L’amélioration des microsystèmes grâce à leur intégration en 3 dimensions (3D) est liée au développement des interconnexions verticales, appelées through silicion via (TSV). Afin d’obtenir une densité d’intégration maximum et les meilleures performances électriques possibles, ces interconnexions sont d’un diamètre le plus petit possible (facteur de forme élevé) et idéalement remplies de cuivre. Dans ces conditions, la fabrication de TSV représente un défi. L’une des étapes les plus critiques est l’isolation électrique du TSV de cuivre qui doit être réalisée sans endommager les microdispositifs déjà présent sur le substrat. Cette étape est traditionnellement accomplie par le dépôt de dioxyde de silicium (SiO2), compliqué à mettre en œuvre et coûteux pour des TSV de cuivre à facteur de forme élevés. Le procédé d’électrogreffage d’un film isolant de poly-4-vinylpirydine (P4VP) a été proposé comme alternative au SiO2. Ce procédé a déjà été prouvé pour isoler des TSV usinés dans du silicium ne contenant aucun dispositif, mais reste a être démontré dans les conditions d’intégration 3D. Cette thèse a pour but de démontrer la compatibilité du procédé d’isolation par électrogreffage de P4VP de TSV de cuivre à facteur de forme élevé, dans les conditions d’intégration 3D et d’en déduire l’impact sur la fiabilité des microdispositifs à leur proximité. Cette thèse rapporte la fabrication des premiers TSV de cuivre à facteur de forme élevé, isolés par P4VP, dans les conditions d’intégration 3D d’un microsystème. Nous avons observé la vulnérabilité des microdispositifs aux attaques successives des solutions traditionnellement utilisées pour préparer le substrat de silicium à l’électrogreffage. Cependant, en remplaçant les solutions les plus agressives par des techniques plus douces, la fabrication des TSV isolés par P4VP a été démontrée. L’influence de la préparation de surface du silicium sur l’épaisseur du film greffé a ensuite été étudiée. L’analyse comparative des voltammogrammes révèle que la présence d’un oxyde créé chimiquement permet d’obtenir des films de P4VP plus épais que lorsque le substrat est désoxydé. Le rôle des états de surface générés par la présence de l’oxyde a été investigué par l’analyse de courbes Mott-Schottky. Ces expériences ont mis en évidence l’influence des états de surface sur la création d’une zone d’inversion dans le silicium, favorisant l’accumulation d’électrons nécessaire à l’électro-initiation du procédé d’électrogreffage. Enfin, la thèse rapporte la première mesure des contraintes résiduelles associées à la conception de TSV isolés par P4VP. Ces mesures révèlent que l’utilisation de l’isolant électrogreffé, comparativement au SiO2, permet de réduire considérablement les contraintes dans le silicium à proximité des TSV. Ainsi, l’utilisation du polymère de P4VP devrait permettre d’augmenter la densité d’intégration d’un microsystème tout en assurant sa fiabilité.

