Les processus non-linéaires optiques à l'échelle nanométrique ont des rendements très faibles. Ainsi les structures métalliques permettant de confiner les champs électromagnétiques sur des zones sub-longueur d'onde sont intensivement étudiées.<br />Ce mémoire présente l'étude des propriétés optiques à l'échelle nanométrique de films granulaires métalliques. Les modes de résonances plasmons, quand ils sont excités, génèrent des pics d'exaltation localisés.<br />Pour faire les études expérimentales de ces échantillons, nous avons choisi la microscopie optique de champ proche à ouverture (SNOM). Nos résultats montrent la localisation de champs intenses dans des zones nanométriques. Ces exaltations dépendent de la longueur d'onde et de la polarisation. Il existe un régime purement diffusif quand les résonances plasmons ne sont pas excitées. En augmentant la longueur d'onde, les exaltations apparaissent, mais la diffusion est toujours présente. Une étude statistique par la fonction d'autocorrélation analyse ces deux régimes.

La nanophotonique non-linéaire offre une opportunité unique pour ouvrir de nouvelles voies vers des applications dans les détecteurs, les ordinateurs et la cryptographie quantique. Cependant, la faiblesse intrinsèque de la réponse non-linéaire des milieux de taille inférieure au micromètres limite fortement l’efficacité des sources optique à cette échelle. Combiner l'exaltation du champ électromagnétique dans les métaux (appelée résonance plasmonique) et l'efficacité non-linéaire de nanocristaux non-centosymétriques apparait extrêmement souhaitable et constitue le cœur de ce projet. Dans ce cadre, le travail présenté dans cette thèse consiste en une approche numérique quantitative des processus linéaires et non-linéaires (génération de second harmonique et de paires de photons) mis en jeu dans les nanostructures hybrides afin de pouvoir « accorder » les résonances plasmoniques et optimiser le couplage lumière-matière. L’étude menée prédit une exaltation par plusieurs ordres de grandeur des processus non linéaires modélisés au sein de particules composites. / Nonlinear nanophotonics offers a unique opportunity to open new path toward a wide range of pratical applications in sensors, quantum computers, cryptography devices. The main challenge is to enhance nonlinear response of nanosized particles in order to integrate them in optical components. On this purpose, we want to combine the electromagnetic field enhancement in metals (due to a phenomenon called plasmonic resonances) with non linear efficiency of non centrosymmetric nanocrystals.In this thesis, we present a numerical approach for simulating linear and non linear optical processes (second harmonic generation and spontaneous numerical down conversion) in hybrid nanostructures in order to “ tune “ plasmonic resonances and optimize light/matter coupling. The study predicts an enhancement by several orders of magnitude of the non linear phenomena modeled in composite nano particles.

Les métamatériaux électromagnétiques sont des composites artificiels, constitués de résonateurs etayant des propriétés optiques n'existant pas à l'état naturel. Cette thèse est consacrée à lafabrication et caractérisation de tels matériaux. Pour cela des particules métalliques coeur-écorce(d'or ou d'argent enrobées de silice) sont assemblées par la technique de Langmuir-Blodgett afin deformer des réseaux denses en monocouche et en multicouches. Ces nanoparticules jouent le rôle derésonateurs grâce à la présence de la résonance plasmon et l'écorce de silice permet de contrôler ladistance entre particules. Nous avons ainsi réalisé des matériaux dont la distance entre lesrésonateurs et la fraction métallique varient. Les analyses spectro-photométriques des films obtenus,notamment en réflexion normale, nous ont permis d'extraire les propriétés optiques de nosmatériaux. Pour cela nous avons proposé un modèle phénoménologique dans lequel nousdéfinissons la permittivité de la couche effective comme étant celle de la matrice à laquelle s'ajouteun oscillateur de Lorentz décrivant la présence d'une résonance plasmon. Nous avons pu ainsimontrer expérimentalement qu'il était possible d'obtenir des métamatériaux d'indice de réfractioninférieur à 1 quand la fraction de métal dans le matériau est suffisamment importante.

