Les phénomènes de diffusion cohérente non-linéaire ont été récemment proposés en alternatives à la fluorescence comme processus de marquage en microscopie multiphotonique. Les matériaux couramment appliqués dans ce contexte buttent toutefois sur une limite inférieure en taille déterminée par le seuil de détection de signaux faibles en optique non-linéaire. Aucun des efforts récents en détection en génération de second-harmonique (GSH), qui est le processus non-linéaire d’ordre le plus bas, n’a permis de descendre à ce jour au-dessous d’une barrière en taille de 40nm même en ayant recours aux techniques de détection les plus sensibles telles que le comptage de photons uniques. Les nanoparticules (NPs) restent ainsi dans la famille des nano-diffuseurs de “grande“ taille. Il apparaît toutefois possible de déplacer de façon significative cette limite inférieure vers les plus petites tailles en substituant aux isolants diélectriques ou aux semi-conducteurs à grands gaps des particules quantiques (PQs) à base de semi-conducteurs à gaps directs.Dans ce travail, un nouveau type de nanosondes hautement non-linéaires a été conçu et développé de façon à franchir cette barrière de taille minimale pour atteindre l’échelle de nanoparticules uniques. Nous considérons ainsi l’excitation résonnante à deux photons de nanoparticules quantiques individuelles à base de CdTe (de la famille des “zinc-blendes”) d’un diamètre d’environ 12.5nm, qui fournissent une émission cohérente efficace par GSH jusqu’à hauteur de 105 comptages de photons par seconde. Elles présentent de plus l’avantage d’une remarquable sensibilité à l’orientation de leur réseau cristallin octupolaire.De plus, il a été démontré que les effets de confinement quantique déterminent fortement les caractéristiques de la susceptibilité non-linéaire du second-ordre χ(2). La caractérisation quantitative du χ(2) des PQs, en particulier leur dispersion spectrale et leur dépendance en taille est menée par spectroscopie de particules uniques ainsi qu’en moyenne d’ensemble par diffusion Hyper-Rayleigh (HRS). Nous fournissons en particulier la preuve que sous certaines conditions, le χ(2) de structures à base de semi-conducteurs en mode de confinement quantique peut très largement dépasser sa valeur en milieu massif. De plus, un nouveau type de PQs hybridant des semi-conducteurs en géométries de type “bâtonnet sur sphère” (BS) a été développé sur la base de composantes cristallines de symétries différentes, afin d’augmenter leur non-linéarité quadratique effective, tout en maintenant leur taille dans un régime proche d’un fort confinement quantique. Le nouveau tenseur hybride complexe χ(2) est analysé en terme d’interférence des susceptibilités constitutives, en prenant en compte les différentes formes et symétries associées aux composantes octupolaires et dipolaires.Il en résulte pour de telles structures une exaltation significative du χ(2), qui excède celle des PQs à constituant unique compte tenu du couplage entre matériaux non-linéaires et d’un temps de décohérence plus long, que nous attribuons à un effet de separation de charge photo-induit. / Nonlinear coherent scattering phenomena from single nanoparticles have been recently proposed as alternative processes for fluorescence in multiphoton microscopy staining. Commonly applied nanoscale materials, however, have reached a certain limit in size dependent detection efficiency of weak nonlinear optical signals. None of the recent efforts in detection of second-harmonic generation (SHG), the lowest order nonlinear process, have been able to cross a ~40 nm size barrier for nanoparticles (NPs), thus remaining at the level of “large” nanoscatterers, even when resorting to the most sensitive detection techniques such as single-photon counting technology. As we realize now, this size limitation can be significantly lowered when replacing dielectric insulators or wide gap semiconductors by direct-gap semiconducting quantum dots (QDs). Herein, a new type of highly nonlinear nanoprobes is engineered in order to surpass above mentioned size barrier at the single nanoparticle scale. We consider two-photon resonant excitation in individual zinc-blende CdTe QDs of about 12.5 nm diameter, which provide efficient coherent SHG radiation, as high as 105 Hz, furthermore exhibiting remarkable sensitivity to spatial orientation of their octupolar crystalline lattice. Moreover, quantum confinement effects have been found to strongly contribute to the second-order nonlinear optical susceptibility χ(2) features. Quantitative characterization of the χ(2) of QDs by way of their spectral dispersion and size dependence is therefore undertaken by single particle spectroscopy and ensemble Hyper-Rayleigh Scattering (HRS) studies. We prove that under appropriate conditions, χ(2) of quantum confined semiconducting structures can significantly exceed that of bulk. Furthermore, a novel type of semiconducting hybrid rod-on-dot (RD) QDs is developed by building up on crystalline moieties of different symmetries, in order to increase their effective quadratic nonlinearity while maintaining their size close to a strong quantum confinement regime. The new complex hybrid χ(2) tensor is analyzed by interfering the susceptibilities from each component, considering different shape and point group symmetries associated to octupolar and dipolar crystalline structures. Significant SHG enhancement is consequently observed, exceeding that of mono-compound QDs, due to a coupling between two nonlinear materials and slower decoherence, which we attribute to the induced spatial charge separation upon photoexcitation.