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La pollution des eaux par des composés organiques constitue un problème mondial majeur. Parmi cescomposés, les molécules aromatiques de faibles masses molaires constituent une famille largementrependue dont la toxicité et la cancérogénicité est avérée et bien documentée. La Directive-CadreEuropéenne sur l’eau (2000/60/EC, 2006/118/EC and 2006/11/EC) établit des normes de qualitéenvironnementales ayant pour objectif d’améliorer la qualité des eaux. Dans ce contexte, ledéveloppement d’outils analytiques robustes, permettant de détecter et de quantifier précisément et insitula présence de polluants dans les eaux est d’une importante primordiale. L’objectif principal de cetteétude est l’élaboration de nanocapteurs sensibles, robustes et réutilisables, permettant l’analyse depolluants organiques dans les eaux grâce à la Spectroscopie Raman Exaltée de Surface (SERS).Tout d’abord, une attention particulière a été portée à la sélection des récepteurs et des différentesstratégies de fonctionnalisation permettant d’élaborer un nanocapteur SERS capable de pré-concentrerles polluants visés. L’utilisation d’antigènes et de fragments d’antigènes (F(ab)2) a montré des résultatsprometteurs pour l’élaboration de nanocapteurs très sélectifs. Une seconde approche basée surl’utilisation de cavitants ou molécules hôtes, telles que les cyclodextrines (CDs), a été développée. Lapré-concentration sélective des polluants grâce à leur taille a été démontrée par spectroscopie Raman etSERS. Enfin, grâce à la possibilité d’identification moléculaire en milieu complexe offerte par laspectroscopie SERS, une approche permettant une pré-concentration non spécifique des polluants a étédéveloppée. Pour ce faire, différents sels de diazoniums (DSs) ont été synthétisés et greffés à la surfacedes nanocapteurs afin de créer une couche hydrophobe permettant la pré-concentration et la détection decomposés apolaires. Les performances de ces nano-capteurs ont été démontrées pour la détection de plusieurs PAHs apolaires. / Environmental water pollution by organic compounds is in continues worldwide concern. Low molecular mass aromatic molecules consisting in benzene rings have received considerable attention due to a documented significant toxicity and carcinogenicity. Within the objectives of the European Water Framework Directives (2000/60/EC, 2006/118/EC and 2006/11/EC) aiming in water quality improvement, the development of analytical tools allowing in-situ accurate and sensitive detection is of primary importance and would be a meaningful innovation. With this regard, the main scope of this study was to design sensitive, reproducible, specific and reusable nanosensor for the detection of organic pollutants in environmental waters using Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS).During this study the main attention was paid to the selection of suitable receptors and strategies for SERS nanosensor surface functionalisation in order to preconcentrate targeted pollutants. The application of antibodies and antigen binding fragments (F(ab)2) for surface decoration was found to be promising approach for highly selective nanosensor design. Another strategy exploited during this study was related with an application of cyclodextrins (CDs). Using Raman and SERS spectroscopies the size selective encapsulation of analytes was demonstrated. Finally, taking advantage of molecular identification in the complex environments offered by SERS technique, nanosensors providing non-specific molecular pre-concentration was considered. For this purpose several diazonium salts (DSs) were studied and applied to the surface functionalisation to create highly hydrophobic coating layer. The performance of such nanosensor was evaluated by detection of aromatic pollutants.

Au cours de ce travail, trois procédés de fonctionnalisation de surface à partir de sels de diazonium ont été étudiés, à savoir : un procédé spontané, un procédé activé chimiquement et le procédé appelé Graftfast (activation chimique en présence de monomères vinyliques). Ces procédés, dits de chimie verte, fonctionnent à température ambiante, pression atmosphérique, en milieu aqueux et sans apport extérieur d'énergie. Ils conduisent à la formation de films organiques (notamment de polymères dans le cas du procédé Graftfast) stables, greffés de manière covalente et d'épaisseur contrôlée (procédés activés chimiquement). Contrairement aux méthodes d'électrogreffage de sels de diazonium, ces procédés peuvent s'appliquer à tout type de substrats allant des isolants aux conducteurs en passant par les nanomatériaux. Le substrat ainsi modifié peut présenter de nouvelles propriétés (par exemple d'hydrophilie, de protection contre la corrosion, ...) ce qui est d'un intérêt majeur dans certaines problématiques industrielles. L'objectif majeur de ce travail a été de comprendre les mécanismes réactionnels de ces trois procédés et plus particulièrement du procédé Graftfast en étudiant la composition chimique des films, leur structure mais aussi la composition des solutions réactionnelles. Comme pour une polymérisation radicalaire en chaîne conventionnelle, le mécanisme réactionnel du procédé Graftfast (cas le plus complexe) procède en trois étapes : amorçage, propagation, terminaison. La polymérisation est amorcée par les radicaux aryles en solution, issus de la réduction chimique des sels d'aryldiazonium (mécanisme en sphère interne ou en sphère externe selon le réducteur chimique). Parallèlement, les radicaux aryles peuvent se greffer à la surface du substrat et former une sous couche d'accroche de polyphenylene jouant un rôle essentiel dans la construction des films. La propagation s'achève lorsque les chaînes polymères en croissance réagissent par des réactions de transfert sur les noyaux aromatiques déjà greffés sur le substrat (étape de terminaison). Les films obtenus sont alors de structure mixte : groupements aryles, polymères. Ce procédé a notamment été testé dans le but d'améliorer la dispersion des nano-objets dans l'eau, dans le cadre d'une étude préliminaire sur les crèmes solaires à base de nanoparticules de dioxyde de titane.

