close to a graphene defect is easier to be split than that of the case of no defect existing and (2) there are a series of meta-stable partially disassociated states for an interfacial water molecule. Calculated disassociation energies are from 2.5 eV to 4.6 eV, that match the experimental observation range of light wavelength from visible to 254 nm UV light under which the resistivity of CVD-grown graphene is increased.

La formation et la morphologie des boîtes quantiques est un sujet d'un grand intérêt, ces structures ayant de nombreuses application potentielles, en particulier en microélectronique et optoélectronique. Cette thèse porte sur l'étude théorique et numérique de la croissance et de la morphologie d'ilots par épitaxie par jet moléculaire. Un premier modèle de croissance est une étude non-linéaire de l'instabilité de type Asaro-Tiller-Grinfeld, il convient pour les systèmes à faibles désaccords de maille, et est plus spécifiquement appliquée au cas où le désaccord de maille est anisotrope (voir le cas du GaN sur AlGaN). Le calcul de l'instabilité que nous avons effectué prend en compte les effets élastiques causés par le désaccord de maille, les effets de mouillage et les effets d'évaporation. La résolution numérique de l'instabilité nous permet de constater une croissance plus rapide dans le cas anisotrope comparé au cas isotrope, ainsi que la croissance d'ilots fortement anisotropes.Le deuxième modèle est basé sur des simulations Monte Carlo cinétiques, qui permettent de décrire la nucléation d'ilots 3D. Ces simulations sont utilisées pour les systèmes à fort désaccord de maille, comme Ge sur Si. Nos simulations prennent en compte la diffusion des adatomes, les effets élastiques, et un terme simulant la présence de facettes (105). Des ilots pyramidaux se formaent, conformément aux expériences et subissent un mûrissement interrompu. Les résultats obtenus ont été comparés au cas de la nucléation 2D, et on retrouve en particulier une densité d'ilots en loi de puissance par rapport au rapport D/F du coefficient de diffusion et du flux de déposition. / The growth and morphology of quantum dots is currently a popular subject as these structures have numerous potential uses, specifically in microelectronics and optoelectronics. Control of the size, shape and distribution of these dots is of critical importance for the uses that are being considered. This thesis presents a theoretical and numerical study of the growth of islands during molecular beam epitaxy. In order to study these dots, we used two models : a nonlinear study of an Asaro-Tiller-Grinfeld like instability, and kinetic Monte Carlo simulations. The first model is appropriate for low misfit systems, and is detailed in the case where misfit is anisotropic (this is the case when depositing GaN on AlGaN). In this case we took into account elastic effects, wetting effects and evaporation. Numerical calculations show faster growth, compared to the isotropic misfit case, and the growth of strongly anisotropic islands.The second model is based on kinetic Monte Carlo simulations that can describe 3D island nucleation. We use these simulations to study systems with high misfits, specifically Ge on Si. Adatom diffusion on a surface is considered and takes into account elastic effects, and surface energy anisotropy, that allows us to stabilize (105) facets. Simulation results show the growth of pyramid-shaped 3D islands, as observed in experiments, and their ripening is interrupted. The results of these simulations are then compared to the case of 2D nucleation, and we find that several of the known 2D properties also apply to 3D islands. Specifically, island density depends on a power law of D/F, the diffusion coefficient divided by the deposition flux.

