La mesure des déformations de la microstructure est importante pour l’étude des propriétés et le contrôle des structures. Nous proposons deux approches nouvelles de caractérisation de déformations nanométriques. Elles utilisent des nanoparticules (NPs) d’or déposées à la surface des matériaux. Dans la première approche, les réseaux de NPs sont déposés par lithographie électronique. Lors d’essais de traction uniaxiale dans un microscope électronique à balayage les images prises à de chargements successifs permettent de suivre le déplacement de NPs qui jouent le rôle de nanojauges. L’analyse des champs cinématiques obtenus à partir des images MEB révèle des phénomènes de plasticité au sein de la microstructure et les hétérogénéités de déformations. La méthode a été appliquée aux aciers inoxydables austénitique et duplex austéno-ferritique. Elle a été couplée à la technique de diffraction des électrons rétrodiffusés. Les mécanismes de déformations locaux ont été mis en évidence. Dans la seconde approche, nous essayons de tirer parti des propriétés optiques de NPs afin de suivre l’évolution de déformations à la surface des matériaux. Les NPs supportent un plasmon localisé de surface dont la résonance est fonction de la taille, de la forme des NPs ou de l’indice optique du milieu environnant. Sa position spectrale dépend aussi de la distance inter-NPs. Notre étude a été limitée à des polymères. Un dispositif permettant de réaliser les mesures d’extinctions au cours de la traction a été développé. Les premiers essais constituent la preuve expérimentale de ce concept / The strain measurement at the microstructure is important for the properties study and structure control. We propose two new approaches of strain characterizations at nanoscale. They are based on the use of gold nanoparticles (NPs) arrays deposited on the surface of materials.In the first approach, arrays of NPs are deposited by the electron beam lithography technique. During in situ tensile test inside a scanning electron microscope, the images of the array are progressively recorded. The treatment of these images gives access to 2D strain tensor components and NPs played the role of nanogauges. The strains at components of the microstructure and the heterogeneities of plastic deformations are evidenced. This method was coupled to the electron backscatter diffraction technique. The local deformation mechanisms can then be highlighted. In the second approach, we try to take advantage of optical properties of gold NPs to track the strain evolutions at the surface of materials. Gold NPs support localized surface plasmon that resonance is function of size and shape of NPs or of the surrounding medium. In addition, plasmon resonance also depends to NPs separation. We therefore sought to determine whether the displacements of NPs during tensile test may be monitored optically. The study was limited to the case of polymers. An experimental set up was developed to carry extinction measurement during a tensile test. These first tests constitute experimental proof of this concept. The spectral variations were analyzed to determine the performance of the optical strain-sensor proposed

Les signaux non linéaires provenant de nanostructures métalliques et cristallines sont connus pour être fortement dépendants vis à vis de la polarisation. Ceci est dû à leur propriété de symétrie locale, reliée à leur réponse volumique ou surfacique. Les signaux de polarisation venant de nanostructures de taille inférieure à la limite de diffraction sont généralement mesurés avec un spot limité par la diffraction (300 nm) ce qui représente la moyenne du signal. Cette technique a pour défaut de perdre l'information spatiale du signal de polarisation. Nous avons développé une nouvelle méthode de microscopie à polarisation non-linéaire qui exploite l'information en dessous de la limite de diffraction.Une analyse de Fourier d'un signal non linéaire a été faite en dessous de la limite de diffraction sur une image sur-échantillonnée et corrigée (taille du pixel=50 nm). Le gain en résolution est du à la sensibilité spatiale de la polarisation. Pour ce faire, nous avons mesuré un signal polarisé de seconde harmonique de nanostructures plasmoniques de différentes formes (150 nm). Nous avons montré que la nature vectorielle du champs local confiné peut être retrouvé avec une résolution de 40 nm en utilisant la nanoscopie polarisée non linéaire. Nous avons par ailleurs montré que nous pouvons imager l'hétérogénéité spatiale de nanoparticules ferroélétriques cristallines (BaTiO3) de taille allant de 100 nm à 500 nm. Ceci prouve l'existence d'une coque centrosymétrique dans des petites structures. Enfin, les nanocristaux de KTP nanostructures sont les candidats idéaux pour la générations de signaux non linéaires bien maîtrisée. / In this work, we develop a novel polarized nonlinear microscopy method that exploits sub-diffraction resolution information. Fourier analysis of the polarization modulated nonlinear signal is performed on over-sampled, drift-corrected images (50nm pixel size). The information gained by polarization-induced modulation signals provides a higher level of spatial selectivity that is directly related to the local optical response of the investigated system, at a scale below the diffraction limit. The gain in spatial scale is due to the additional spatial sensitivity brought by polarization. This approach is applied to polarized second harmonic generation imaging in plasmonic nanostructures (150nm size) of multi-branched shapes, in which the vectorial nature of the local field confinement can be retrieved with a resolution of 40 nm. We also demonstrate the possibility to image spatial heterogeneities within crystalline ferroelectric BaTiO3 nanoparticles of 70nm to 500nm size, emphasizing in particular the existence of a centrosymmetric shell in small size structures. These nanostructures will be used as starting models for coherent optical probes in biological media (cells, tissue slices or in vivo) with two objectives. First, the nonlinear nature of their emission will make them stable and tunable nanosources, able to report their localization with high accuracy in 3D, potentially sensing local environment changes, and actively inducing perturbations such as controlled temperature increase at the nanoscale. Second, the coherent nature of their emission will make them useful as local nanoprobes for wavefront and polarization correction through scattering media.