Le principal objectif de cette thèse est de montrer le potentiel pour l’électronique organique de films moléculaires minces liés de façon covalente au substrat et déposés par greffage électro- chimique. Ces couches organiques de 5 à 100 nm d’épaisseur visent à proposer une alternative aux films minces organiques d’épaisseur supérieure à 100 nm et aux couches mono-moléculaires autoassemblées d’épaisseur comprise entre 1 et 5 nm.Ce travail a d’abord permis d’établir les conditions optimales de greffage de trois différents sels de diazonium : un dérivé de la tris-bipyridine fer (II), un sel de diazonium comportant une longue chaîne fluorée et un autre comportant une fonction thiol. En particulier, un contrôle fin de l’épaisseur des films est démontré sur des électrodes patternées micrométriques adaptées à la réalisation de dispositifs.L’électrogreffage de doubles couches est ensuite étudié. Il consiste à utiliser une électrode electrogreffée par des molécule électroactives, ici le dérivé de la tris-bipyridine fer (II), comme électrode de travail pour l’électrogreffage d’un second sel de diazonium. Cette technique permet de former des couches organiques d’épaisseur contrôlée par la première couche et présentant des fonctions terminales contrôlées par le choix du second composé (ici, fonctions thiols ou chaînes fluorées). L’intérêt de ces couches fonctionnelles est ensuite évalué dans des jonctions verticales métal-molécules-métal utilisant différents types d’électrodes supérieures : des électrodes imprimées à partir d’une solution de nanoparticules d’or, suivant un procédé élaboré dans cette thèse, et des électrodes fabriquées à partir de métaux évaporés sous vide. Enfin, des transistors à base de MoS2 utilisant 30 nm de ces couches greffées comme diélectrique de grille sont fabriqués et étudiés. Leurs performances (mobilité électronique de 46 cm2.(V.s)-1, rapport ION/IOFF de 9.107, etc.) confirment la qualité de ces isolants organiques électrogreffés. La méthode s’avère ainsi efficace et versatile pour la préparation de couches organiques robustes d’épaisseur contrôlée et aux propriétés de surface ajustables. / The main objective of this PhD thesis is to show the potential for organic electronics of molecular thin films covalently bounded and formed by electrochemical grafting. These 5 to 100 nm thick layers aim to propose an alternative to organic thin films of thickness above 100 nm and to self-assembled monolayers of thickness between 1 and 5 nm.This work first establishes the optimal electrografting conditions of three diazonium salts : a derivative from the tris-bipyridine iron (II), a diazonium salt with a long fluorinated chain and another with a thiol function). In particular, a fine tuning of the thickness of the resulting layers is demonstrated on micrometric patterned electrodes.Double layer electrografting is then studied. It consists in using an electrode electrografted with electroactive molecules, here the tris-bipyridine iron (II) derivative, as a working electrode for the electrografting of a second diazonium salt. This technique allows the formation of organic double-layers of thickness controlled by the first layer and presenting terminal functions controlled by the choice of the second compound (here, thiol functions or fluorinated chains).The potential of these layers is then evaluated in vertical metal-molecules-metal junctions using various top electrodes : electrodes printed from an aqueous gold nanoparticle ink through a method developed in this thesis, and electrodes made by metal evaporation in vacuum. To conclude, field-effect transistors based on MoS2 using these electrografted thin layers as gate-dielectric are fabricated and studied. Their performances (electronic mobility of 46 cm2.(V.s)-1, ION/IOFF ratio of 9.107,etc.) confirm the quality of these organic electrografted insulators. The method is thus efficient and versatile for the preparation of robust organic layers with adjustable surface properties and thickness.