Le projet de thèse est divisé en deux parties. D’une part, la génération directionnelle et singulière de plasmons de surface (SPPs) par des ouvertures nanométriques a été réalisé et optimisé par le biais de microscopie de fuites radiatives (LRM). Nous démontrons expéri- mentalement qu’une structure plasmonique composée de nano-ouvertures en forme de T et Λ permet de contrôler le couplage unidirectionnel et radialdes SPPs grâce au spin de la lumière incidente. Pour confirmer nos résultats expérimentaux, nous développons un modèle analytique qui décrit les coupleurs plasmoniques constitués de nano-ouvertures par représentation multidipolaire, permettant ainsi une explication théorique de la directionalité et de la formation de vortex plasmonique. L’optimisation des paramètres géométriques tels que l’angle au sommet des ouvertures en forme de Λ montre la possibilité de maximiser la directivité et le taux d’extinction à la fois pour le couplage directionnel et la génération des vortex dans le champ lointain. Parailleurs, notre méthode basée sur la détection LRM, permet une analyse quantitative et est avérée être une technique de caractérisation sophistiquée pour cartographier le champ plasmonique. Il fournit également plusieurs nouvelles possibilités pour la focalisation de SPP contrôlée en polarisation.D’autre part,le couplage spin-orbite de la lumière dans un guide et son effet réciproque sont réalisées et confirmées expérimentalement et théoriquement. Les coupleurs et découpleurs réseaux sur le guide d’ondes sont d’abord développés et étudiés. La sortie parfaite de la lumière confinée par le découpleur nous offre la possibilité de détecter les ondes guidées. La fluorescence des nanocristaux déposés sur la surface de l’échantillon montre une autre possibilité de visualiser directement la propagation de la lumière dans le guide d’onde. Le couplage directionnel contrôlé par spin est réalisé par des antennes en forme de Λ et est confirmé par des images en champ sombre avec des découpleurs et des images de fluorescence. En outre, l’effet réciproque est observé avec une imperfection de polarisation de sortie qui est expliqué théoriquement par le fait que les ordres de diffraction par les antennes en forme de Λ influent sur les états de polarisation finaux. Ainsi, l’effet réciproque est parfaitement réalisé par la sélection d’une région spécifique de diffraction dans le plan de Fourier. La caractérisation quantitative des interactions spin-orbite nous permet d’envisager le développement de nouveaux coupleurs directionnels dans le domaine de la nanophotonique tels que le traitement quantique de l’information. / In this project, two contributions are reported. Firstly, the directional and singular generation of Surface Plasmon Polaritons (SPPs) in the nanoapertures is investigated using the Leakage Radiation Microscopy (LRM). We demonstrate experimentally spin-driven directional coupling as well as singularity (inward) and vortex (outward radial coupling) of SPPs by nanostructures built with T-shaped and Λ-shaped apertures.To support our experimental findings, we develop an analytical model based on a multidipolar representation of Λ- andT-shaped aperture plasmonic couplers, allowing a theoretical explanation of both directionality and singular SPP formation. The optimal apex angle of Λ-shaped apertures shows the possibility to maximize the directiviy and extinction ratio for both directional coupling and singular SPP generation in the far field. Besides, our method based on LRM detection, allows quantitative analysis and is proven to be a sophisticated characterization technique for mapping the SPP vortex field.It also provides several new possibilities for polarization-controlled SPP sub-wavelength focusing.Secondly, the spin-orbit coupling of light into a photonic waveguide and its reciprocal effect are realized and confirmed both experimentally and theoretically. Coupler and decoupler gratings on the waveguide are firstly developed and investigated. The radiation of the confined light from the decoupler provides us a possibility to detect the guided waves. The fluorescence of nanocrystals deposited on the sample surface shows another possibility to directly visualize the light propagation in the waveguide. The spin-driven directional coupling is achieved by Λ-shaped antennas and is certified by the dark field images with decouplers and the fluorescence images. Furthermore, the reverse effect is observed with an imperfection of output polarization which is explained that the diffraction orders by the Λ-shaped apertures influence the final polarization states based on an analytical model. Thus, the reciprocal effect is realized by selecting the specific diffraction region on the Fourier plane. We believe that the quantitative characterization of spin-orbit interactions will pave the way for developing new directional couplers in the field of nanophotonics such as quantum information processing and so forth.

FePt/B4C multilayer thin films are deposited on silicon substrates using magnetron sputtering with different B4C layer thickness. Experimental results suggest that the B4C layers effectively serve as spacers to separate the FePt layers, making the multilayer configuration stable even after film annealing at elevated temperatures. On the other hand, B and C are found to be incorporated into the FePt layer, which is responsible for the FePt grain growth confinement and grain separation, and eventually affects the properties of the composite film. Based on the experimental results of multilayer composite film, particle (FePt)/matrix (B4C) monolayer composite thin films on Si substrate are synthesized, in which a record coercivity of 2200 Oe is achieved compared to similar system. The size uniformity of the FePt nanoparticles, the well-defined particle-particle separation, together with the good magnetic property and high temperature thermal stability of the overall composite film, make it a very promising candidate for the ultrahigh density magnetic storage media. / Functional nanostructures serve as the basic building blocks for nanodevices and significant efforts have been devoted to their morphology control and properties optimization. In present study, four functional nanostructures, i.e., FePt/B4C multilayer composite film, particle (FePt)/matrix (B4C) monolayer composite film, Ga-doped ZnO nanowire arrays, and CdSe nanotube arrays are designed, synthesized and characterized in detail, in which the first two are expected to be prominent candidates for ultrahigh-density magnetic storage media while the later two have potential applications in solar energy conversion. / Semiconductor based one-dimensional nanostructures are investigated as promising building blocks for solar energy conversion devices. Two aspects are explored, aiming at increasing the energy conversion efficiency, i.e., facilitating electron transport and enhancing photon absorbing. In the first case, large area Ga-doped ZnO nanowire arrays are grown on transparent conducting substrate. Experimental results reveal the well-aligned array morphology and the uniform Ga concentration in these nanowires. In particular, direct I-V measurements performed on single nanowire-on-ITO substrate disclose its Ohmic contact with the conducting substrate and the significant conductivity improvement compared to undoped ZnO nanowire, In the second case, a novel synthesis strategy for nanotube arrays is developed and CdSe is used for demonstration, which material possessing more appropriate band gap as effective light harvester compared to that of materials for existing semiconductor nanotube arrays. The controllable tube wall thickness that can be increased until continuous CdSe porous network is obtained. The experimental results suggest a nanotube array formation mechanism that can be generally applied to a wide range of materials. / Zhou, Minjie = 功能纳米结构在磁性和能源方面的应用 / 周民杰. / Adviser: Li Quan. / Source: Dissertation Abstracts International, Volume: 72-11, Section: B, page: . / Thesis (Ph.D.)--Chinese University of Hong Kong, 2009. / Includes bibliographical references (leaves 91-100). / Electronic reproduction. Hong Kong : Chinese University of Hong Kong, [2012] System requirements: Adobe Acrobat Reader. Available via World Wide Web. / Electronic reproduction. [Ann Arbor, MI] : ProQuest Information and Learning, [201-] System requirements: Adobe Acrobat Reader. Available via World Wide Web. / Abstract also in Chinese. / Zhou, Minjie = Gong neng na mi jie gou zai ci xing he neng yuan fang mian de ying yong / Zhou Minjie.

