The use of polymers as flocculating additives is a common practice in many manufacturing environments. However, exactly how these polymers interact with surfaces is relatively unknown. One specific topic which is thought to be very important to flocculation is an adsorbed polymer's conformation. Substantial amounts of previous work, mainly using simulations, have been performed to elucidate the theory surrounding adsorbed polymer conformations. Yet, there is little experimental work which directly verifies current theory. In order to optimize the use of polymer flocculants in industrial applications, a better understanding of an adsorbed polymer's conformation on a surface beyond theoretical simulations is necessary. This work looks specifically at site blocking, which has a broad impact on flocculation, adsorption, and surface modification, and investigated its effects on the resulting adsorbed polymer conformation. Experimental methods which would allow direct determination of adsorbed polymer conformational details and be comparable with previous experimental results were first determined or developed. Characterization of an adsorbed polymer's conformation was then evaluated using dynamic light scattering, a currently accepted experimental technique to examine this. This commonly used technique was performed to allow the comparison of this works results with past literature. Next, a new technique using atomic force microscopy was developed, building on previous experimental techniques, to allow the direct determination of an adsorbed polymer's loop lengths. This method also was able to quantify changes in the length of adsorbed polymer tails. Finally, mesoscopic simulation was attempted using dissipative particle dynamics. In order to determine more information about an adsorbed polymer's conformation, three different environmental factors were analyzed: an adsorbed polymer on a surface in water, an adsorbed polymer on a surface in aqueous solutions of varying ionic strength, and an adsorbed polymer on a surface functionalized with site blocking additives. This work investigated these scenarios using a low charge density high molecular weight cationic polyacrylamide. Three different substrates, for polymer adsorption were analyzed: mica, anionic latex, and glass. It was determined that, similar to previous studies, the adsorbed polymer layer thickness in water is relatively small even for high molecular weight polymers, on the order of tens of nanometers. The loop length distribution of a single polymer, experimentally verified for the first time, revealed a broad span of loop lengths as high as 1.5 microns. However, the bulk of the distribution was found between 40 and 260 nanometers. For the first time, previous theoretical predictions regarding the salt effect on adsorbed polymer conformation were confirmed experimentally. It was determined that the adsorbed polymer layer thickness expanded with increasing ionic strength of the solvent. Using atomic force microscopy, it was determined that the adsorbed polymer loop lengths and tail lengths increased with increasing ionic strength, supporting the results found using dynamic light scattering. The effect of the addition of site blocking additives on a single polymer's conformation was investigated for the first time. It was determined that the addition of site blocking additives caused strikingly similar results as the addition of salt to the medium. The changes in an adsorbed polymer's loop lengths was found to be inconsistent and minimal. However, the changes in an adsorbed polymer's free tail length was found to increase with increasing site blocking additive levels. These results were obtained using either PDADMAC or cationic nanosilica as site blocking additives.

L'augmentation des performances des circuits intégrés s'est effectué durant les trentes dernières années par la miniaturisation du composant clé à savoir le transistor MOSFET. Cette augmentation de la densité d'intégration se heurte aujourd'hui à plusieurs verrous, notamment celui de la puissance consommée qui devient colossale. Il devient alors nécessaire de travailler sur de nouveaux composants, les transistors à effet tunnel, où les porteurs sont injectés par effet tunnel bande à bande permettant de limiter considérablement la puissance consommée en statique. Les nanofils semiconducteurs sont de bons candidats pour être intégrés comme canaux de ces nouveaux composants de part la possibilité de moduler leur gap et leur conductivité au cours de la croissance. Dans ce contexte, cette thèse traite de la croissance d'hétérostructures axiales Si/Si1-xGex élaborés par croissance VLS par RP-CVD. Tout d'abord, nous identifions les conditions de croissance pour réaliser des interface Si/Si1-xGex et Si1-xGex/Si abruptes. Les deux heterointerfaces sont toujours asymétrique quelle que soit la concentration en Ge ou le diamètre des nanofils ou des conditions de croissance. Deuxièmement, nous étudions les problématiques impliquées par l'ajout d'atomes dopants. Nous discutons de l'influence des paramètres de croissance (le rapport flux de gaz (Si / Ge), et la pression partielle de dopants) sur la morphologie des nanofils et la concentration de porteurs. Grâce à cette étude, nous avons été capable de faire croitre des hétérojonctions P-I-N. Troisièmement, nous présentons une technique basée sur la microscopie à sonde locale pour caractériser les hétérojonctions. / After more than 30 years of successful scaling of MOSFET for increasing the performance and packing density, several limitations to further performance enhancements are now arising, power dissipation is one of the most important one. As scaling continues, there is a need to develop alternative devices with subthreshold slope below 60 mV/decade. In particular, tunnel field effect transistors, where the carriers are injected by quantum band to band tunneling mechanism can be promising candidate for low-power design. But, such devices require the implementation of peculiar architectures like axial heterostructured nanowires with abrupt interface. Using Au catalyzed vapor-liquid-solid synthesis of nanowires, reservoir effect restrains the formation of sharp junctions. In this context, this thesis addresses the growth of axial Si and Si1-xGex heterostructured nanowire with controlled interfacial abruptness and controlled doping using Au catalyzed VLS growth by RP-CVD. Firstly, we identify the growth conditions to realize sharp Si/Si1-xGex and Si1-xGex/Si interfacial abruptness. The two heterointerfaces are always asymmetric irrespective of the Ge concentration or nanowire diameter or growth conditions. Secondly, we study the problematics involved by the addition of dopant atoms and focus on the different approaches to realize taper free NWs. We discuss the influence of growth parameters (gas fluxes (Si or Ge), dopant ratio and pressure) on NW morphology and carrier concentration. With our growth process, we could successfully grow p-I, n-I, p-n, p-i-n type junctions in NWs. Thirdly, we present scanning probe microscopy to be a potential tool to delineate doped and hetero junctions in these as-grown nanowires. Finally, we will integrate the p-i-n junction in the NW in omega gate configuration.