Le développement d’une chimie propre et donc durable est un des challenges majeurs du 21ème siècle dans les pays industrialisés. Étant au cœur de nombreuses découvertes dans divers domaines scientifiques allant de la physique à la médecine, les sciences chimiques doivent jouer un rôle central pour résoudre un certain nombre de problèmes environnementaux auxquels nous devons faire face. Mon travail de thèse s’inscrit dans cette problématique par le développement de méthodologies de synthèse faisant intervenir plusieurs transformations dans le même réacteur. Nous avons notamment développé des séquences réactionnelles appelées HRC (pour Heck-Reduction-Cyclization, en anglais) prenant appui sur le caractère multi-tâche d’un catalyseur à base de palladium. Ces travaux nous ont permis de préparer une grande variété d’hétérocyles ou composés fonctionnalisés parmi lesquels nous pouvons citer les oxindoles, les indanones, ou encore les naphthoxindoles. Ces travaux ont donné lieu pour le moment à quatre publications dans des journaux à comité de lecture. / The development of clean chemistry and therefore sustainable is one of the major challenges of the 21st century in industrialized countries. Being in the heart of many discoveries in various scientific fields ranging from physics to medicine, the chemical sciences must play a central role in solving a number of environmental problems we face. My thesis work is part of this problem through the development of synthetic methodologies involving several transformations in the same reactor. We have developed the reaction sequences called HRC (for Heck-Reduction-cyclization) building on the multi-task of a palladium catalyst. This work allowed us to prepare a variety of functionalized heterocycles or compounds from which we can cite the oxindole, the indanones, or the naphthoxindoles. This work has resulted for the time four publications in peer-reviewed journals.

Ce manuscrit présente l’utilisation du diisopropylaminoborane comme agent de borylation d’halogénuresd’aryles et de sels d’aryldiazonium. Cet agent de borylation a fait l’objet d’études au sein du laboratoireet de nouvelles méthodologies ont été développées. Une méthodologie générale de borylation de selsde diazonium, catalysée par des métallocènes dérivés du fer, du titane et du zirconium a étédéveloppée, permettant l’accès à des composés d’intérêt comme les halogénures d’aryles borylés. Deplus, une étude cinétique et mécanistique supportée par des calculs théoriques ont permisd’appréhender le mécanisme de cette nouvelle réaction. Une extension de la borylation catalysée aupalladium a été réalisée, permettant l’utilisation de bromures et de chlorures d’aryles ainsi qu’uneméthode de synthèse one-pot de dérivés biaryles non symétriques. Ces méthodes permettent deboryler efficacement des halogénures d’aryles en utilisant une catalyse au palladium homogène ousemi-hétérogène. Enfin, une étude de réactivité entre le diisopropylaminoborane et desorganométalliques dérivés du lithium et du magnésium a été achevée. Une méthodologie généraled’accès aux acides boriniques ainsi qu’une étude mécanistique a été réalisée. / This manuscript describes the use of diisopropylaminoborane as borylating agent of aryl halides anddiazonium salts. This borylating agent has been the subject of studies in the laboratory and newmethodologies has been done. A general methodology of borylation of aryl diazonium salt catalyzed byiron, titanium and zirconium metallocene was developed, allowing access to useful compounds such ashalogenated aryl boron species. Furthermore, kinetic and mechanistic studies supported by theoreticalcalculation allowed a better understanding of the mechanism of the reaction. An extension of thepalladium catalyzed reaction was realized, allowing the use of aryl bromides and chlorides together witha new one-pot unsymetrical biaryl synthesis. Those methods allowed an efficient borylation of arylshalides using homogeneous semi-heterogeneous palladium catalyst. Finally, a study of reactivity of thediisopropylaminoborane and organometallics such as Grignard and organolithium was done. A generalmethodology was developed for the synthesis of diarylborinic acids and a mechanistic study wasachieved.