Nonlinear coherent scattering phenomena from single nanoparticles have been recently proposed as alternative processes for fluorescence in multiphoton microscopy staining. Commonly applied nanoscale materials, however, have reached a certain limit in size dependent detection efficiency of weak nonlinear optical signals. None of the recent efforts in detection of second-harmonic generation (SHG), the lowest order nonlinear process, have been able to cross a ~40 nm size barrier for nanoparticles (NPs), thus remaining at the level of "large" nanoscatterers, even when resorting to the most sensitive detection techniques such as single-photon counting technology. As we realize now, this size limitation can be significantly lowered when replacing dielectric insulators or wide gap semiconductors by direct-gap semiconducting quantum dots (QDs). Herein, a new type of highly nonlinear nanoprobes is engineered in order to surpass above mentioned size barrier at the single nanoparticle scale. We consider two-photon resonant excitation in individual zinc-blende CdTe QDs of about 12.5 nm diameter, which provide efficient coherent SHG radiation, as high as 105 Hz, furthermore exhibiting remarkable sensitivity to spatial orientation of their octupolar crystalline lattice. Moreover, quantum confinement effects have been found to strongly contribute to the second-order nonlinear optical susceptibility χ(2) features. Quantitative characterization of the χ(2) of QDs by way of their spectral dispersion and size dependence is therefore undertaken by single particle spectroscopy and ensemble Hyper-Rayleigh Scattering (HRS) studies. We prove that under appropriate conditions, χ(2) of quantum confined semiconducting structures can significantly exceed that of bulk. Furthermore, a novel type of semiconducting hybrid rod-on-dot (RD) QDs is developed by building up on crystalline moieties of different symmetries, in order to increase their effective quadratic nonlinearity while maintaining their size close to a strong quantum confinement regime. The new complex hybrid χ(2) tensor is analyzed by interfering the susceptibilities from each component, considering different shape and point group symmetries associated to octupolar and dipolar crystalline structures. Significant SHG enhancement is consequently observed, exceeding that of mono-compound QDs, due to a coupling between two nonlinear materials and slower decoherence, which we attribute to the induced spatial charge separation upon photoexcitation.

Les processus physico-chimiques se produisant au sein des nanoparticules que sont les boîtes quantiques semiconductrices (QDs) sont à l'origine d'une nouvelle classe de sondes fluorescentes trouvant des applications en catalyse, en reconnaissance moléculaire et en imagerie. Le confinement quantique des électrons aux sein de ces objets luminescents, qui donne lieu à leur structure excitonique si particulière, permet de tirer simultanément profit de leurs propriétés optiques d'absorption et d'émission dans la gamme spectrale visible, et ce, dans le but de faciliter la détection et l’identification des espèces chimiques situées dans leur environnement proche. Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés à des QDs de 3 à 4 nm de diamètre, composées d’un alliage ternaire de cadmium, de tellure et de soufre, et fonctionnalisées par des ligands mercaptocarboxyliques. De manière à déterminer l’ensemble de leurs propriétés structurales, chimiques et optoélectroniques, nous les avons tout d’abord caractérisées à l’état de solutions colloïdales par diverses techniques expérimentales : microscopie électronique, zêta-métrie, analyse par diffusion dynamique de la lumière, spectroscopies de rayons X, d’absorption UV-visible et d’émission de fluorescence. Ceci nous a permis de déduire la composition chimique des nanocristaux, leur structure cristalline, leur taille, leur dispersion en taille, la composition chimique de leurs ligands, les énergies propres de leurs états électroniques, leur moments dipolaires de transition et leur section efficace d’absorption. Fort de ces connaissances, nous avons pu développer un modèle analytique pour calculer la susceptibilité diélectrique des QDs et extraire de cette manière leur fonction de réponse linéaire, véritable carte d’identité optoélectronique. Nous avons ensuite optimisé la conception par voie chimique d’interfaces composées de QDs et de différentes espèces moléculaires organiques, dépôts réalisés sous forme de monocouches ou de films épais sur des substrats solides plans de silicium, de verre et de fluorure de calcium fonctionnalisés par des organosilanes. Ces