Au cours de cette thèse on étude deux des plus populaires systèmes de nano-échelle, nano fil et points quantiques (quantum dots), dans le cadre d'une approximation basé sur des premiers principes. Afin d'atteindre cet objectif, nous avons utilisé et développé des théories plus sophistiquées qui nous ont permis d'avoir un meilleur aperçu de la façon dont les systèmes se comportent. Un aspect commun qui limite ces deux types de systèmes (nano fil et points quantiques) est la souplesse de contrôler les propriétés électroniques et optiques. Cette accordabilité des propriétés électroniques et optiques les dote d'un grand intérêt technologique, et elle est la raison de sa popularité / In this thesis we studied two of the most popular nano-scale systems, nano-wires and quantum dots, via a first-principles approach. In order to achieve this objective we have used and developed state-of-the-art theories that allowed us to have a greater insight into the the way this systems behave. One common aspect that bounds this two class of systems (nano-wires and quantum dots) is the flexibility to control their electronic and optical properties. This tunability of their electronic and optical properties, endows them of great technological interest, and is the reason behind their popularity

J'ai réalisé pour cette thèse des travaux expérimentaux à l'aide de la microscopie et de la spectroscopie électronique portant sur l'étude de nanostructures plasmoniques et de nanocristaux semi-conducteurs. Le but étant d'etudier leurs propriétés optiques sur des dimensions spatiales de l'ordre du nm. A cette échelle il est possible d'observer le champs proche électrique associé aux modes de résonances plasmons de surface supportées par des nanostructures métalliques. Ainsi j'ai pu étudier l'effet de la présence de rugosités sur des nano-bâtonnets d'or et constater que leur présence modifiait localement la structure du champs proche électrique. Des mesures combinées par spectroscopie de perte d'énergie des électrons (EELS) et de cathodoluminescence ont permis de comparer les réponses mesurées en champs proches à celle effectuées en champs lointain. Une étude faite par EELS portant sur le couplage entre deux nano-bâtonnets métalliques positionnés bout à bout et séparés par une distance de quelques dizaines de nanomètres a permis de cartographier la localisation de modes hybridés séparément sur chaque branche. Enfin des études comparatives de cathodoluminescence et de photoluminescence sur des points quantiques isolés ont permis de constater l'équivalence de l'information collectées par ces deux techniques sur ce type d'émetteurs de lumière / For this thesis, I have realised some experimental works using electron microscopy and electron spectroscopies for the study of plasmonic nanostructures and semiconductor nanocrystals . The aim being to study their optical properties with spatial resolutions of the order of a few nm. At this level it is possible to observe the electric near-field associated to the localised surface plasmon resonances supported by metallic nanostructures . So I was able to study the effect due to the presence of roughness on single gold nanorods and I have found that their presence locally alterate the structure of the electric near-field . Combined measurement of electron energy loss spectroscopy (EELS ) and cathodoluminescence spectroscopy were used to compare the near-field and far-field responses respectively. A study by EELS on the coupling between two metal nanorods positioned end to end and separated by a disance of tens of nanometers was used to map the localisation of hybridised modes separately on each branch of the dimers. Finally, comparative studies of cathodoluminescence and photoluminescence on single quantum dots have shown the equivalence of the information collected by these two techniques for such light emitters

Cette étude concerne la caractérisation optique non linéaire (NL) principalement d’ordre 3 dans le visible, l’UV et l’IR en régime picoseconde de différents matériaux tels que certains solvants, le niobate de lithium et les nano-feuilles de graphène. Nous présentons d’abord les expressions des susceptibilités NL. Nous décrivons ensuite la technique de caractérisation Z-scan et ses variantes. Nous présentons une nouvelle méthode qui combine les avantages de Z-scan avec ceux de la microscopie en champ sombre. Nous montrons que cette technique d’imagerie, nommée DFZscan (Dark Field Z-scan), peut mesurer les coefficients de réfraction NL en présence d'une forte absorption NL. Les résultats expérimentaux montrent une importante amélioration de la sensibilité. Finalement, nous comparons