Cette thèse présente une étude exploratoire de plusieurs aspects du couplage fort lumière-matière dans des matériaux moléculaires. Différentes propriétés héritées d’un tel couplage sont démontrées, ouvrant de nombreuses possibilités d’applications, allant du transfert d’énergie à la génération de signaux optiques non-linéaires et à l’élaboration de réseaux polaritoniques chiraux. Au travers des thématiques abordées, l’idée d’un couplage lumière-matière entrant en compétition avec les différentes fréquences de dissipation des molécules se révèle être cruciale. Ainsi, la prédominance du couplage cohérent au champ électromagnétique apparaît comme un moyen de modifier les propriétés quantiques des états moléculaires, ouvrant la voie à une nouvelle chimie des matériaux en cavité. / This thesis presents an exploratory study of several aspects of strong light-matter coupling in molecular materials. Different properties inherited from such a coupling are demonstrated, opening the way to numerous applications, ranging from energy transfer to the generation of non-linear optical signals and to the development of chiral polaritonic networks. Through the topics covered, the idea of a light-matter coupling strength competing with the different frequencies of relaxation of the molecules proves to be crucial. Thus, the predominance of the coherent coupling to the electromagnetic field appears as a new mean of modifying the quantum properties of molecular systems, opening the way to a new chemistry of materials in optical cavities.

Les plasmons polaritons de surface, modes supportés par des nanostructures métalliques permettent de confiner la lumière à des échelles sub-longueurs d’onde. En s’affranchissant de la limite de diffraction, ces modes constituent des pistes intéressantes pour l’adressage et le contrôle de nanosources optiques (molécules, boites quantiques...). Par exemple, un nanofil métallique constitue un guide plasmonique unidimensionnel qui permet d’exciter une nanosource ou encore de coupler deux émetteurs avec des applications possibles pour la réalisation de composants nano-optiques intégrés. En revanche, la perte d’énergie dans le métal diminue la portée de ces dispositifs. Une stratégie consiste donc à travailler sur une configuration hybride : plasmonique et fibre optique, pour coupler efficacement l’émission de la nanosource à un mode de fibre. Ceci ouvre la voie à la réalisation d’une nanosource fibrée de manipulation aisée pouvant être utilisée comme source de photon unique pour la cryptographie quantique ou plus simplement comme une sonde de champ proche optique haute résolution.Après une étude des principaux canaux de relaxation d’une molécule fluorescente à proximité d’un guide plasmonique, nous discutons de l’optimisation du couplage entre l’émetteur et le guide plasmonique en jouant sur sa forme et la longueur d’onde d’émission. Ensuite, nous nous intéressons au comportement d’une structure hybride composée d’une fibre optique étirée et métallisée. Enfin, nous montrons que l’optimisation du transfert d’énergie d’une molécule fluorescente en présence de cette structure permet de collecter plus de 50% de l’énergie lumineuse d’un nano-émetteur posé sur un substrat vers une fibre optique par le truchement d’un plasmon. / Surface plasmon polariton (SPP) can confine light on subwavelength dimensions. Since they are not diffraction limited, they are of great interest for addressing and controlling optical nanosources. For example, a metal nanowire defines 1D plasmonic waveguide with a great potential for either addressing or coupling quantum emitters. Therefore, SPP opens great opportunities for integrated optical applications. However, SPP suffer from ohmic losses that jeopardize the applications of plasmonic components. In this context, we study the possibilities provided by an hybrid plasmonic-photonicstructure to couple efficiently an emitter to a fiber mode. Such a structure paves the way for fibered single photon nanosource or high resolution optical probe. In this thesis manuscript, we first study the coupling rate between a fluorescent molecule and a metallic nanowire thanks to Green’s dyad formalism. This leads us to distinguish the different relaxation channels and the enhancement of the energy transferred into the plasmonic guided mode by optimizing the shape of the guide (crystalline nano-wire,slow modes). Then, we investigate the energy propagation in a metal coated taperedoptical fiber. Finally, we achieve an optimal configuration for which more than 50% of the energy emitted by a quantum emitter laid on a substrat is transferred into an optical fiber.

