Cette thèse est consacrée à l'étude des modes acoustiques de nanostructures en réseaux. Les fréquences de vibration de nanostructures se situent dans la gamme hypersonore (1 GHz-1 THz). Leur organisation en réseau de pas sub-micronique implique l'existence de modes acoustiques collectifs dans cette même gamme de fréquences. L'objet de ce travail est la mise en évidence de ces modes. Nous avons utilisé la lithographie électronique pour réaliser des réseaux à deux dimensions de nano-cubes métalliques. Leurs vibrations ont été résolue en temps par acoustique picoseconde. Cette technique de pompe-sonde optique permet d'exciter et de détecter des ondes acoustiques de fréquences hypersonores. Deux catégories de modes acoustiques ont été mises en évidence. Les modes individuels de vibration des cubes et les modes collectifs d l'ensemble. Les modes collectifs sont étudiés dans des séries de réseaux de différents pas. Leur propagation a lieu dans le plan des réseaux suivant un ensemble discret de vecteurs d'ondes. Un modèle analytique permet de reproduire leur fréquence en fonction des paramètres géométriques et élastiques du système. Enfin la détection de ces modes relève d'un mécanisme inédit, probablement lié à l'excitation de plasmons de surface dans l'échantillon / This thesis is devoted to the study of the acoustic modes of nanostructures ordered as lattices. The vibration's frequencies of nanostructures are in the hypersonic range (1 GHz-1 THz). Their lattice organization with sub-micronic repetition step leads to collective acoustic modes in the same frequency range. This works aims to demonstrate these modes. We used electronic lithography to fabricate two dimensionnal lattices of metallic nano-cubes. Their vibrations we time-resolved by picosecond ultrasonics. This optical pump-probe technique can excite and detect acoustic waves at hypersonic frequencies. Two kinds of acoustic modes were demonstrated. The proper modes of the cubes and the collective modes of the whole assembly. Collective modes are studied in lattices sets of various repetition step. They propagate in the lattices plane with a discrete set of wavevectors. An analytical model can explain their frequency as a function of the system's geometric and elastic parameters. Eventually the detection of these modes is due to a new mechanism, probably linked to the excitation of surface plasmons at the sample surface.

Cette thèse est consacrée à l'étude de la génération d'ondes acoustiques hautes fréquences par des nanostructures grâce à une impulsion lumineuse ultra-brève. Plus une onde acoustique a une fréquence élevée, plus elle est sensible à de faibles variations au sein du matériau qu'elle traverse. La montée en fréquence va donc permettre l'étude des propriétés acoustiques et mécaniques d'objets de plus en plus petit. L'objet de ce travail est l'étude par acoustique picoseconde de nanostructures permettant la génération d'ondes acoustiques, de surface ou longitudinales, de très hautes fréquences.Afin de pouvoir générer des ondes acoustiques de surface, nous avons étudié les vibrations de réseaux de nanostructures organisées. Un modèle a été mis en place permettant d'étudier ces vibrations collectives et leurs liens avec la génération d'ondes acoustiques de surface. Grâce à ce modèle, nous avons mis au point une méthode de caractérisation mécanique complète de films minces. Nous avons appliqué cette technique à différents matériaux et dans différentes conditions.Les boîtes quantiques ont été utilisées pour réaliser la génération d'ondes acoustiques longitudinales hautes fréquences. La démonstration de la génération d'ondes acoustiques par des boîtes quantiques a été réalisée dans différentes matériaux, puis nous avons mis au point un modèle capable de prédire les conditions expérimentales pour la détection d'ondes acoustiques dont les fréquences dépassent le terahertz. / This thesis is devoted to the study of the generation of high frequency acoustic waves by nanostructures using ultra-short laser pulses. The higher the frequency of an acoustic wave, the more sensitive it is to small changes inside the material it is propagating in. Reaching higher frequencies will allow the study of the elastic and mechanical properties of smaller structures. The aim of this work is the study by the picosecond ultrasonics technique of nanostructures that enable the generation of high frequency surface or bulk acoustic waves. In order to realize the generation of surface acoustic waves, we studied the vibrations of lattices of organized nanostructures. A model has been established to study those collective vibrations and their links to the generation of surface acoustic waves. Thanks to this model, we developed a method to realize the complete mechanical characterization of thin films. We applied this technique to various materials in different conditions.Quantum dots have been used to realize the generation of high-frequency bulk acoustic waves. The demonstration of the acoustic wave generation by quantum dots has been performed in numerous materials, then we developed a model able to foresee the experimental conditions that made the detection of acoustic waves with frequencies higher than one terahertz possible.

