Thèse (M.A.)--Université Laval, 2007. / Bibliogr.: f. [85]-91. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2007. / Bibliogr.: f. 118-127. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie informatique, automatique et traitement du signal : Reims : 2006. / Titre provenant de l'écran titre. Bibliogr. f. 189-199.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Chimie minérale : Lyon 1 : 2005. / Titre provenant de l'écran titre. 187 réf. bibliogr.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Instrumentation et analyses avancées : Lille 1 : 2006. / N° d'ordre (Lille 1) : 3813. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. p. 185-197.

Les nanotubes de carbone (NTCs) sont des charges particulièrement intéressantes car ils présentent des facteurs de forme (longueur/diamètre) très élevés. Cependant, le développement de ces applications à haute valeur ajoutée a été freiné par les problèmes de mise en oeuvre des NTCs (résultant de la difficulté de les disperser dans un milieu polymère) et par la formation d'agrégats de nanotubes en " fagots ", ne permettant pas l'obtention de mélanges homogènes. La solution réside dans la fonctionnalisation des nanotubes avec des chaînes polymères afin de réduire l'effet des interactions entre NTCs et d'assurer une meilleure comptabilisation avec le polymère hôte au cours du mélange. Ici, nous nous sommes intéressés à la fonctionnalisation des nanotubes de carbone par des polyoléfines en utilisant une procédure de greffage radicalaire de type " grafting onto ".

Le graphène et les nanotubes de carbone, assimilés à des nano-systèmes graphitiques, partagent des propriétés mécaniques, optiques, électroniques et vibrationnelles uniques. Associant faible masse, grande rigidité et comportement semi-transparent, des membranes de 10 à 100 couches de graphène ont été suspendues au dessus d'un substrat réfléchissant, formant ainsi un résonateur mécanique couplé à une cavité optique. Le projet de cette thèse repose sur les diffusions élastiques et inélastiques de la lumière pour sonder les contraintes mécaniques et les effets thermiques dans ces nano-systèmes graphitiques. Ce type de mesure repose sur la spectroscopie Raman, sensible aux phonons optiques du matériau sondé. Un premier aspect du présent projet de thèse porte sur l'utilisation de cavités optiques à base de graphène comme élément de base pour constituer un système hybride. Après avoir déposé une couche de molécules à la surface de ces membranes, nous avons montré que le signal Raman des molécules est exalté par un effet d'interférences optiques constructives. Nous avons mis en évidence la possibilité de moduler ce signal en se déplaçant le long de l'échantillon, ou en variant la position de la membrane à l'aide d'une actuation électrostatique. De plus, on peut observer des effets thermiques importants associés aux phénomènes d'interférences optiques dans ces membranes à base de graphène. Le second axe de cette thèse est la détection du mouvement et des contraintes mécaniques dans un résonateur graphitique (membranes de graphène multicouche, nanotubes, etc.). Au travers d'expériences menées sur des membranes suspendues de graphène multicouche, nous avons détecté la résonance mécanique de deux façons : en analysant la modulation de la lumière réfléchie et en mesurant les variations de la réponse Raman du résonateur. Cette détection, reposant sur l'augmentation des contraintes mécaniques à résonance, associe le mouvement mécanique du résonateur à un décalage en énergie des photons Raman et représente un schéma original de couplage optomécanique. / Graphitic nano systems, such as graphene or carbon nanotubes, share unique mechanical, optical, electrical and vibrational properties. Combining low mass, high rigidity and semi-transparent behavior, membranes made of 10 to 100 graphene layers have been suspended over a reflecting substrate. This results in a nanomechanical resonator coupled to an optical cavity. This Phd project is based on elastic and inelastic scattering of light in order to probe mechanical stress and thermal effects within graphitic nano systems. This type of measurement is made by Raman spectroscopy which is sensitive to optical phonons. A first part of this Phd project is about using graphene based optical cavities as a constitutive blocks to make a hybrid system. We have shown interferential enhancement of Raman signal of molecules grafted on the membrane surface. We have also demonstrated the possibility to tune this molecular Raman signal by moving along the suspended membrane, or by changing the membrane position using electrostatic actuation. Moreover, we have observed important thermal effects associated to optical interferences within these graphene based cantilevers. A second part of this Phd project is the detection of motion and mechanical stress within a graphitic nano resonator. Through experiments on suspended multilayer graphene membranes, we have detected the mechanical resonance by two different means : by analyzing the reflected light modulation, and by measuring the variations of the Raman signal of the resonator. This spectral detection, based on the increase of the mechanical stress at resonance, couples the mechanical motion of the resonator to a shift in energy of the Raman scattered photons. This represents an original scheme for optomechanical coupling.

