Le graphène a des propriétés électroniques et mécaniques extraordinaires en raison de sa structure de bande linéaire. Toutefois, l'absence d’une bande interdite limite l’utilisation du graphène dans les dispositifs électroniques. Ajuster la bande interdite de graphène permettrait un contrôle précis des porteurs de charge. Une solution prometteuse consiste à modifier le graphène par des briques élémentaires de molécules organiques. Les molécules organiques avec un ion métallique (métal-porphyrine et métal-phtalocyanine) sont des candidats potentiels en raison de leur structure robuste et de leurs propriétés de charge et de spin qui peuvent être modulées. Dans cette thèse, le graphène a été préparé par la sublimation d’atomes de Si sur les faces de Si et de C- du substrat SiC. Trois molécules qui transportent l'information de spin différents ont été étudiés avec le STM. A travers des collaborateurs les calculs DFT, nous apporte des informations complémentaires. La première molécule utilisée dans notre expérience est la phtalocyanine de Ni (NiPc). L'ion Ni²⁺ a une configuration d'électrons 3d⁸ avec au état de spin de 0. La seconde molécule est la tétraphénylporphyrine de Pt (PtTPP (CO₂Me)₄). L'ion Pt²⁺ montre également une configuration d'électrons 3d8 à un état de spin de zéro. Cependant, l'atome Pt est plus lourd que celui du Ni. Promettant des effets spin orbite plus importants. La troisième molécule est tétraphénylporphyrine de fer (III) chlorure (FeTPPCl). Le Fe³⁺ est dans l'état haut spin (S = 5/2). Chacune de ces trois molécules forment un réseau moléculaire carré bien ordonné sur le graphène. Les directions de réseau moléculaires sont dominées par la symétrie du graphène, tandis que les orientations moléculaires dépendent des interactions inter moléculaires. Les couplages électroniques entre chaque molécule et le graphène sont transmis par la force de Van der Waals, qui donne lieu à des interfaces capacitifs entre la couche de graphène et les molécules. Les interactions électroniques entre les molécules FeTPP et graphène sont plus fortes que celles entre NiPc ou PtTPP et le graphène. Les études des molécules organiques avec adsorbées sur le graphène des spins différents a le potentiel d’ouvrir la voie à l'application de l'interface organométallique molécules/ graphène dans les dispositifs de spintronique. / Graphene has extraordinary properties because of its linear band structure and zero band gap. However, the lack of a band gap hinders the implementation of graphene in electronics; tuning the band gap of graphene would enable a precise control of the charge carriers. One of the promising solutions is to modify graphene with organic molecular building blocks. Organic molecules with a metal ion (metal- porphyrin, metal- phthalocyanine) are potential candidates, because of their robust structure and the fact that their charge and spin properties can be tuned. In this thesis, graphene was prepared by sublimating Si atoms from both Si and C- terminated SiC substrates. Three molecules which carry different spin information were studied by STM experiments. Through collaborations, DFT calculations were used to improve our understanding of the molecule- graphene interaction.The first molecule used in our experiment is Ni- phthalocyanine (NiPc). The Ni²⁺ ion has a 3d⁸ electron configuration, giving a spin- state of 0. The second molecule is Pt- tetraphenylporphyrin (PtTPP(CO₂Me)₄). The Pt²⁺ ion also shows a d8 electron configuration with a spin state of zero. However, the Pt atom is heavier than Ni, which should increase the spin- orbit effects. The third molecule is tetraphenylporphyrin iron(III) chloride (Fe(TPP)Cl). The Fe³⁺ in Fe(TPP)Cl is stable in the high spin state (S=5/2). These three molecules each form well- ordered nearly square lattice molecular networks on graphene. The molecular lattice directions are dominated by the graphene symmetry, while the molecular orientations depend on the molecule- molecule interactions. The electronic couplings between each of three molecules and graphene are via the Van der Waals forces, which gives rise to the capacitive molecular- layer/ graphene interfaces. The electronic interactions between FeTPP molecules and graphene are stronger than those between NiPc or PtTPP molecules and graphene. The studies of the organic molecules with different spin information on the graphene has the potential to pave the way for the application of organometallic molecules/graphene interface in spintronic devices.