La désadénylation des ARNm fait intervenir les complexes de désadénylation PAN2-PAN3 et CCR4-NOT-TOB mais aussi le complexe de terminaison de la traduction eRF1-eRF3. Ces trois complexes ont la capacité d'interagir avec la protéine PABP. Cependant, le rôle d'eRF3 n'est pas clairement établi. Il a été décrit que les facteurs eRF3, PAN3 et TOB sont en compétition pour l'interaction avec PABP et qu'il y a un couplage entre la terminaison de la traduction et la désadénylation assuré par eRF3. Chez l'homme, le gène eRF3/GSPT1 présente 5 formes alléliques qui diffèrent par le nombre de répétitions de codons GGC à l'extrémité 5' du cadre de lecture (7, 9, 10, 11 et 12-GGC). Une corrélation entre l'allèle 12-GGC et le risque de développement de cancer du sein et de l'estomac a été mis en évidence. Notre objectif est (i) d'améliorer notre compréhension du rôle d'eRF3 dans le processus de couplage traduction-dégradation des ARNm, (ii) de comprendre l'effet du polymorphisme de la région N-terminale d'eRF3 sur son interaction avec PABP. A travers la méthode de résonnance plasmonique de surface (SPR), nous montrons que l'affinité de la forme allélique 12-GGC est 10 fois plus faible que celle d'eRF3a (10-GGC). Cette différence est essentiellement due à la plus faible association de la forme 12-GGC avec PABP. La plus faible affinité de la forme 12-GGC d'eRF3 entrainerait une dérégulation de la désadénylation au moins pour certains ARNm et pourrait ainsi promouvoir la prolifération cellulaire et la carcinogenèse. La région N-terminale d'eRF3 contenant la répétition de glycine joue un rôle crucial dans l'interaction eRF3-PABP, dans la désadénylation et donc dans la stabilité de l'ARNm. / The mRNA deadenylation involves the deadenylation complexes PAN2-PAN3 and CCR4-NOT-TOB and the translation termination complex eRF1-eRF3. All three proteins, eRF3, PAN3 and TOB, interact with the PABP protein. However, the role of eRF3 is still unclear. It has been reported that eRF3, TOB and PAN3 compete for the binding to PABP. Recently, it has been suggested that eRF3 may regulate mRNA deadenylation in a translation termination-coupled manner. In human, the gene eRF3/GSPT1, contains a trinucleotide GGC repeat in its 5’ end which lead to 5 allelic forms of the gene. There are five known alleles of this gene (7, 9, 10, 11 and 12-GGC). A strong correlation between the longest allele (12-GGC) and gastric and breast cancer development has been reported. Our project was (i) to improve our understanding on the role of eRF3 in the coupling of mRNA deadenylation with translation termination, (ii) to understand whether the GGC repeat polymorphism of eRF3 influences eRF3-PABP interaction. The kinetic measurements of eRF3-PABP interaction obtained by Surface Plasmon Resonance (SPR) show that the affinity of the allelic 12-GGC form is 10 fold lower than that of eRF3a (10-GGC). This decrease is mostly due to difference in the association rate of the complex. The weaker affinity of the 12-GGC allelic form may result in a deregulation of deadenylation, at least for some mRNAs, and thus, could promote cell proliferation and carcinogenesis. In fine, we show that the N-terminal region of eRF3 containing the glycine expansion plays a key role in the eRF3-PABP interaction, in the deadenylation process, and hence, in mRNA stability.