Ce travail porte sur l'excitation et la détection d'ultrasons dans des multicouches métalliques en acoustique picoseconde afin d'engendrer des ondes de hautes fréquences (jusqu'au THz) pour pouvoir éventuellement les émettre dans un matériau. Nous avons développé des modèles permettant de calculer les réponses optiques et acoustiques de structures excitées par des impulsions lasers ultrabrèves. D'une part, nous avons étudié les effets d'interface à l'origine de l'anomalie élastique dans certains systèmes multicouches et nous avons montré que l'adoucissement observé dans les systèmes Mo/Ni est dû à des alliages interfaciaux épais de 1,3 nm. D'autre part, l'étude des multicouches périodiques a permis d'expliciter les processus d'excitation et de détection de modes résonnants dans des bandes de fréquences interdites. Enfin, nous avons réalisé une expérience de transmission à travers un substrat épais et montré qu'on pouvait transmettre des fréquences supérieures à 200 GHz.

Cette thèse a été réalisée pour le labo-commun ST-IEMN, dans le cadre du projet industriel de STMicroelectronics visant à réaliser des résonateurs à ondes acoustiques de volume (BAW : Bulk Acoustic Wave) pour des applications de fitrage RF. A l'instar du quartz, le BAW exploite la résonance du mode d'épaisseur d'une couche piézoélectrique comprise entre deux électrodes. Pour le passage en production de ces composants le contrôle de la fréquence est un défi à relever, et il passe par une connaissance précise des paramètres mécaniques du dispositif. Pour cela, nous exploitons une technique expérimentale permettant de caractériser acoustiquement des empilements de matériaux en couches minces: l'acoustique picoseconde. Nous avons développé la particularité du montage de l'IEMN : l'accordabilité en longueur d'onde. A partir de cette spécificité, des études plus fondamentales ont donné lieu à l'élaboration de protocoles expérimentaux permettant d'augmenter le nombre de caractéristiques mesurables par acoustique picoseconde. L'exploitation de ces protocoles pour la caratérisation des matériaux liés au BAW nous a permis d'enrichir une base de données des paramètres nécessaires à la modélisation et à la conception des dispositifs. D'autre part, nous avons développé des méthodes d'analyse d'empilements complexes, qui ont pu ètre testées sur la version industrielle de la technique d'acoustique picoseconde. Nous avons finalement défini un protocole de suivi de procédé de réalisation des BAW, basé sur une métrologie par acoustique picoseconde / This PhD has been realized for the ST-IEMN Lab, in the frame of an industrial development at STMicroelectronics on Bulk Acoustic Wave (BAW) resonators. The operating principle of a BAW is based on the excitation of the thickness mode of a piezoelectric layer sandwiched between two electrodes. The control of the frequency is a challenging question for the mass production of such components, and requires a precise control of mechanical properties of the device. ln this work, we use an original experimental technique that enables the acoustic characterization of thin films stacks : colored picosecond ultrasonics. We particularly develop the specificity of the IEMN setup : the wavelegth tunability. Through fundamental studies we set up protocols and thus, increase the number of parameters that can be measured with the technique. This work enables us to feed a database ofparameters needed for the design and the modeling of the devices. We also work on complex stacks characterization, a part of the methods has been tested on the industrial version of picosecond ultrasonics. Finally we propose a metrological srategy, based on picosecond ultrasonics, in orde to assist the process of BAW resonators.

Cette thèse est consacrée à l'étude des modes acoustiques de nanostructures en réseaux. Les fréquences de vibration de nanostructures se situent dans la gamme hypersonore (1GHz-1THz). Leur organisation en réseau de pas sub-micronique implique l'existence de modes acoustiques collectifs dans cette même gamme de fréquences. L'objet de ce travail est la mise en évidence de ces modes. Nous avons utilisé la lithographie électronique pour réaliser des réseaux à deux dimensions de nano-cubes métalliques. Leurs vibrations ont été résolues en temps par acoustique picoseconde. Cette technique de pompe-sonde optique permet d'exciter et de détecter des ondes acoustiques de fréquences hypersonores. Deux catégories de modes acoustiques ont été mises en évidence. Les modes individuels de vibration des cubes et les modes collectifs de l'ensemble. Les modes collectifs sont étudiés dans des séries de réseaux de différents pas. Leur propagation a lieu dans le plan des réseaux suivant un ensemble discret de vecteurs d'ondes. Un modèle analytique permet de reproduire leur fréquence en fonction des paramètres géométriques et élastiques du système. Enfin la détection de ces modes relève d'un mécanisme inédit, probablement lié à l'excitation de plasmons de surface dans l'échantillon.

