Cette thèse présente la synthèse et la caractérisation de nanoparticules d’or bi-fonctionnelles. Plusieurs voies de synthèse de nanoparticules d’or sphériques sont présentées afin d’obtenir des nanoparticules de 2 nm, 5 nm, 15 nm ou 35 nm de diamètre. La couronne de ligands peut être rendue bi-fonctionnelle par deux procédés : les synthèses bi-ligands ou les échanges de ligands. Dans les deux cas, la composition de la couronne de ligands est étudiée par résonance magnétique nucléaire et elle s’avère être systématiquement différente de la composition du milieu réactionnel, chaque ligand introduisant des interactions intermoléculaires particulières qui lui confèrent des propriétés de complexation propres vis-à-vis de la surface d’or. La ségrégation des ligands en surface est étudiée par nucléation hétérogène et régiosélective de silice et aboutit à la formation de nanostructures or/silice asymétriques, révélant une séparation de phase des ligands sous forme de patches dans certains cas. Enfin, une influence particulière des ligands aromatiques sur les propriétés optiques des nanoparticules d’or est observée, se traduisant par un fort décalage de la position de la bande plasmon de surface localisé vers les grandes longueurs d’onde. Une étude théorique montre l’influence de ces ligands sur les transitions interbandes de l’or au sein des nanoparticules. / This thesis shows the synthesis and the characterization of bi-functional gold nanoparticles. Several synthesis of spherical gold nanoparticles are presented in order to obtain nanoparticles with a diameter of 2 nm, 5 nm, 15 nm or 35 nm. The ligand shell can become bi-functional from two processes: bi-ligand synthesis or ligand exchange. In both cases, the composition of the ligand shell is studied by nuclear magnetic resonance and is shown to be systematically different from the reaction medium’s composition, each ligand introducing particular intermolecular interactions which provide it proper complexing abilities against the gold surface. The ligand segregation on the surface is studied thanks to regioselective heterogeneous nucleation of silica, leading to the formation of asymmetric gold/silica nanostructures, thus revealing a phase separation of the ligands in certain cases. Then, a particular influence of aromatic ligands on the optical properties of the gold nanoparticles is observed, showing a strong shift of the localized surface plasmon band to higher wavelengths. A theorical study shows the influence of this kind of ligands on the gold interband transitions in the nanoparticles.Keywords: gold nanoparticles, functionnalization, ligand exchange, segregation, gold/silica hybrid nanostructures, plasmonics, nuclear magnetic resonance.

Ce travail, qui concerne l’étude des nanotubes de carbone mono- et double parois, comporte deux volets distincts: (i) une compréhension des propriétés optiques et phononiques intrinsèques des nanotubes de carbone individuels, (ii) une approche expérimentale originale des propriétés des nanotubes de carbone double-parois fonctionnalisés de manières covalente et non-covalente. Concernant l’étude des propriétés intrinsèques des nanotubes de carbone individuels, des informations originales ont été obtenues en couplant des résultats de spectroscopie Raman, incluant la mesure des profils d’excitation des différents modes, avec des données d’absorption optique et de diffraction électronique. De manière générale, l’approche que nous avons développée a mis en avant la complémentarité de la spectroscopie Raman et de la diffraction électronique pour l’identification « la plus probable » de la structure de chaque tube. Parmi les résultats obtenus sur les tubes mono-paroi (SWNTs) individuels, on peut souligner la confirmation originale du caractère excitonique des transitions optiques obtenue en combinant des données d’absorption et de profils d’excitation Raman, ainsi que la mise en évidence d’un comportement inattendu des rapports d’intensité des composantes LO et TO des modes G. L’étude des nanotubes de carbone double-parois (DWNTs) individuels de structures clairement identifiées a permis de comprendre le rôle de la distance inter-tubes dans les déplacements en fréquence des modes Raman (modes de respiration (RBLM) et modes G), en associant à une distance inter-tube donnée une pression interne négative (positive) quand cette distance est supérieure (inférieure) à 0.34 nm. D’autre part, le rôle des effets d’interférences quantiques dans l’évolution avec l’énergie d’excitation des intensités des composantes LO et TO des modes G a été clairement identifié. Enfin, une attribution de l’origine des transitions optiques, mesurées par spectroscopie d’absorption, de différents DWNTs a été proposée.L’étude des propriétés de DWNTs fonctionnalisés a été réalisée en couplant des expériences de spectroscopie Raman, d’absorption UV-visible-NIR et de photoluminescence (PL), incluant les cartes d’excitation de la photoluminescence (PLE), sur des suspensions de DWNTs avant et après fonctionnalisation, (i) covalente via un groupement diazonium, (ii) covalente et non-covalente (pi-stacking) par un colorant. Ce travail présente une contribution au débat sur une question essentielle pour l’utilisation des