Les nanoparticules (NPs) assemblées en architectures 2D ou 3D présentent de nouvelles propriétés optiques, magnétiques et électroniques collectives. Par exemple, des NPs d’argent (Ag) ou d’or (Au) absorbent la lumière à des longueurs d’onde plus grandes lorsqu’elles sont compactées que lorsqu’elles sont éloignées. Tout d'abord, des microparticules de latex et des NPs d’or sont assemblées par la technique de pervaporation microfluidique afin de former des matériaux denses aux dimensions contrôlées. En réduisant la concentration en sels contenus dans les dispersions de particules, ces dernières s’organisent en cristaux hexagonaux. Des matériaux millimétriques constitués de petites particules densément ordonnées sont collectés, offrant ainsi une base solide quant à la conception de nouveaux optomatériaux fonctionnels à l’échelle micrométrique. Ensuite, des NPs d’or et d’argent sont assemblées sur des gouttes d’émulsion afin de fabriquer des matériaux dispersés. En contrôlant les charges et la mouillabilité des particules, celles-ci s’adsorbent et se compactent en surface de gouttes. Les NPs sont ensuite fixées dans une écorce organique par une polymérisation à l’interface de l’émulsion. Dans des conditions bien définies, des microcapsules Au NP-silice et Au NP-polyacrylate respectivement sensibles aux déformations mécaniques et aux variations de pH sont obtenues. Ces microcapsules changent de couleur du fait de l’augmentation de la distance entre les Au NPs lors de la déformation des capsules. Chacune de ces microcapsules étant un capteur à elle toute seule, ces résultats ouvrent la voie vers la conception de nouveaux capteurs à l’échelle micrométrique. / Nanoparticles (NPs) assembled into two- or three-dimensional architectures offer new collective optical, magnetic and electronic properties. For instance, closely packed gold (Au) and silver (Ag) NPs absorb light at higher wavelength than when they are far apart. In the first part of this thesis, the technique of microfluidic pervaporation is used to assemble micron size latex particles and Au NPs in bulky materials of controlled dimensions. By reducing the concentration of salts in the particles dispersions, the particles organize in hexagonal crystals. Millimeter-long materials of small well-organized densely packed particles are collected, offering solid groundwork as for the design of new functional microscale optomaterials. In the second part of this thesis, the assembly of NPs on droplets is used to fabricate dispersed materials. By tuning the charges and wettability of Au and Ag NPs, they adsorb at the surface of emulsion droplets. A subsequent polymerization at the interface of the emulsion allows to lock the NPs inside an organic shell. In well-defined conditions, novel Au NP-silica microcapsules responsive to mechanical strains and Au NP-polyacrylate microcapsules responsive to pH variations are engineered. These microcapsules change color during their deformation due to the increase of the distance between the Au NPs. Each one of the microcapsules being one sensor by itself, these results pave the way as for the design of new microscale sensors.