Le composé intermétallique ordonné Ni3Al, de structure L12, présente une augmentation de contrainte d'écoulement avec la température, jusqu'à une température dite de "pic" au-delà de laquelle celle-ci décroit. Ce comportement, usuellement appelé anomalie de contrainte d'écoulement, est mis à profit dans les superalliages base nickel pour les applications hautes températures. Il a été étudiée de façon extensive ces trente dernières années et a donné lieu à de nombreuses modélisations. La plupart des modèles proposés considère qu'un processus thermiquement activé de glissement dévié des dislocations, à partir de leur plan de glissement primaire {111} sur le plan cubique de déviation {010}, joue un rôle clé dans la compréhension de l'anomalie. La distance de glissement dévié peut cependant fortement différer. Les traces de glissement laissées par l'émergence des dislocations mobiles à la surface d'échantillons déformés plastiquement permettent de visualiser les événements de déviations et de caractériser les mécanismes élémentaires de déformation plastique. Nous avons mesuré des paramètres essentiels pour modéliser la plasticité globale de l'intermétallique Ni3Al, comme : le nombre, la hauteur, la longueur des traces de glissement correspondant aux plans {111} et {010}. Ces paramètres qui caractérisent à la fois l'activité des sources et le libre parcours moyen des dislocations, suggèrent que l'anomalie s'accompagne d'un fort taux d'épuisement de la densité de dislocations mobiles. De nombreuses longues déviations dans les plans {010} ainsi que des doubles glissement dévié entre plans {111} adjacents, ont été mis en évidence. Ceci suggère deux processus de glissement dévié. / Ni3Al intermetallic compounds, that correspond to the strengthening phase of nickel-based superalloys, are well known to exhibit within a given range of temperature, an anomalous behaviour of flow strength. This positive temperature dependence of flow strength, called yield stress anomaly (YSA), has been the subject of extensive experimental studies concerning mechanical properties and dislocation microstructures, which have yielded several plausible models. Most of these models considers that a thermally activated cross-slip process, from the primary {111} onto the cube cross-slip {010} planes, plays a key role in the understanding of the YSA. However, the height of the cross-slipped segment in the {010} plane can be drastically different. The slip traces resulting from the emergence of moving dislocations at the surface in plastically deformed samples, allow us to visualize cross-slip events and to characterize the elementary mechanisms controlling plastic deformation. The number, height and length of slip traces corresponding to {111} and {010} planes, that are key parameters for modelling the plastic behaviour of Ni3Al intermetallic, are examined. These parameters reflect both the source activity and dislocation mean free path of dislocations; their values suggest that the YSA takes place with a strong exhaustion of mobile dislocations. Several larger deviations on the {010} planes, as well as double cross-slip between {111} neighbouring planes, are highlighted. These results suggest two different cross-slip process.