les réponses NL des solvants les plus utilisés, dont l’eau qui possède la réfraction NL la plus faible. Ce liquide est utilisé pour caractériser la réponse NL d’une suspension de points quantiques de graphène. Grâce à un modèle simple, nous estimons l'indice de réfraction et d’absorption NL d'une nanofeuille de graphène monocouche. Nous étudions également les non linéarités d’ordres supérieurs dans les matériaux liquides (toluène) et solides (LiNbO3) en vue d’applications potentielles pour la génération de la deuxième harmonique et des modulateurs de guides d'ondes. Ces coefficients peuvent intéresser une grande communauté de chercheurs dans des domaines aussi variés que la filamentation, les solitons, le traitement tout optique du signal et les réseaux de télécommunications. / This study concerns the nonlinear (NL) optical characterization mainly of order 3 in the visible, UV and IR in the picosecond regime of different materials such as solvents, lithium niobate and graphene nanosheets. We first present the expressions of NL susceptibilities. We then describe the Z-scan characterization technique and its variants. We present a new method that combines the advantages of Z-scan with those of dark field microscopy. We show that this imaging technique, called DFZ-scan (Dark Field Z-scan), can measure NL refractive coefficients in the presence of high NL absorption. The experimental results show a significant improvement in the sensitivity. Finally, we compare the NL responses of the most commonly used solvents, including water with the lowest NL refraction. This liquid is used to characterize the NL response of a suspension of graphene quantum dots. Using a simple model, we estimate the refractive index and absorption index NL of a single-layer graphene nanosheet. We also studied higher order non-linearities in liquid (toluene) and solid (LiNbO3) materials for potential applications in second harmonic generation and waveguide modulators. These coefficients can be of interest to a large community of researchers in fields as diverse as filamentation, soliton, all-optical signal processing and telecommunications networks.

L’imagerie médicale a longtemps été limitée à cause des performances médiocres des fluorophores organiques. Récemment la recherche sur les nanocristaux semi-conducteurs a grandement contribué à l’élargissement de la gamme d’applications de la luminescence dans les domaines de l’imagerie et du diagnostic. Les points quantiques (QDs) sont des nanocristaux de taille similaire aux protéines (2-10 nm) dont la longueur d’onde d’émission dépend de leur taille et de leur composition. Le fait que leur surface peut être fonctionnalisée facilement avec des biomolécules rend leur application particulièrement attrayante dans le milieu biologique. Des QDs de structure « coeur-coquille » ont été synthétisés selon nos besoins en longueur d’onde d’émission. Dans un premier article nous avons modifié la surface des QDs avec des petites molécules bi-fonctionnelles portant des groupes amines, carboxyles ou zwitterions. L’effet de la charge a été analysé sur le mode d’entrée des QDs dans deux types cellulaires. À l’aide d’inhibiteurs pharmacologiques spécifiques à certains modes d’internalisation, nous avons déterminé le mode d’internalisation prédominant. L’endocytose par les radeaux lipidiques représente le mode d’entrée le plus employé pour ces QDs de tailles similaires. D’autres modes participent également, mais à des degrés moindres. Des disparités dans les modes d’entrée ont été observées selon le ligand de surface. Nous avons ensuite analysé l’effet de l’agglomération de différents QDs sur leur internalisation dans des cellules microgliales. La caractérisation des agglomérats dans le milieu de culture cellulaire a été faite par la technique de fractionnement par couplage flux-force (AF4) associé à un détecteur de diffusion de la lumière. En fonction du ligand de surface et de la présence ou non de protéines du sérum, chacun des types de QDs se sont agglomérés de façon différente. À l'aide d’inhibiteur des modes d’internalisation, nous avons corrélé les données de tailles d’agglomérats avec leur mode d’entrée cellulaire. Les cellules microgliales sont les cellules immunitaires du système nerveux central (CNS). Elles répondent aux blessures ou à la présence d’inflammagènes en relâchant des cytokines pro-inflammatoires. Une inflammation non contrôlée du CNS peut conduire à la neurodégénérescence neuronale et est souvent observée dans les cas de maladies chroniques. Nous nous sommes intéressés au développement d’un nanosenseur pour mesurer des biomarqueurs du début de l’inflammation. Les méthodes