La manipulation de micro- et nano- particules en solution peut être réalisée grâce aux interactions de ces objets avec des champs électromagnétiques. La lumière ou bien encore les champs électriques continus (DC) ou alternatifs (AC) peuvent être utilisés. Dans le cas d’un champ électrique non uniforme appliqué entre deux électrodes séparées par quelques micromètres, des gradients de champs très intenses et localisés sont ainsi créés. Ces gradients de champ localisés au niveau des électrodes engendrent la création de mouvements de charges composant la solution (effets électro-hydrodynamique). Mais aussi des charges confinées au niveau des particules à l’interface liquide/solide. Les particules en suspension subissent alors une force attractive ou répulsive appelée diélectrophorèse. Cette force est décrite dans la littérature pour des particules isolantes de taille supérieure à 200 nm. Dans cette étude par détection optique (videomicroscopie par champ sombre ou spectroscopie en microfluidique) la gamme de taille de particules est élargie (40-150 nm) pour étudier leurs réponses diélectrophorètique. En effet la diélectrophorèse dépend de la taille des particules, de son environnement et des paramètres du champ appliqué (fréquence, amplitude, topologie) La diélectrophorèse est mise en compétition avec le mouvement Brownian pour des particules d’or d’aussi petites tailles. La réponse pour des nanoparticules d’or en solution alors connue, il est envisageable de faire varier les paramètres, comme l’environnement de la particule ou bien la complexité des systèmes étudiés. / The manipulation of micro- and nano- particles in solution can be achieved through the interactions of these objects with electromagnetic fields. Emitted light, continuous (DC) or alternating (AC) electric fields can be used. In the case of a non-uniform electric field applied between two electrodes separated by a few micrometers, very intense and localized field gradients are created. These field gradients localised close to the electrodes generates a motion of the mass solution (electro-hydrodynamic effects). The charges confined onto particles at the liquid/solid interface are also subjected to motion. Suspended particles undergo an attractive or repulsive force called dielectrophoresis.This force is described in the literature for insulating particles larger than 200 nm. In this study optical detection was used (dark field videomicroscopy or microfluidic spectroscopy) to expand the range of particle size (40-150 nm) and to study their dielectrophoretic responses. Indeed, the dielectrophoresis is dependent on the size of particles, their environment and the parameters of the applied electric field (frequency, amplitude, topology). The dielectrophoresis is in competition with the Brownian motion of these gold nanoparticles. By, knowing the dielectrophoretic response of these particles in solution, it is possible to vary parameters, such as the suspension composition of the particles or the complexity of the systems studied.

L'objectif de ce travail est d'ajuster la position spectrale de la résonance plasmon de surface de nanoparticules de métaux nobles dispersées dans une matrice diélectrique en contrôlant leur morphologie et leur organisation spatiale. Nous montrons que lorsque la croissance est réalisée sur des substrats plans, il est possible de jouer sur la nature de la matrice pour modifier le rapport d'aspect hauteur sur diamètre H/D des particules, et donc leur réponse optique. Des analyses structurales quantitatives menées par microscopie électronique en transmission à balayage (HAADF-STEM) font apparaître que H/D est une fonction décroissante du diamètre D, indépendamment de la quantité de métal déposé. Afin de comprendre ces effets de la matrice sur les propriétés structurales et optiques des particules, différentes études (influence du métal et de la quantité déposés, présence d'une couche tampon, influence des conditions d'élaboration, vitesse de recouvrement des particules, ... ) sont menées et des simulations numériques des spectres du facteur de transmission sont réalisées en intégrant dans un modèle de Yamaguchi les paramètres structuraux issus de l'analyse HAADF. Une autre approche consiste à utiliser des surfaces d'alumine nanostructurées afin d'induire une organisation surfacique des particules et ainsi entraîner une anisotropie de leurs propriétés optiques. Nous montrons que selon la géométrie de dépôt utilisée (incidence normale, incidence rasante, orientation et angle d'incidence du flux atomique), il est possible par effet d'ombrage de sélectionner le type de facettes sur lesquelles la croissance a lieu, et par conséquent d'organiser les nanoparticules d'argent sur la surface sous forme de bandes ou de chaînes linéaires, dont les propriétés optiques présentent une dépendance à la polarisation de la lumière incidente.

Afin de poursuivre la tendance de réduction des dimensions des dispositifs optiques ou électroniques, les nanostructures sont pressenties comme une solution aux limites des technologies micro-électroniques actuelles. Néanmoins, leur exploitation n'est possible que si leur taille, leur densité et leur positionnement latéral sont précisément contrôlés. Pour un gain de temps, ces nano-objets sont réalisés par croissance collective, et l'ordre latéral n'apparaît en général que si la surface est préalablement préparée. Dans ce contexte, nous avons développé un substrat nanostructuré par la révélation d'un réseau régulier bidimensionnel de dislocations enterrées obtenu lors d'un collage par adhésion moléculaire de plaques de silicium (001). L'utilisation de gravure chimique préférentielle a été optimisée pour révéler les lignes de dislocations formant en surface un réseau carré de nano-plots de silicium séparés par des nano-tranchées plus ou moins profondes. Ce type de surface a été testé pour induire un ordre latéral d'îlots de Ge et de nanostructures métalliques (Ni, Au, Ag). Nous avons montré que l'auto-organisation de ces nanostructures n'était possible que si la barrière énergétique induite par les profondeurs de tranchées était suffisamment grande pour bloquer les effets cinétiques. Dans ces conditions, les îlots ordonnés de Ge ont été analysés par des techniques de rayons X et les nanostructures métalliques par des mesures de résonance plasmon.