interfaces substrat/QDs/molécules ont alors été étudiées par spectroscopie linéaire d’absorption UV-visible et par spectroscopie optique non-linéaire de génération de fréquence-somme (SFG). La première nous a permis de déterminer la densité superficielle des QDs déposés et d’en caractériser la stabilité temporelle, et la seconde, qui combine deux lasers visible et infrarouge, d’identifier la signature vibrationnelle des ligands recouvrant les QDs. Grâce à ces échantillons, nous avons alors montré par spectroscopie SFG deux couleurs l’existence d’un couplage vibroélectronique entre les QDs et leur environnement moléculaire. En particulier, nous avons démontré que l’amplitude de vibration des modes moléculaires associés aux ligands des QDs et aux organosilanes greffés sur les substrats est maximale lorsque les QDs sont eux-mêmes stimulés par la lumière visible dans leur premier état excitonique. Cette démonstration expérimentale s’accompagne par ailleurs d’une démonstration théorique : en utilisant les diagrammes de Feynman dans l’espace des fréquences imaginaires de Matsubara, nous avons déterminé l’expression analytique de la susceptibilité non-linéaire d’ordre 2 du complexe QD/molécule. Nous avons alors vérifié que l’hypothèse d’un couplage dipolaire entre QDs et molécules menait à une modélisation de la réponse vibrationnelle SFG compatible avec les mesures expérimentales. De cette manière, l’existence d’un couplage vibroélectronique de nature dipolaire entre boîtes quantiques et molécules est attesté. / The different physico-chemical processes occurring within semiconductor quantum dots (QDs) give rise to a new class of fluorescent probes and a wide range of applications in catalysis, molecular recognition and imaging. Within these luminescent nanoparticles, the quantum confinement of electrons, which leads to their very special excitonic structure, allows us to benefit from both their absorption and emission optical properties, with the specific aim of fostering the detection and the identification of the chemical species located in their direct environment. Within this framework, we were interested in 3 to 4-nm-sized QDs composed of ternary alloys of cadmium, telluride and sulfur, and functionalized by mercaptocarboxylic ligands. In order to determine their structural, chemical and optoelectronic properties, we first characterized them thanks to several experimental techniques: electron microscopy, zeta potentiel measurements, dynamic light scattering analysis, X-ray, UV-visible and fluorescence spectroscopies. This enabled us to deduce the chemical composition of the nanocrystals, their crystal structure, size, size-dispersion, the chemical composition of their ligands, the eigenenergies of their electronic states, their transition dipole moments and absorption cross-sections. Given all those results, we succeeded in deriving an analytical model of the QD dielectric susceptibility and extracting in this way their linear response function. Then, we optimized the chemical synthesis of nanostructured interfaces made of QDs and various molecular species through the use of flat solid substrates of silicon, glass and calcium fluoride functionalized with organosilanes. These substrate/QDs/molecules interfaces were studied by linear UV-visible absorption spectroscopy and by sum-frequency generation non-linear optical spectroscopy (SFG). The former allowed us to determine the surface density of the deposited QDs and to characterize their stability over time, while the later, which combines two visible and infrared lasers, enabled us to identify the vibrational signature of the QD ligands. Thanks to those samples probed by two-colour SFG spectroscopy, we therefore shew the existence of a vibroelectronic coupling between QDs and their molecular surroundings. Especially, we demonstrated that the vibration amplitudes associated to the molecular modes of the QD ligands and the organosilanes grafted on the substrates are maximum when the QDs are excited by visible light into their first excitonic state. This experimental demonstration is further supported by theoretical considerations: Feynman diagrams in Matsubara imaginary-time representation were used to determine the analytical expression of the second-order nonlinear susceptibility of the QD/molecule bipartite system. We thus verified that the hypothesis of a dipolar coupling between QDs and molecules resulted in a modeling of the vibrational SFG response which proved to be in complete agreement with the experimental measurements. Thus, we evidenced the existence of a dipolar vibroelectronic coupling between quantum dots and molecules.