classiques pour étudier l’inflammation consistent à mesurer le niveau de protéines ou molécules relâchées par les cellules stressées (par exemple monoxyde d’azote, IL-1β). Bien que précises, ces méthodes ne mesurent qu’indirectement l’activité de la caspase-1, responsable de la libération du l’IL-1β. De plus ces méthode ne peuvent pas être utilisées avec des cellules vivantes. Nous avons construit un nanosenseur basé sur le FRET entre un QD et un fluorophore organique reliés entre eux par un peptide qui est spécifiquement clivé par la caspase-1. Pour induire l’inflammation, nous avons utilisé des molécules de lipopolysaccharides (LPS). La molécule de LPS est amphiphile. Dans l’eau le LPS forme des nanoparticules, avec des régions hydrophobes à l’intérieure. Nous avons incorporé des QDs dans ces régions ce qui nous a permis de suivre le cheminement du LPS dans les cellules microgliales. Les LPS-QDs sont internalisés spécifiquement par les récepteurs TLR-4 à la surface des microglies. Le nanosenseur s’est montré fonctionnel dans la détermination de l’activité de la caspase-1 dans cellules microgliales activées par le LPS. Éventuellement, le senseur permettrait d’observer en temps réel l’effet de thérapies ciblant l’inflammation, sur l’activité de la caspase-1. / Medical imaging based on fluorescence has suffered from the poor photostability and mediocre performance of organic fluorophores. The discovery and subsequent improvements in nanocrystal synthesis and functionalization has greatly benefited the applications in medical imaging and the development of nanocrystal-based sensors for diagnostics. QDs are semi-conductor nanocrystals which have similar sizes as proteins (2-10 nm). They are highly luminescent, and can be made to emit at any desired wavelength by varying their size and composition. The surface of QDs can be easily functionalized with biomolecules. Hence, it is interesting to study how QDs interact in the biological world. Highly luminescent core-shell QDs emitting at different wavelengths were prepared according to our needs. In a first study, the surface of the QDs was modified with various small bi-functional thiolated ligands (carboxylated, aminated and zwitterionic). The modified-QDs of nearly identical sizes were administered in vitro to study the impact of surface charge and cell type on the mode and extent of cell uptake and elimination. Using specific inhibitors of cell uptake we determined which modes contributed to the internalization of the QDs. Endocytosis mediated by lipid rafts represented the predominant pathway for the internalization of QDs. However, other modes contributed to a lesser degree, depending on the surface ligand. We then analyzed the effect of QD agglomeration in cell culture media on its cellular uptake by microglia. Thorough characterization of QD agglomerate size distribution was conducted by asymmetrical flow field-flow fractionation (AF4) with a dynamic light scattering detector. Depending on the type of surface ligand and if serum proteins were present, the agglomeration pattern of the QDs was significantly different. With inhibitors of specific modes of cell uptake, we showed that the size distribution data, obtained by AF4, correlated with the modes of cell uptake. Microglia cells are immune cells of the central nervous system (CNS). They respond to injury or the presence of inflammagens by producing pro-inflammatory cytokine. Inflammation in the CNS may lead to loss of neurons, and can found in many chronic diseases. We were interested in building nanosensors to measure the onset of inflammation. Current methods to study inflammation consist in measuring levels of certain proteins or chemicals released by stressed cell (e.g. Western blot or ELISA assay for IL-1β). Although precise, these methods measure indirectly the activity of the enzyme responsible for releasing IL-1β, i.e. caspase-1. Moreover, these methods cannot be applied to live cells. We designed a sensor based on FRET between a QD and a dye linked by a peptide specifically cleaved by the caspase-1. To induce inflammation, we applied lipopolysaccharides (LPS), which are endotoxins present in Gram negative bacteria responsible for sceptic shock. The LPS form nanoparticles due to their amphiphilicity. The interior hydrophobic regions were used to load hydrophobic QDs, making the LPS luminescent. The microglia internalized LPS-QD predominantly through TLR-4 membrane receptors. We describe how the LPS induce inflammation and demonstrated the functionality of the QD-based sensor. Eventually, the sensor could be used to monitor in real time the action of therapeutics against inflammation.