Les avancées dans le domaine de l'analyse médicale et environnementale exigent des méthodes sensibles et précises pour la détection de molécules organiques nocives. Les travaux de recherche de cette thèse présentent un nouveau système d'affinité pour l'immobilisation de biorécepteurs, de nouvelles stratégies d'amplification du signal et de nouveaux nanomatériaux à base de modèles bio-inspirés afin d'améliorer les performances des biocapteurs ou des biopiles.Dans une première partie, un nouveau système d'affinité supramoléculaire entre la biotine et la beta-cyclodextrine a été étudié et a permis de déterminer une constante d'association de 3 x 10² L.mol-1. Ce système permet l'immobilisation d'une grande variété de biorécepteurs commerciaux marqués avec une biotine sur des surfaces éléctrogénérées pour l'élaboration de biocapteurs. Au-NPs modifiés par des beta-CD a été utilisé avec succès pour "optical antenna" pour l'amplification additionnelle du signal SPRi utilisant des marqueurs QD. La combinaison de ses nano-objets permettent la construction d'immunocapteurs ou de capteurs à ADN très sensible.Dans une deuxième partie, différentes variétés de nanomatériaux tels que les nanodiamants, les nanoparticules magnétiques, les nanotubes de carbone (CNT) et graphène ont été utilisé pour modifier la surface des transducteurs suivies par leur fonctionnalisation non-covalentes par des dérivés pyrène. Le nouveau dépôt de nanotubes « layer-by-layer » et les différentes tailles de nanoparticules avec des porosité variable présentent une approche flexible pour la construction de capteurs enzymatiques et d'immunocapteurs. Le graphène est un matériel d'épaisseur atomique qui doublent la sensibilité SPR pour la détection d'anticorps et d'antigène. Enfin, une réduction bioélectrocatalytique efficace de l'oxygène est reporté en utilisant des CNT fonctionnalisés par les pyrènes pour une application comme biocathode dans les biopiles. / The advancing field of medicine and environmental analysis demands sensitive and accurate methods for sensing harmful organic molecules The research work in this thesis presents a novel affinity system for immobilization of bioreceptors, a novel signal amplification strategy, and novel nanomaterials based bio-designs (architectures) with the improved biosensor or bio-fuel cell (bio-cathode) performances.Firstly, a new affinity system based on supramolecular host-guest interactions between biotin and & beta-CD with an association constant of 3 x 10² M-1 is studied. This allows immobilization of a variety of commercially available biotin labelled bioreceptors for biosensing application. beta-CD modified Au-NPs were successfully applied as optical antenna for additional SPRi signal amplification using QD labels. The beneficial effect of the combination of these nano-objects enables the construction of highly sensitive DNA or immunosensors.Secondly, various kinds of nanomaterials such as nanodiamonds, carbon nanotubes, magnetic nanoparticles, graphene and are employed to modify transducer surface followed by non-covalent functionalization with pyrene derivatives. The novel 3D layer-by-layer deposition of nanotubes and different sized nanoparticles with varying porosity presents a flexible approach towards construction of enzymatic or immuno-sensors. Graphene, a material with atomic thickness doubles the SPR sensitivity towards detection of antibody, anti-CT. Finally, an efficient bioelectrocatalytic reduction of oxygen is reported using pyrene functionalized CNT forest as a bio-cathode for bio-fuel cell applications.