La manipulation de parois de domaine magnétique – qui séparent des régions d’aimantation uniforme dans les matériaux – est associée à des enjeux à la fois fondamentaux et technologiques. De nombreux travaux portent sur l’utilisation de champs magnétiques et de courants électriques pour leur déplacement. Cependant, des préoccupations particulières – notamment la dissipation d’énergie - motivent la recherche d’alternatives. Parmi les solutions potentielles, le couplage magnétoélectrique par l’intermédiaire de contraintes mécaniques dans des hétérostructures magnétoélastique/piézoélectrique paraît prometteur. Dans cette thèse, il est montré que l’association d’un champ magnétique de biais et de contraintes mécaniques uniformes peut engendrer le déplacement unidirectionnel d’une paroi de domaine transverse dans des nanostructures à anisotropie uniaxiale. Les considérations statiques et dynamiques de ce phénomène sont étudiées par le biais de procédures numériques ad hoc simulant le couplage mécanique entre substrat de PMN-PT de coupe 011 générant des contraintes, et nanostructures multicouches magnétoélastiques TbCo2/FeCo. Le design du profil de section des nanostructures permet de moduler la réponse du système, par exemple pour contrôler la position de parois confinées. La dynamique du système se distingue des régimes habituels de par la forme de la paroi de domaine. L’atteinte de régimes permanents dans des nanorubans montre que des vitesses comparables aux autres techniques sont obtenues, pour une dissipation d’énergie beaucoup plus faible. Des travaux expérimentaux ont permis de mettre au point un process de fabrication sur PMN-PT et d’explorer l’effet magnétoélectrique / The manipulation of magnetic domain walls – that separate regions of uniform magnetization – is associated with both fundamental and technological research interests. A large part of the literature on domain wall motion deals with the use of magnetic fields and electric currents. However, several concerns – most notably energy dissipation – motivates the search for alternatives. Among potential candidates, the mechanical stress-mediated magnetoelectric coupling in magnetoelastic/piezoelectric heterostructures seems promising. In this thesis, it is shown that the combination of a bias magnetic field and uniform mechanical stress can induce unidirectional domain wall motion in nanostructures with uniaxial anisotropy. Static and dynamic aspects of this phenomenon are studied by means of ad hoc numerical procedures simulating the mechanical coupling of 011-cut PMN-PT generating the stress, and TbCo2/FeCo multilayers magnetoelastic nanostructures. The design of the cross section profile in nanostructures allows to tailor the response of the system, enabling for instance the control of domain wall position in confined geometries. The associated dynamics stands apart from known regimes because of the shape of the domain wall. The existence of steady-state regimes in nanostripes of constant width shows that velocities comparable to those of other techniques can be obtained, for a fraction of the energy required. Experimental investigations resulted in the development of a successful fabrication process on PMN-PT and the exploration of the magnetoelectric effect

"There is plenty of room at the bottom." This bold and prophetic statement from Nobel laureate Richard Feynman back in 1950s at Cal Tech launched the Nano Age and predicted, quite accurately, the explosion in nanoscience and nanotechnology. Now this is a fast developing area in both science and technology. Many think this would bring the greatest technological revolution in the history of mankind. To understand electronic and optical properties of nanostructures, the following problems have been studied. In particular, intensity of mid-infrared light transmitted through a metallic diffraction grating has been theoretically studied. It has been shown that for s-polarized light the enhancement of the transmitted light is much stronger than for p-polarized light. By tuning the parameters of the diffraction grating enhancement can be increased by a few orders of magnitude. The spatial distribution of the transmitted light is highly nonuniform with very sharp peaks, which have the spatial widths about 10 nm. Furthermore, under the ultra fast response in nanostructures, the following two related goals have been proved: (a) the two-photon coherent control allows one to dynamically control electron emission from randomly rough surfaces, which is localized within a few nanometers. (b) the photoelectron emission from metal nanostructures in the strong-field (quasistationary) regime allows coherent control with extremely high contrast, suitable for nanoelectronics applications. To investigate the electron transport properties of two dimensional carbon called graphene, a localization of an electron in a graphene quantum dot with a sharp boundary has been considered. It has been found that if the parameters of the confinement potential satisfy a special condition then the electron can be strongly localized in such quantum dot. Also the energy spectra of an electron in a graphene quantum ring has been analyzed. Furthermore, it has been shown that in a double dot system some energy states becomes strongly localized with an infinite trapping time. Such states are achieved only at one value of the inter-dot separation. Also a periodic array of quantum dots in graphene have been considered. In this case the states with infinitely large trapping time are realized at all values of inter-dot separation smaller than some critical value.