Pour mieux comprendre leurs propriétés, diverses nanostructures individuelles ont été étudiées à l’aide d’une technique couplant microscopie à force atomique et spectroscopie Raman confocale. Sous excitation lumineuse polarisée, la composition chimique, la structure et la présence de défauts a pu être précisée dans des nanobâtonnets d’oxydes métalliques (ZnO et α-Fe2O3). Sous irradiation laser résonnante, les spectres de nanotubes de carbone monoparoi enrobés de polymères ont révélé notamment l’absence de transfert de charge polymère-nanotube et un effet de désolvatation. Finalement, des feuillets de graphène oxydé et des ADNs double-brin peignés ont pu être préparés et caractérisés par spectroscopie Raman exaltée par effet de pointe en atteignant une résolution spatiale latérale voisine du rayon de courbure de l’apex de la pointe utilisée (12 nm), bien plus faible que la limite de diffraction, ce qui ouvre la voie à de nouveaux travaux spectroscopiques à l’échelle nanométrique. / To better understand their properties, various nanostructures have been studied using a technique combining atomic force microscopy and confocal Raman spectroscopy. Under polarized light excitation, the chemical composition, the structure and the presence of defects has been described in metal oxides nanorods (ZnO et α-Fe2O3). Under resonant laser excitation, Raman spectra of polymer-wrapped single-walled carbon nanotubes have revealed the absence of polymer-nanotube charge transfer and an effect due to desolvation. Finally, graphene oxide sheets and combed double-stranded DNAs have been prepared and characterized using tip-enhanced Raman spectroscopy with a lateral spatial resolution down to the curvature radius of the apex of the used tip (12 nm), well below the diffraction limit, which opens new opportunities for spectroscopic works at the nanometer scale.

Le travail de cette thèse porte sur la réalisation de substrats SERS (Surface Enhanced Raman Scattering) pour la détection d'espèce chimiques et biologiques. Il s'agit de mettre en place des méthodologies utilisant comme surface de départ celle d'une couche poreuse de silicium et un effet de Plasmon de surface induit par la présence d'un métal noble en général. Les spécificités des couches poreuses qui sont d'une part une rugosité nanométrique et d'autre part une porosité et donc une surface interne modulable ont une incidence directe sur la sensibilité de détection de molécules cibles. Nous avons développé dans ce manuscrit de thèse différentes méthodes d'élaboration de substrats SERS à base de couches poreuses de silicium. Nous avons envisagé deux voies, la première se base sur l'utilisation des nanoparticules d'or en solution colloïdale. La deuxième voie, plus originale, utilise le dépôt d'or par pulvérisation cathodique sur une couche poreuse préparée sur la face rugueuse de silicium. Des résultats SERS intéressants, concernant la détection de molécules chimique (Rhodamine 6G) et biologique (Albumine Sérum Bovin), ont été décrits et expliqués permettant d'envisager diverses solutions afin de les optimiser. / The work of this thesis focuses on the realization of SERS substrates (Surface Enhanced Raman Scattering) for the detection of chemical and biological species. This is to implement the methodologies using as the starting surface of a porous silicon layer and a surface Plasmon effect induced by the presence of a noble metal in general. The specificities of the porous layers which are firstly a nanometer roughness and secondly a porosity and therefore an inner surface have a direct impact on the target molecule detection sensitivity. We have developed in this PhD thesis different substrates development methodologies SERS-based on porous silicon layers. We considered two ways, the first is based on the use of gold nanoparticles in colloidal solution. The second route, more original, uses the deposition of gold by sputtering on a porous layer prepared on the rough side of a silicon wafer. Interesting SERS results regarding the detection of chemical (Rhodamine 6G) and biological (Bovin Serum Albumin) molecules, have been described and explained for considering various solutions to optimize them.

Les nanotubes de carbone (NTCs) sont des charges particulièrement intéressantes car ils présentent des facteurs de forme (longueur/diamètre) très élevés. Cependant, le développement de ces applications à haute valeur ajoutée a été freiné par les problèmes de mise en oeuvre des NTCs (résultant de la difficulté de les disperser dans un milieu polymère) et par la formation d’agrégats de nanotubes en « fagots », ne permettant pas l’obtention de mélanges homogènes. La solution réside dans la fonctionnalisation des nanotubes avec des chaînes polymères afin de réduire l’effet des interactions entre NTCs et d’assurer une meilleure comptabilisation avec le polymère hôte au cours du mélange. Ici, nous nous sommes intéressés à la fonctionnalisation des nanotubes de carbone par des polyoléfines en utilisant une procédure de greffage radicalaire de type « grafting onto ». / Carbon nanotubes (CNTs) as filler are particularly interesting because they possess very high aspect ratio (length/diameter), typically up to 10,000. Hence, they can form conductive path in polymer matrix at much lower concentrations (below 5%), whereas in case of carbon black filler more than 20wt% loading is needed. However, the development of applications based on nanotubes with high value addition has been hampered by processing limitations resulting from the difficulty of dispersing in a polymeric medium. The formation of aggregates or bundles of nanotubes into host polymer do not allow obtaining homogeneous mixtures. The solution lies in the functionalisation of nanotubes with polymer chains to reduce the effect of interactions between CNTs and better compatibility with the host polymer in the mixture. Here, in this study, we aim to functionalise carbon nanotubes by using a polyolefin grafting procedure involving radical ‘grafting onto’.