De nos jours, la modification de surface fait l'objet d'attentions particulières en raison de sa variété d'applications dans divers domaines. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse a été de traiter de la modification localisée de surfaces dans des conditions douces en utilisant le microscope électrochimique à balayage (SECM). En tant que preuve de concept pour l'écriture directe, différentes stratégies ont été menées pour la modification de surface par gravure de matériaux, greffage de couche organique et modification de la structure chimique surfacique. Des surfaces de verre et d'or ont été les principaux substrats qui ont été modifiés du fait de leur large utilisation notamment dans les nanotechnologies. Cette thèse est présentée sous forme de quatre chapitres et le premier est consacré à la technique SECM ainsi qu'à la modification de surface en général. Les trois autres parties concernent le travail effectué pour valider le concept d'écriture directe. Dans la première partie, une matrice de silice synthétisée par voie sol-gel et dopée avec un ion métallique (cuivre ou or) est utilisée comme matériau d'écriture à l'aide d'une sonde locale (ultramicroéléctrode). Le SECM est utilisé en mode de rétroaction avec des médiateurs tels que viologène de méthyle et le p-benzoquinone. Le diamètre de l'ultramicroélectrode (UME) et la durée d'hydrolyse ont été des facteurs pris en compte pour étudier l'effet sur la taille des plots métalliques électrogénérés. Dans la deuxième partie, la gravure par voie humide localisée de la surface de l'or a été réalisée en utilisant le SECM opérant dans un électrolyte à base de diméthylsulfoxide chargé avec de l'iode. Dans cette méthode, une UME est positionnée (à une distance connue) à proximité de la surface d'or pour générer électrochimiquement l'ion triiodure à la pointe de l'UME de platine, agissant comme oxydant à la surface d'or. La troisième partie comprend deux travaux expérimentaux différents mais complémentaires. Le premier porte sur la réduction électrochimique sur électrode d'or d'un sel de diazonium préparé à partir de l'éthylènediamine, une molécule aliphatique. Pour la première fois, la fonctionnalisation covalente sur or d'un sel de diazonium est démontrée via la diazotation d'un groupe amino de l'éthylènediamine. Dans la seconde partie, un substrat de verre a été greffé par un film à base de 3-aminopropyle silane qui a été réalisée par un procédé sol-gel. Ensuite, la lame de verre modifiée a été fonctionnalisée avec du glutaraldéhyde pour greffer la tyrosinase. Enfin, le mode de réaction du SECM a également été utilisé pour vérifier l’activité catalytique de cette enzyme. La pointe de l’UME est positionnée à proximité de la surface modifiée par l’enzyme afin de réaliser une mesure de courant de l’activité enzymatique à partir d’un balayage horizontal dans le plan x-y. / Nowadays, the modification of surfaces has drawn more attention due to its variety of applications in various domains. Therefore, the purpose of this thesis deals with the localized modification of surfaces in mild condition by using the scanning electrochemical microscope (SECM) instrument. As a proof of concept for direct writing, different strategies have been used for surface modifications through removing surface materials, grafted organic layer and changing the chemical structure of the surface. Gold wafer and glass surfaces were the main substrates which have been modified since these materials are very used especially in nanotechnologies. This dissertation is conducted in four chapters and the first one focuses on SECM technique and surface modifications in general. The three other parts concern the work performed to validate the concept of direct writing. In the first part, metal ion (copper and gold)-doped silica matrices have been prepared by the well-known sol-gel method. Copper and gold metallic particles are produced locally by using the SECM in feedback mode with mediators such as methyl viologen and p-benzoquinone. The diameter of ultramicroelectrode (UME) tip and hydrolysis period were factors taken into account to study the effect on the size of electrogenerated metallic spots. In the second part, the localized wet etching of gold surface has been achieved by using SECM where a dimethylsulfoxide-based electrolyte charged with iodine is used. In this method an UME probe is positioned (at a known distance) close to the gold surface. Friendly environment method was used as etching process to generate electrochemically triiodide ion at the platinum UME tip, acting as an oxidant for gold surface. he third part includes two different experimental works. The first one covers the electrochemical reduction on gold electrode of diazonium salt prepared from ethylenediamine, an aliphatic diamine molecule. For the first time, the covalent functionalization on gold of a diazonium salt is demonstrated, and required diazotization of one amine group from ethylenediamine. In the second work, glass substrate was grafted by 3-aminopropyl silane film which was performed by sol-gel method. Then the modified-glass slide was functionalized by glutaraldehyde solution in order to immobilize tyrosinase molecules. Finally, the feedback mode of SECM has also been used to monitor the catalytic activity of tyrosinase. The tip of ultramicroelectrode was positioned close to the enzyme-modified surface and was scanned horizontally in x-y plane while measuring current from re-generated mediator molecules was carried out.