Le but de ce travail est l'analyse du rôle des assemblages moléculaires du fluide synovial dans le fonctionnement tribologique d'une articulation naturelle saine et prothésée. Pour cela un modèle ex vivo réaliste reproduisant les caractéristiques mécaniques et physicochimiques d'une articulation naturelle a été conçu et exploité. <br />Ce modèle reconstitue ex vivo les propriétés mécaniques et physico-chimiques des cartilages articulaires en utilisant un matériau polymérique de type hydrogel. <br />Le modèle reconstitue aussi ex vivo les assemblages moléculaires du fluide synovial (multicouches lipidiques et vésicules du gel synovial) en utilisant des techniques de physique nanostructurale comme le dépôt lipidique par éclatement de vésicules et par la co-adsorption des micelles, la fabrication des liposomes et la microscopie de force atomique. L'évolution de ces assemblages moléculaires est visualisée in situ, au cours d'essais de frottement, par microscopie optique en fluorescence obtenue avec des marqueurs moléculaires. <br />Les résultats expérimentaux corrélés avec un modèle numérique des multicouches lipidiques (dynamique moléculaire) permettent de localiser où et comment s'effectue le glissement dans les assemblages moléculaires de la synovie ce qui contribue à expliquer l'origine des valeurs de frottement mesurées. Par exemple, si le glissement se localise dans le gel synovial le coefficient de frottement est de 0.15, alors qu'il n'est que de 0.0015 lorsqu'il se localise dans les multicouches lipidiques. <br />Sur le plan appliqué, d'autres résultats montrent que l'hydrogel, simulant le cartilage, favorise la formation et le maintien des multicouches lipidiques, ce qui n'est pas le cas avec l'acier et le polyéthylène des implants. Cela permet d'expliquer les différences de comportement tribologique dans les deux cas. Enfin, la mise en évidence d'une interdépendance entre les propriétés mécaniques et les propriétés physicochimiques de l'hydrogel a été exploitée pour comprendre des phénomènes mécaniques (variation du module d'élasticité, usure....) liées à l'évolution des pathologies.

La nanostructure et les propriétés électroniques de matériaux modèles pour le photovoltaïque organique, ont été étudiées en utilisant la Microscopie à Force Atomique en mode non contact sous ultra-vide (NC-AFM) et la Microscopie à sonde de Kelvin (KPFM). En utilisant le mode modulation d'amplitude (AM-KPFM), le potentiel de surface photo- généré dans des mélanges donneur-accepteur présentant une ségrégation de phase optimale a pu être visualisé à l'échelle du nanomètre. Afin de préciser la nature des forces mises en jeu dans le processus d'imagerie KPFM, des oligomères π-conjugués auto-assemblés ont ensuite été étudiés. Une transition entre régimes à longue et à courte portée a ainsi été mise en évidence en combinant l'imagerie en haute résolution aux mesures de spectroscopie en distance. Ces mesures ont également démontré que l'influence des forces électrostatiques à courte portée peut être minimisée en travaillant au seuil du contraste de dissipation. Enfin cette procédure a été utilisée, en combinaison avec les mesures de spectroscopie de photoélectrons UV, pour analyser la fonction de sortie locale d'électrodes transparentes à base de nanotubes de carbone fonctionnalisés.