Au cours ce travail, nous nous sommes intéressés au design de particules plasmoniques pour le contrôle de l’absorption et de l’émission de lumière. Notre stratégie a été de synthétiser des nanoparticules de type cœur@écorce composées d’un cœur d’or et d’une écorce diélectrique de silice contenant des molécules organiques fluorescentes. Nous avons fait varier la distance entre ces dernières et le cœur afin de moduler l’intensité de leur couplage avec les plasmons du métal et d’ainsi contrôler les propriétés optiques des nanoparticules. Nous nous sommes aussi intéressés à l’assemblage de ces nanoparticules sous la forme de supra-particules ou de réseaux bidimensionnels organisés. L’étude des propriétés optiques de ces nouveaux matériaux a permis de mettre en évidence une forte exaltation de l’intensité de fluorescence des particules cœur@écorce quand celles-ci sont confinées entre deux nappes métalliques, ce qui correspond à un mode de cavité fort. Nous avons également travaillé sur la synthèse de particules composées d’un cœur de silice et soit d’une écorce d’or présentant des patchs « vierges », soit d’une écorce de dioxyde de titane comportant des patchs recouverts de nanoparticules d’or. / During this work, we were interested in the design of plasmonic particles for the control of the absorption and the emission of light. Our strategy was to synthesize core@shell nanoparticles made of a gold core and a silica shell containing fluorescent organic molecules. We have varied the distance between the emitters and the core in order to tune their coupling with the plasmons of gold. We thus tuned the optical properties of the particles. We were also interested in the assembly of these nanoparticles to get supra-particles or organized two-dimensional networks. The study of optical properties of these new materials showed that the exaltation of the fluorescence is maximal when the core@shell particles are confined between two gold boundaries, this situation corresponding to a strong cavity mode. We also worked on the synthesis of particles consisting of a silica core and either a gold shell with bare patches or a titanium dioxide shell with patches covered with gold nanoparticles.

Les métamatériaux électromagnétiques sont des composites artificiels, constitués de résonateurs etayant des propriétés optiques n’existant pas à l’état naturel. Cette thèse est consacrée à lafabrication et caractérisation de tels matériaux. Pour cela des particules métalliques coeur-écorce(d’or ou d’argent enrobées de silice) sont assemblées par la technique de Langmuir-Blodgett afin deformer des réseaux denses en monocouche et en multicouches. Ces nanoparticules jouent le rôle derésonateurs grâce à la présence de la résonance plasmon et l’écorce de silice permet de contrôler ladistance entre particules. Nous avons ainsi réalisé des matériaux dont la distance entre lesrésonateurs et la fraction métallique varient. Les analyses spectro-photométriques des films obtenus,notamment en réflexion normale, nous ont permis d’extraire les propriétés optiques de nosmatériaux. Pour cela nous avons proposé un modèle phénoménologique dans lequel nousdéfinissons la permittivité de la couche effective comme étant celle de la matrice à laquelle s’ajouteun oscillateur de Lorentz décrivant la présence d’une résonance plasmon. Nous avons pu ainsimontrer expérimentalement qu’il était possible d’obtenir des métamatériaux d’indice de réfractioninférieur à 1 quand la fraction de métal dans le matériau est suffisamment importante. / Electromagnetic metamaterials are artificial composites, containing resonators and exhiniting opticalproperties which do not exist in a natural state. This thesis is dedicated to the manufacturing and thecharacterization of such materials. Metallic core-shell particles (gold or silver core coated with a silicashell) are assembled by the Langmuir-Blodgett technique to form dense monolayer and multilayernetworks. These nanoparticles play the role of resonators thanks to the presence of the plasmonresonance of the core whereas the silica shell allows a fine control of the distance between themetallic particles. We realized materials whose distance between resonators and metallic fractionvary. The spectrophotometric analyses, in particular reflection at normal incidence, allowed us toextract the optical properties of the materials. We proposed a phenomenological model in which wedefine the permittivity of the effective layer as the permittivity of a homogenous matrix to which aLorentz oscillator is added to describe the presence of the plasmon resonance. We were able toshow experimentally metamaterials with refractive index lower than 1 can be obtained when thefraction of metal in the material is important enough.