The work of this thesis comprises extensive Noncontact Atomic Force Microscopy (NC-AFM) characterization of clean metal-oxide (YSZ(100)/(111) and MgO(100)) and graphitic (HOPG) supports as templates for the novel, photochemically induced nucleation of cobalt oxide nanostructures, particularly Cobalt (III) Oxide. The nanostructure-support surfaces were also studied by X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) to verify the nature of the supported cobalt oxide and to corroborate the surface topographic and phase NC-AFM data. Heteroepitaxial growth of Co2O3 nanostructures proves to exhibit a variety of different growth modes based on the structure of the support surface. On this basis, single-crystal support surfaces ranging from nonpolar to polar and atomically flat to highly defective and reactive were chosen, again, yielding numerous substrate-nanostructure interactions that could be probed by high-performance surface science techniques.

La capacité à cartographier le champ magnétique à l'échelle nanométrique serait un atout crucial pour étudier les propriétés magnétiques des solides ainsi que certains phénomènes de transport, mais aussi pour des études fondamentales en biologie. Cette thèse porte sur la réalisation d'un microscope de champ magnétique d'un genre nouveau, qui promet une résolution spatiale de quelques nanomètres, une sensibilité de l'ordre du nanotesla, et fonctionne aux conditions ambiantes. Ce microscope est basé sur le défaut azote-lacune du diamant, dont les propriétés quantiques peuvent être exploitées pour en faire un magnétomètre ultrasensible de taille atomique. Dans un premier temps, nous présenterons le fonctionnement et la réalisation du microscope à défaut azote-lacune, qui consiste essentiellement en un microscope à force atomique sur la pointe duquel un nanocristal de diamant est attaché. Nous testerons le microscope en imageant le champ de fuite généré par un cœur de vortex dans un microdisque ferromagnétique. Dans un second temps, nous appliquerons le microscope à l'étude de couches ferromagnétiques ultraminces. Ces systèmes présentent un intérêt à la fois fondamental, les effets d'interfaces restant encore largement inexplorés à ce jour, et technologique, puisqu'ils sont à la base de propositions pour la réalisation de nouvelles mémoires magnétiques à basse consommation d'énergie. Nous étudierons d'abord la nature des parois de domaines dans ces couches ultraminces, ce qui nous permettra de révéler l'existence d'une interaction Dzyaloshinskii-Moriya d'origine interfaciale dans certains échantillons. Nous étudierons ensuite les sauts nanométriques d'une paroi de domaine induits par l'agitation thermique. Nous démontrerons en particulier le contrôle de ces sauts par un laser, ce qui nous permettra de visualiser et explorer le paysage énergétique de la paroi. / The ability to map the magnetic field at the nanometer scale would be a crucial advance to study the magnetic properties of solids as well as some transport phenomena, but also for fundamental studies in biology. This thesis deals with the realisation of a magnetic field microscope of a new kind, which promises a spatial resolution down to a few nanometres, a sensitivity of the order of a few nanoteslas, and operates under ambient conditions. This microscope is based on the nitrogen-vacancy defect in diamond, whose quantum properties can be harnessed to make an ultrasensitive, atomic-size magnetometre. In the first part, we will present the basic principles and the realisation of the nitrogen-vacancy defect microscope, which consists essentially in an atomic force microscope on the tip of which a diamond nanocrystal is grafted. We will test the microscope by imaging the stray field generated by a vortex core in a ferromagnetic microdisk. In the second part, we will apply the microscope to the study of ultrathin ferromagnets. These systems are interesting both from the physical point of view, as interface effects have been little explored so far, and for technology, as they are the cornerstone of several proposals for realising novel magnetic memory devices with low energy consumption. We will first study the nature of domain walls in these ultrathin ferromagnets, which will enable us to reveal the existence of an interface-related Dzyaloshinskii-Moriya interaction in some samples. Next, we will study the nanometric jumps of a domain wall induced by thermal fluctuations. In particular, we will demonstrate control over these jumps using a laser, which will allow us to visualise and explore the wall's energy landscape.