Ce travail porte sur l'excitation et la détection d'ultrasons dans des multicouches métalliques en acoustique picoseconde afin d'engendrer des ondes de hautes fréquences (jusqu'au THz) pour pouvoir éventuellement les émettre dans un matériau. Nous avons développé des modèles permettant de calculer les réponses optiques et acoustiques de structures excitées par des impulsions lasers ultrabrèves. D'une part, nous avons étudié les effets d'interface à l'origine de l'anomalie élastique dans certains systèmes multicouches et nous avons montré que l'adoucissement observé dans les systèmes Mo/Ni est dû à des alliages interfaciaux épais de 1,3 nm. D'autre part, l'étude des multicouches périodiques a permis d'expliciter les processus d'excitation et de détection de modes résonnants dans des bandes de fréquences interdites. Enfin, nous avons réalisé une expérience de transmission à travers un substrat épais et montré qu'on pouvait transmettre des fréquences supérieures à 200 GHz.

La biocompatibilité d'un implant est principalement contrôlée par l'interface entre le biomatériau et le tissu environnant. Afin de contrôler cette interaction et de favoriser l'adhésion des cellules sur l'implant, nous avons créé à la surface d'alliages de titane des domaines nanométriques concentrés en séquence Arginine-Glycine-Acide Aspartique (RGD) reconnue pour ses propriétés adhésives. Après avoir modifié la chimie de surface par un agent de liaison aminosilane, nous avons utilisé les méthodes de synthèse de dendrimères ou liés des nanoparticules à l'aminosilane afin de démultiplier le nombre de amines primaires par site. Ces amines primaires étant ensuite utilisées pour attacher la séquence RGD à la surface du matériau. L'adhésion d'ostéoblastes sur les matériaux préparés a été étudié par acoustique picoseconde. / Abstract

L'optoacoustique picoseconde est une technique qui permet de sonder la matière à l'échelle submicronique. L'objectif de ce travail est la synthèse d'ondes de cisaillement de fréquences GHz dans des couches minces isotropes pour l'analyse des propriétés transverses de la matière. C'est grâce à la diffraction du champ acoustique à l'intérieur du transducteur que ces ondes de cisaillement sont synthétisées. Nous exposons dans une première partie le développement des outils théoriques nécessaires à l'analyse de la répartition spatiale du champ acoustique généré lors de l'interaction laser-matière. Les diagrammes de directivité ainsi établis permettent de prévoir les directions de rayonnement privilégiées. Par une méthode de post traitement adaptée,nous synthétisons ensuite des ondes transverses dans ces directions particulières. Lorsque le transducteur est chargé par un milieu dont on cherche à connaître les propriétés transverses, les ondes de cisaillement synthétisées sont réfléchies à l'interface entre le transducteur et ce milieu. L'analyse du coefficient de réflexion permet alors de déterminer les propriétés mécaniques du milieu à sonder. Nous illustrons cette méthode numériquement et expérimentalement dans le cas d'une interface titane/glycérol. / Picosecond optoacoustics is a technique that can probe properties of matter on a submicronscale. The aim of this work is to synthesize shear waves at GHz frequencies in a thin isotropiclayer in order to analyse its shear properties. Transverse waves are synthesized using diffraction.In the first part we develop theoretical tools in order to analyse the spatial repartition of theacoustic field generated by the laser-matter interaction. Directivity patterns predict the particulardirections for which amplitude of the shear waves is higher. Thus, we synthesized shearwaves in these particular directions using a dedicated post processing method. To investigateshear properties of a film lying on the sample, we study the reection of shear waves betweenthe transducer and the lying film. Starting with either simulated or experimental recordedwaveforms, we demonstrate the method in the specific case of the titanium/glycerol interface.