DWNTs dans des dispositifs opto-électroniques, à savoir : « les DWNTs luminescent-ils ? Et si oui, quelle est l’origine de la luminescence ? ». La présence de photoluminescence dans nos échantillons de DWNTs est établie, et l’étude de son évolution avec différents types et degrés de fonctionnalisation démontre qu’elle ne peut provenir que des tubes internes des DWNTs (PL intrinsèque aux DWNTs), ou de SWNTs générés par l’extrusion des tubes internes de DWNTs durant la préparation des suspensions. D’autre part, on peut souligner la mise en évidence d’un transfert d’énergie du colorant vers le tube interne quand le colorant est greffé de manière covalente sur la tube externe. / This work concerns the study of mono- and double-walled carbon nanotubes. It contains two distinct parts: (i) the first part is devoted to the understanding of the intrinsic optical and phonon properties of individual carbon nanotubes; (ii) the second part reports an experimental investigation of the properties of covalently and non-covalently functionalized double-walled carbon nanotubes. Concerning the study of the intrinsic properties of the individual carbon nanotubes, new information was obtained by coupling Raman spectroscopy data, including the measurement of the excitation profiles of different Raman-active modes, with optical absorption and electronic diffraction data. From a general point of view, our approach put in evidence the complementarity of the Raman spectroscopy and electronic diffraction for “the most probable” assignment of the structure of the nanotubes.Among the results obtained on individual single-walled carbon nanotubes (SWNTs), one can underline the confirmation of the excitonic character of the optical transitions by combining optical absorption and Raman excitation profiles on the same nanotubes, and the evidence of an unexpected behavior of the relative intensities of the LO and TO components of the G-modes. The study of the index-identified individual double-walled carbon nanotubes has permitted to understand the role of the inter-walls distance in the frequency shifts of the radial breathing-like modes (RBLM) and G-modes, by associating a given inter-walls distance to a negative (positive) internal pressure when this distance is larger (smaller) than 0.34 nm. On the other hand, the role of quantum interferences in the evolution with the excitation energy of the intensities of the LO and TO components of the G-modes was clearly identified. Finally, the assignment of the optical transitions, measured by absorption spectroscopy, of index-identified DWNTs was proposed.The study of the properties of functionalized DWNTs was performed by combining Raman spectroscopy, UV-visible-NIR absorption and photoluminescence (PL), including maps of photoluminescence excitation (PLE), on suspensions of DWNTs before and after functionalization: (i) covalently by using diazonium, (ii) covalently and non-covalently (pi-stacking) by using dye molecules. This work is a contribution to the debate on an essential question for the use of the DWNTs in opto-electronic devices, namely: “Do the DWNTs they luminesce? And if yes, what is the origin of the luminescence?". The presence of photoluminescence in our samples of DWNTs was established, and the study of its evolution with various kinds and degrees of functionalization states that PL can only result from inner tubes (intrinsic PL of DWNTs), or from SWNTs generated by the extrusion of the internal tubes of DWNTs during the preparation of the suspensions. On the other hand, one must emphasize the evidence of an energy transfer from the dye molecules towards the internal tube when such molecules are covalently grafted on the outer tube.

Le travail présenté dans cette thèse porte sur l'élaboration de couches minces des biomatériaux biomimétiques nanostructurées par des techniques lasers pulsés et leur évaluation de point de vue physico-chimique et biologique (biocompatibilité, prolifération et différentiation cellulaires avec des biomatériaux). Le but vise à développer une nouvelle méthode de recouvrement d'implants osseux par des techniques laser pulsé avancées (PLD - Pulsed Laser Deposition et MAPLE - Matrix Assisted Pulsed Laser Evaporation). Ces techniques sont utilisées pour la synthèse d'un système biphasique composé de nanoparticules d'hydroxyapatite (HA) associées à des protéines d'adhérence type fibronectine (FN) et vitronectine (VN) déposées sur un substrat type titane. Le support métallique permettra de maintenir la rigidité mécanique, l'hydroxyapatite favorisera la bio-intégration dans le tissu osseux et les protéines accélèreront l'adhérence cellulaire. L'objectif principal est d'accélérer l'adhérence des cellules et formation des tissus sur les implants. Les études de prolifération et différentiation cellulaire suggèrent une prédisposition des cellules à la prolifération induite par les revêtements VN et à la différentiation stimulée par les revêtements FN. Les effets significatifs sur l'attachement, l'adhésion et la prolifération observés dans nos études sont très importants pour la première phase de stabilité mécanique d'un implant. Les couches HA/protéines déposées par laser pourraient permettre de réduire cette phase.