Ces travaux de thèse proposent une amélioration du Scanning Microdeformation Microscope (SMM),un microscope à sonde locale, pour la caractérisation mécanique élastique des matériaux à l’échellelocale. Il est montré qu’en utilisant n > 2 modes de résonance du SMM, il est possible de découplerles mesures du module de Young et du coefficient de Poisson d’un matériau isotrope.Une étude des modes du résonateur a permis d’enrichir son modèle afin qu’il puisse modélisern > 2 modes. Des procédures ont été développées pour identifier les paramètres de ce modèle etles constantes élastiques des matériaux à partir de n > 2 fréquences de résonance. Enfin, ces procéduresont été appliquées à des exemples de caractérisation à l’échelle locale afin de valider laméthode et d’en exhiber les possibilités et les limites.Pour gagner en robustesse et se diriger vers la caractérisation des matériaux anisotropes, un systèmed’imagerie interférométrique en lumière polarisée, permettant la mesure du champ de rotationde surfaces réfléchissantes dans une direction particulière, a été développé pour être intégré auSMM. Son prisme biréfringent à gradient uniaxial d’indice lui confère sa sensibilité à la rotation. Cesystème est capable de mesurer un champ de rotation localisé comme c’est le cas au voisinage dela pointe du SMM. Il a aussi montré son intérêt dans les cas où l’effet d’échelle rend particulièrementintéressante la mesure de la rotation. / This work proposes an improvement of the Scanning Microdeformation Microscope (SMM), a scanningprobe microscope, for the mechanical elastic characterization of materials at local scale. It demonstratesthat using n > 2 SMM resonance frequencies allows to decouple Young’s modulus andPoisson’s ratio values for an isotropic material.The mechanical description of the resonator has been enriched in order to allow for an accuratemodeling over a wide frequency range. Procedures have been developed to identify the modellingparameters and the elastic constants of the materials from n > 2 resonant frequencies. Finally, theseprocedures have been applied to the characterization of various materials at local scale in order tovalidate the method and to present possibilities and limits.To improve robustness and move towards the characterization of anisotropic materials, a polarizedlightimaging interferometer was developed to measure the rotation field of reflecting surfaces in aparticular direction. The sensitivity to the rotation originates from a homemade birefringent prism withuniaxial gradient of refractive index. This system is able to measure a localized rotation field as it isinduced in the vicinity of the tip of the SMM. Its interest is also demonstrated in cases in which scaleeffects make the rotation measurement preferable to the out-of-plane displacement measurement.

This thesis deals with the use of Atomic Force Microscopy (AFM) and Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM) in solar cells production. Both techniques measure surface properties using interactions between surface and tip that progressively scans entire surface of the sample. Atomic force microscopy allows three dimensional imaging of surface structure. Kelvin probe force microscopy is used to measure the contact potential difference on the sample surface. There are described experimental measurements of monocrystalline and multicrystalline substrates after various etching processes using AFM. By using KPFM the contact potential difference was measured on dielectric layers PSG, SiOX, SiNX and Al2O3 and on selective emitter structures. All experiments described in this work were carried out at the Solartec Ltd. workplace and they completely correspond with the actual technology of crystalline solar cells production.