Le développement des nouvelles technologies de l'information et de la communication nécessite la miniaturisation et l'intégration des dispositifs optiques. La plasmonique, qui utilise des nanostructures métalliques pour manipuler la lumière à l'échelle nanométrique, permet la réalisation de dispositifs optiques jusqu'à des limites ultimes. Le but de la présente étude est de concevoir et de fabriquer des nanoarchitectures complexes qui peuvent être incorporées dans différents dispositifs plasmoniques capables de guider la lumière de manière active. Diverses nanostructures d'or, telles que des nanotriangles d'or creux ou des nanotripodes enrobés d'or, ont été synthétisés et assemblés en utilisant des liens moléculaires ou un origami d'ADN. Les propriétés optiques des nanodispositifs fabriqués ont été étudiées afin de démontrer leur capacité à guider la lumière. / The development of new information and communication technologies requires the miniaturization and integration of optical devices. Plasmonics, a field of optics that utilizes metallic nanostructures to manipulate light at the nanoscale, enables the scaling of optical devices down to ultimate limits. The purpose of the present study is to design and fabricate complex nanoarchitectures that can be incorporated into different plasmonic devices able to guide light in an active way. Various gold nanostructures, such as hollow gold nanotriangles or gold coated nanotripods, were synthesized and assembled using molecular linkers or a DNA origami template. The optical properties of the fabricated nanodevices were investigated in order to evidence their ability to guide light.

L’imagerie infrarouge refroidie est portée par une demande forte pour des applications dans les secteurs militaire, industriel et spatial. Les enjeux actuels de ce marché sont le fonctionnement à haute température et la fonctionnalisation spectrale des détecteurs.Ces enjeux peuvent être adressés grâce à l’utilisation de résonateurs optiques et leur faculté à concentrer le champ électromagnétique. Ce travail de thèse montre comment des résonateurs plasmoniques peuvent être intégrés dans la filière HgCdTe.La théorie temporelle des modes couplés a été utilisée, de manière analytique, pour optimiser à travers la condition de couplage critique, l’absorption dans un résonateur plasmonique chargé par un semiconducteur. La conception d’une photodiode HgCdTe ultramince plasmonique est ensuite détaillée. Elle repose sur l’utilisation d’un mode optique résultant du couplage entre un mode plasmon de surface et un mode gap plasmon de cavité / The market for cooled infrared imaging technologies is growing fast due to a range of applications covering military, commercial and space. Current research for innovative systems focuses on high operating temperature and multispectral detectors.To achieve these aims, optical resonators can be used to concentrate electromagnetic fields in thin absorbing media. This thesis investigates the possibility of using plasmonic resonators for HgCdTe photodetection.Temporal coupled-mode theory is used to optimise analytically the absorption in a plasmonic resonator incorporating an absorbing semiconductor subject to the critical coupling condition. A design of a thin plasmonic HgCdTe diode is then described. This includes a hybrid plasmonic mode arising from the coupling between a surface plasmon and a cavity gap-plasmon mode

Les systèmes optiques intégrés ont été largement utilisés dans la détection et la caractérisation de substances biochimiques. Aussi, le développement de nouvelles technologies permettant la fabrication de structures intégrées à l’échelle nanométrique, ouvre un horizon dans la conception d'une nouvelle génération de capteurs biochimiques. Sur la base de plasmons de surface localisés, au cours des dernières années ont été proposés différentes configurations de systèmes optiques pour concentrer le champ électromagnétique dans une petite région de l'espace, ce qui favorise son interaction avec des substances biochimiques. En utilisant la méthode modale de Fourier, dans la présent thèse est présentée une analyse exhaustive de la propagation des modes dans un réseau périodique de nanoparticules métalliques intégrés avec une guide d'ondes diélectrique. Deux géométries des nanoparticules ont été étudiées: des réseaux périodiques de nanofils et de nanocônes métalliques. Il est démontré que pour les nanocônes métalliques le champ optique est fortement exalté au sommet des nanocônes quand ils sont excités à leur résonance LSP via une guide d'onde diélectrique. Pour valider les résultats numériques, on a fabriqué et caractérisé expérimentalement un réseau périodique de nanofils d’or placée sur une guide d’onde à échange d’ions. La caractérisation de l'échantillon a été réalisée dans le champ lointain en mesurant des spectres de transmission et dans le champ proche en utilisant la microscopie en champ proche optique de balayage (NSOM). Les résultats obtenus montrent que les dispositifs intégrés plasmoniques proposées peuvent être appliquées dans la détection de substances biochimiques / Localized surface plasmons (LSP) are used to control and concentrate the electromagnetic field in small volumes of matter. This is a very interesting property in the context of biophotonics. Indeed, it allows an enhancement of the light-matter interaction at the cell scale, or even at a single molecule scale. The technological challenge is to propose optical devices able to efficiently couple light into localized plasmonic modes and to improve the detection of signals resulting from the interaction between the confined light and the analyte under detection.In this thesis work, we theoretically and experimentally study the guiding and confinement properties of light in periodic arrays of metallic nanowires of rectangular and triangular (nanocones) cross section that support localized plasmons. These nanowires are integrated in a photonic circuit that enables an efficient light coupling. The extinction spectra of the plasmonic resonances are directly obtained by analyzing the transmitted light in the device. By making use of the Fourier modal method, we perform an exhaustive theoretical study of the plasmonic Bloch modes that propagate due to the near-field coupling of the localized plasmons resonances. It is demonstrated that for the metallic nanocones, the optical field can be strongly enhanced by a controllable tip effect and remarkably intense