L'acoustique picoseconde est un outil adapte a la mesure des proprietes mecaniques des films minces. la generation et la detection de phonons acoustiques de frequences voisines du thz sont effectuees a l'aide d'impulsions laser ultracourtes delivrees par des lasers femtosecondes. a cause de l'isotropie des transducteurs, les ondes acoustiques transverses ne peuvent etre thermo-elastiquement excitees que par conversion de mode d'ondes acoustiques longitudinales. ce travail propose comme alternative l'utilisation d'un reseau optique comme source d'excitation laser inhomogene pour generer et detecter des phonons plans transverses dans des materiaux isotropes. une etude theorique a montre que l'application d'un reseau optique transitoire a l'interface entre des materiaux isotropes induit l'excitation de reseaux acoustiques transverses par conversion de mode d'ondes acoustiques longitudinales en incidence oblique par rapport a l'interface. ces ondes sont inhomogenes car elles ont leur amplitude harmoniquement modulee selon l'interface. nous avons montre que la detection selective et heterodyne de ces ondes de cisaillement n'est possible que dans la configuration ou un reseau pompe 1d et sonde 2d sont associes. cela permet la depolarisation a travers l'interaction acousto-optique, de la sonde incidente par le reseau acoustique transverse. cela a ete realise en mettant le reseau sonde dans le plan perpendiculaire a celui de la pompe. de plus, l'adaptation et la mise en œuvre de methodes optiques de haute sensibilite, en particulier la polarimetrie et l'ellipsometrie nous ont permis d'evaluer et d'optimiser la sensibilite de la detection de ces ondes acoustiques transverses.

Le caractère entièrement sans contact de la technique d'Ultrasons-Laser en fait un outil de premier choix pour étudier la propagation des ondes acoustiques dans diverses géométries. Les problèmes rencontrés lors du couplage de transducteurs piézoélectriques sur une surface courbe sont ainsi évités et l'étude de structures cylindriques de diverses tailles, notamment à l'échelle du micron, peut être envisagée. Le développement de l'acoustique picoseconde dans les années 80 a permis, en effet, de générer des ultrasons de très haute fréquences (>GHz) présentant des longueurs d'onde de l'ordre de quelques nanomètres. Il devient alors possible de sonder des couches minces de tailles microniques à sub-microniques. Une extension de ces travaux au cas de fibres de diamètres micrométriques est ici proposée. Le mécanisme de génération acoustique par laser nécessite quel'échantillon soit optiquement absorbant. Plusieurs régimes de génération sont abordés suivant la fluence laser et la longueur de pénétration optique. Des modèles semi-analytiques de la génération acoustique dans des structures cylindriques optiquement absorbantes sont ainsi proposés. Une première approche, s'intéresse à la modélisation de la propagation dans un multi-couche cylindrique pour lequel la source acoustique est distribuée selon un profil d'intensité imposée par l'absorption de l'impulsion optique. Une seconde approche consiste à rechercher la fonction de Green d'une source enfouie. Une convolution par la distribution de source permet ensuite de calculer la réponse du cylindre. Une validation expérimentale est menée sur un barreau de verre de 5 mm de diamètre à l'aide d'un laser Nd:Yag délivrant des impulsions de 5ns. Une confrontation expérience/théorie est enfin proposée pour une fibre de tungstène de 5 microns de diamètre étudiée par un dispositif d'acoustique picoseconde. Enfin, des expériences similaires ont été réalisées sur des fibres de carbone d'un diamètre de 5 et 10 microns et ont permis d'évaluer localement leur indice optique complexe ainsi que leur élasticité transverse. / Having emerged in the 80s, the laser ultrasonics technique with its non-contact generation and detection process overpasses the difficulties of coupling piezoelectric transducers with curved surfaces. With the picosecond ultrasonics technique it is now possible to generate acoustic waves with very high frequency (>GHz) and very short wavelengths of few nanometers giving access to micrometric and sub-micrometric samples probing. To date, the acoustic generation for cylinders opaque at a given laser wavelength where the acoustic source is located at the cylinder surface was investigated. In this PhD thesis, an extension of this work is proposed in the case of micro-fibers where taking into account the optical penetration depth becomes essential. Semi-analytical models for acoustic waves generation and propagation in a optically absorptive cylinder are derived. In a first way, we adapt modelling techniques used to calculate the response of elastically heterogeneous materials to the case of an homogeneous material with a radially distributed source imposed by the optical absorption. In a second model, the radial displacement for an inner point source is derived, in a 2D Fourier domain. The response to a volume-source distribution along a radius is obtained as a convolution of the above Green function with the corresponding source distribution caused by optical absorption. Two inverse transforms are then applied. Picosecond ultrasonics experiments are performed for different micrometric fibers and compared with calculated waveforms for different optical absorptive properties. Experiments made on carbon micro-fibers have permitted to locally evaluate the transverse elasticity of the fibers as well as their complex optical index.