Le travail présenté dans cette thèse porte sur l’élaboration de couches minces des biomatériaux biomimétiques nanostructurées par des techniques lasers pulsés et leur évaluation de point de vue physico-chimique et biologique (biocompatibilité, prolifération et différentiation cellulaires avec des biomatériaux). Le but vise à développer une nouvelle méthode de recouvrement d’implants osseux par des techniques laser pulsé avancées (PLD – Pulsed Laser Deposition et MAPLE - Matrix Assisted Pulsed Laser Evaporation). Ces techniques sont utilisées pour la synthèse d’un système biphasique composé de nanoparticules d’hydroxyapatite (HA) associées à des protéines d’adhérence type fibronectine (FN) et vitronectine (VN) déposées sur un substrat type titane. Le support métallique permettra de maintenir la rigidité mécanique, l’hydroxyapatite favorisera la bio-intégration dans le tissu osseux et les protéines accélèreront l’adhérence cellulaire. L’objectif principal est d’accélérer l’adhérence des cellules et formation des tissus sur les implants. Les études de prolifération et différentiation cellulaire suggèrent une prédisposition des cellules à la prolifération induite par les revêtements VN et à la différentiation stimulée par les revêtements FN. Les effets significatifs sur l’attachement, l’adhésion et la prolifération observés dans nos études sont très importants pour la première phase de stabilité mécanique d’un implant. Les couches HA/protéines déposées par laser pourraient permettre de réduire cette phase. / The work presented within the thesis concern the fabrication of biomimetic nanostructured biomaterial thin films by pulsed laser techniques and their evaluation from the physico-chemical and biological (cellular biocompatibility, proliferation and differentiation) points of view. The aim is to develop a new method for coating the osseous implants by advanced pulsed laser techniques (PLD – pulsed laser deposition and MAPLE – matrix assisted pulsed laser evaporation). These techniques are used for the fabrication of a biphasic system composed of hydroxyapatite (HA) nanoparticules associated with large adhesion proteins as e.g. fibronectin (FN) and vitronectin (VN) deposited on a titanium substrate. The metallic substrate will allow keeping the mechanical rigidity; the hydroxyapatite will favor the bio-integration in the osseous tissue while the proteins will accelerate the cellular adhesion. The main objective is to speed up the cellular adhesion and the formation of new tissue around the implant. The cellular proliferation and differentiation studies demonstrated a predisposal to cell proliferation induced by the VN coatings and to cell differentiation by FN. The significant effects on the cell adhesion, proliferation and differentiation observed in our studies are of great importance for the mechanical stability phase of the implant. The layers HA/proteins deposited by laser could reduce the time of this phase.

La génération de seconde harmonique magnétique (mSHG pour magnetic Second Harmonic Generation) est un phénomène physique très sensible apparaissant grâce aux brisures de symétrie aux niveaux des surfaces et interfaces des structures métalliques magnétiques. Elle constitue donc un outil puissant pour explorer ce type d'interfaces et des nanostructures. Dans ce travail, nous nous intéressons aux couplages et interactions entre la mSHG et les ondes électromagnétiques pouvant se propager en surface des matériaux. Un intérêt spécifique est porté sur l’ excitation de (i) plasmon polaritons de surfaces (SPP) dans des films métalliques en structures multicouches, (ii) d'anomalies de diffraction (dîtes de Wood) dans des nanostructures métalliques périodiques. Pour étudier l'influence de l'excitation linéaire et non-linéaire des SPP sur la mSHG, l'intensité du signal réfléchi par génération de seconde harmonique (SH) et le contraste magnétique lié à ce signal ont été mesurés par la technique de l'effet Kerr magnéto-optique transverse (MOKE) en fonction de l'angle d'incidence. Via l'utilisation de sources lasers femtosecondes émettant dans le proche infrarouge, domaine spectral où les variations de la dispersion des SPP et du coefficient d'amortissement sont significatives, nous avons pu distinguer les différentes contributions linéaires et non-linéaires aux processus d'excitation. Ce travail de thèse a ainsi permis de montrer que l’accord de phase entre la mSHG et les ondes électromagnétiques de surface peuvent contribuer très efficacement à l'augmentation des signaux SH et de contraste magnétique associé. / Owing to surface and interface sensitivity, the magnetic Second Harmonic Generation (mSHG) represents a useful tool to probe magnetic interfaces and nanostructures. This work investigates the coupling and interaction of the mSHG with electromagnetic waves propagating along the surface. Two types of surface waves have been studied: (i) surface plasmon polaritons (SPP) at surfaces of metallic thin films and multilayers, and (ii) the diffraction anomaly at the surface of periodically arranged metallic nanostructures. To study influence of linear and nonlinear excitation of surface waves on the mSHG, the reflected second harmonic (SH) intensity and the magnetic SH contrast in the transverse magneto-optical geometry were measured as a function of the angle of incidence. The use of different femtosecond light sources in the near-infrared optical range, where the SPP dispersion and damping exhibit significant variations, made it possible to disentangle linear and nonlinear contributions to the excitation of surface waves. In this thesis, it is proven that phase-matching of the mSHG and surface electromagnetic waves can lead to the enhancement of both the SH yield and the nonlinear magneto-optical signal. These results are important for controlling of the nonlinear magneto-optical response and could impact the development of magnetic storage devices, label-free biosensors and nonlinear magneto-optical switches.