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.

Le but de notre travail était d'étudier comment des interactions impliquant des acides nucléiques pouvaient réguler le cycle viral du virus de l'hépatite C (VHC). L'ARN génomique du VHC est très structuré au niveau de ses extrémités 5' et 3'. La tige-boucle 5BSL3.2 a été décrite comme interagissant avec la SLIIId, la Seq9110 et la SL2 par génétique inverse et expériences de complémentation de mutations. La résonance plasmonique de surface (SPR) a été utilisée afin de caractériser ces interactions. Cela nous a conduit à développer des méthodes permettant d’étendre l'utilisation de la SPR. Nous avons pu observer, in vitro, une interaction entre la 5BSL3.2 et miR-122, un microARN fortement exprimé dans les hépatocytes. Nos résultats ont également montré que la SL2 était une séquence ARN pouvant former au moins deux conformations. L'une étant capable d'interagir avec la 5BSL3.2 et l'autre pouvant s'auto-associer. L'étude de cette dimérisation sur modèle cellulaire a montré qu'elle était impliquée dans les mécanismes de la réplication virale. Le développement d'une méthode d'analyse des complexes ternaires a permis la caractérisation simultanée du complexe formé entre la boucle interne de la 5BSL3.2 et ses partenaires (Seq9110 et SLIIId) ainsi que du complexe formé entre la boucle apicale et ses partenaires (SL2 et miR-122). Ces résultats ont montré que les deux sites de liaison de la 5BSL3.2 étaient structurellement indépendants. Ces interactions pourraient donc coexister dans un contexte physiologique. Les résultats montrent que la SLIIId et la Seq9110 sont en compétition pour interagir avec la boucle interne de la 5BSL3.2 tandis que la tige-boucle SL2 et miR-122 sont en compétition pour interagir avec la boucle apicale de la 5BSL3.2. La 5BSL3.2 est donc un motif ARN structuré pouvant agir comme une plaque tournante, capable d'interagir avec d'autres régions de l'ARN génomique tandis que la SL2 a montré que les deux interactions qu'elle pouvait former, mutuellement exclusives, étaient importantes pour la prolifération virale. Les mécanismes de compétition observés pourraient être impliqués dans la commutation entre les différentes étapes du cycle viral. / We are interested in understanding how interactions involving nucleic acids regulate the life cycle of the Hepatitis C virus (HCV). The HCV genomic RNA is highly structured at the 5' and 3' ends. The stem-loop 5BSL3.2 was described to interact with the SLIIId, the Seq9110 and the SL2 by reverse genetics and complementation mutation experiments. Surface plasmon resonance (SPR) was used to characterize these interactions. This led us to develop methods to expand the use of this technique. We described in vitro evidences for an interaction between 5BSL3.2 and miR-122, a microRNA highly expressed in hepatocytes. As shown by our results, SL2 is a highly dynamic RNA motif that fluctuates between at least two conformations: one is able to hybridize with 5BSL3.2 and the other one is capable of self-associating. The study of this dimerization in living cells has shown an implication of this phenomenon in viral replication processes. The development of a ternary complex analysis method allowed the characterization of the Seq9110 (or SLIIId) and SL2 (or miR-122) interacting with 5BSL3.2. Our results shown that the two binding sites of 5BSL3.2, the apical and internal loops, are structurally independent, suggesting that these interactions may coexist in a physiological context. SLIIId and Seq9110 were shown to compete to interact with 5BSL3.2 internal loop while SL2 and miR-122 were shown to compete to interact with 5BSL3.2 apical loop. In conclusion, 5BSL3.2 is a structured RNA motif that could act as a molecular hub capable of interacting with other genomic RNA regions while the two interactions of the SL2, mutually exclusives, were shown to be crucial for viral proliferation. The competition mechanisms observed could be involved in the commutation between viral cycle steps.