Ce travail concerne le développement d’un nouveau type de microscopie optique en champ proche (SNOM) basé sur la mise en œuvre de sondes dite actives qui utilisent le signal de génération de seconde harmonique (SHG) d’un petit nombre de molécules orientées. L’orientation de ces molécules est obtenue par l’application d’un champ électrique statique dans une jonction constituée d’une pointe métallique effilée placée à proximité d’un substrat conducteur et immergée dans une solution de molécules dipolaires non-linéaires. L’excitation laser de ces molécules localement orientées permet d’obtenir une polarisation non-lineaire à fréquence double qui constitue une nanosource de lumière intrinsèquement localisée et pouvant interagir avec le champ proche du substrat. Nous nous sommes intéressés à l’imagerie de nano-objets lithographiés par cette technique de SNOM-SHG. Nous avons pu démontrer la possibilité d’obtenir une résolution de l’ordre de 200 nm, soit une résolution meilleure d’un facteur 2 par rapport à la limite de diffraction.Nous avons ensuite étudié les moyens d’optimiser les performances de ce nouveau type de sondes SNOM-SHG. Une voie consiste à exploiter les propriétés d’antenne optique de pointes métalliques effilées, qui peuvent être le siège d’effets d’exaltation du champ électromagnétique résultant de la singularité géométrique de ces objets (extrémité effilée) ou de l’excitation de résonances plasmons. Afin de pouvoir quantifier ces effets, nous avons entrepris la caractérisation, par luminescence à 2 photons (TPL), de nanofils d’or considérés comme objets de référence pour mimer une pointe. Des fils lithographiés ainsi que des fils issus de chimie colloïdale ont été étudiés de façon à mieux comprendre à la fois l’influence de la forme et de la cristallinité des objets sur les exaltations de champ. Des études simultanées de la géométrie et des propriétés optiques d'un nanofil unique ont été menées au moyen d'un microscope optique inversé associé à une excitation laser et couplé à un microscope à force atomique (AFM) dont la pointe est préalablement réglée pour coïncider avec le spot laser. En balayant l’échantillon, nous pouvons directement confronter l’image topographique de l’objet à la cartographie de points chauds enregistrés à sa surface, le signal de TPL étant directement corrélé à la densité locale d’états électromagnétiques. Nous avons pu montrer que les fils lithographiés et les fils colloïdaux présentaient des facteurs d’exaltation locale de champ différents, la cristallinité des objets pouvant aussi être révélée que via l’analyse spectrale du signal de TPL émis. Enfin, un dernier volet important de mon travail a consisté à faire évoluer le banc expérimental précédemment développé au laboratoire de façon à pouvoir réaliser simultanément des caractérisations de type SNOM-SHG et des caractérisations topographiques. Dans ce but, nous avons travaillé à l’intégration d’une tête AFM diapason sur notre banc de microscopie non-linéaire. Au-delà des aspects électroniques liés à l’optimisation du fonctionnement de ce diapason, le couplage du faisceau laser dans le microscope a également été entièrement reconfiguré. / This work deals with the development of a new kind of scanning near-field optical microscopy (SNOM) based on the realization of so-called active probes taking advantage of the second harmonic generation (SHG) signal coming from a few oriented molecules. The orientation of these molecules is obtained by applying a static electric field in a junction made of a sharp metallic tip placed close to a conductive substrate and immersed in a solution containing dipolar non-linear molecules. A second order nonlinear polarization is obtained from these locally oriented molecules following their excitation with a laser beam finally leading to a nanosource of light intrinsically localized and able to interact with the near-field of the substrate.We have investigated this SNOM-SHG technique to image nano-objects made by e-beam lithography. We were able to demonstrate that a resolution of about 100 nm could be reached, which appears better (of a factor2) than the diffraction limit.We have then been focusing on the way to improve the capabilities of this new type of SNOM-SHG probes. One approach consists in taking advantage of the optical antenna effects that can occur at the end of sharp tips, where the electromagnetic field can be enhanced due to geometrical effects (sharp extremities) or due to the excitation of plasmon resonances. In order to quantify these field enhancements, we have carried out the characterization of gold nanowires using two-photon luminescence (TPL) ; considering these wires as reference objects that can mimic tips. Nanowires made by e-beam lithography and nanowires synthesized by colloidal chemistry have both been studied in order to have a better understanding of the influence of the shape and the crystallinity on the field enhancements. Simultaneous analysis of the geometry and the optical properties of a single nanowire has been carried out using an inverted microscope associated to a laser excitation and coupled to an atomic force microscopy (AFM) which tip is previously aligned with the laser spot. When scanning the sample, we can directly correlate the topographic image of the object to the mapping of the hotspots recorded on its surface, the TPL signal being directly linked to the electromagnetic local density of states. We were able to evidence that both nanowires made by e-beam lithography or synthesized by colloidal chemistry exhibit different field enhancement factors, the crystallinity of the objects being also revealed following the spectral analysis of the emitted TPL signal.Finally, a last important part of my work has dealt with the evolution of the experimental setup previously developed in the laboratory in order to be able to achieve simultaneously SNOM-SHG type and topographic characterizations. We have therefore been working on the integration of an AFM tuning fork head to our nonlinear optical bench. Above the electronic aspects related on the optimization of the tuning fork implementation, the coupling of the laser beam in the microscope has also been reconfigured.

The thesis is focused on development of scanning probe microscope systems, especially development and implementation of quartz resonator probes. The quartz resonator probes, compared to the standard silicon cantilevers, have several advantages. It is in particular their mechanical properties and possibility of direct electrical readout of the deflection signal. Due to the fact, the probes are easy to implement even into more complex SPM systems. The thesis deals with development of universal and open SPM control system electronics. The electronics consist of the commercial SPM control and oscillation units, the development of the other electronic parts (such as the high voltage amplifier and the preamplifier units) is described in the thesis. Further, the thesis reports on development of the qPlus UHV LT SPM microscope system that was carried out at Universität Hamburg. Part of it was development of the qPlus preamplifier able to operate at liquid helium temperature. The third topic of the thesis is the implementation of qPlus technology into the UHV VT SPM microscope suitable to operate in situ with a scanning electron microscope. The qPlus sensors and the universal UHV preamplifier were designed and manufactured. Test measurements were conducted on all of the developed systems.

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