Dans cette thèse, nous avons étudié les propriétés photoniques et vibrationnelles de monocouches moléculaires auto-assemblées sur graphène et la possibilité d'utiliser des multicouches auto-assemblées de pérylène comme milieu à gain pour l'amplification de plasmons. Le graphène, en tant que matériau transparent et conducteur, a permis pour la première fois de corréler la géométrie du réseau de l’auto-assemblage supramoléculaire avec ses propriétés optiques, grâce à la microscopie à effet tunnel et à des mesures de spectroscopiques optiques et Raman. En comparant plusieurs colorants autoassemblés sur le graphène, nous avons mis en lumière les effets des interactions intermoléculaires et des interactions colorant-graphène sur le spectre d'absorption du colorant adsorbé. Le transfert d'énergie rapide des colorants vers la couche degraphène par les mécanismes de Förster et de Dexter empêche toute relaxation radiative du colorant..Néanmoins, nous avons démontré la première fonctionnalisation fluorescente non-covalente du graphène par une monocouche de colorants autoassemblée en mettant en place une stratégie à base d’espaceurs. Nous avons exploité l’extinction rapide de la fluorescence des colorants par le graphène pour étudier les spectres Raman des auto-assemblages moléculaires sur graphène, et nous avons révélé l'apparition d'un mode vibrationnel couplé entre les molécules adsorbées et le substrat de graphène. Nous avons démontré le régime de couplage fort entre un auto-assemblage tri-dimensionnel de pérylène et un plasmon polariton de surface en optimisant l'orientation et l'organisation des molécules de colorant par rapport au champ électrique du mode de plasmon. Nous avons prouvé que les milieux de gain auto-assemblés en agrégats-J peuvent théoriquement conduire à des milieux de gain efficaces pour l'amplification de plasmons. Cependant, nous avons révélé expérimentalement que les recombinaisons exciton-exciton limitent le taux de pompage à des fluences élevées dans ces milieux denses. / In this work, we have studied thephotonic and vibrational properties of selfassembled molecular monolayers on graphene and the possibility to use perylene self-assembled multilayers as a gain medium for plasmon amplification. Graphene, as a transparent and conductive material, has offered for the first time to correlate the self-assembly structure as deduced from scanning tunneling microscopy to photonic properties as analyzed by optical and Raman spectroscopy measurements. By comparing several self-assembled dyes on graphene we have shed lighton how intermolecular and dye-graphene interactions modify the absorption spectrum of the adsorbed dye.Fast Förster and Dexter energy transfer from the adsorbed dyes to the graphene layer prevent any radiative decay of the dye.Nevertheless, we have demonstrated the first fluorescent non-covalent functionalization of graphene by a supramolecular self-assembled monolayer using a spacer approach.We have exploited the fast dye fluorescence quenching by graphene to study Raman spectra of self-assembled dye on graphene, and we have shown the appearance of a coupled vibrational mode between the adsorbed molecules and the graphene substrate. We have demonstrated the strong couplingregime between a three-dimensional perylene self-assembly and a propagating plasmon polariton by optimizing the orientation and the organisation of the dye molecules compared to the electric field of the plasmon mode. We have shown that J-aggregated self-assembled gain media may theoretically lead to efficient gain media for plasmon amplification. However, we experimentally demonstrated that exciton-exciton recombination limits the achievable pumping rate at high fluences in such dense media.

La nanostructure et les propriétés électroniques de matériaux modèles pour le photovoltaïque organique, ont été étudiées en utilisant la Microscopie à Force Atomique en mode non contact sous ultra-vide (NC-AFM) et la Microscopie à sonde de Kelvin (KPFM). En utilisant le mode modulation d'amplitude (AM-KPFM), le potentiel de surface photo- généré dans des mélanges donneur-accepteur présentant une ségrégation de phase optimale a pu être visualisé à l'échelle du nanomètre. Afin de préciser la nature des forces mises en jeu dans le processus d'imagerie KPFM, des oligomères π-conjugués auto-assemblés ont ensuite été étudiés. Une transition entre régimes à longue et à courte portée a ainsi été mise en évidence en combinant l'imagerie en haute résolution aux mesures de spectroscopie en distance. Ces mesures ont également démontré que l'influence des forces électrostatiques à courte portée peut être minimisée en travaillant au seuil du contraste de dissipation. Enfin cette procédure a été utilisée, en combinaison avec les mesures de spectroscopie de photoélectrons UV, pour analyser la fonction de sortie locale d'électrodes transparentes à base de nanotubes de carbone fonctionnalisés. / In this thesis, noncontact atomic force microscopy (NC-AFM) and Kelvin probe force microscopy (KPFM) under ultrahigh vacuum have been applied to investigate the nanostructure and electronic surface properties of model materials for organic photovoltaics. First, it has been demonstrated that the surface photovoltage of nanoscale phase segregated donor-acceptor photovoltaic blends can be finely resolved at the nanometer scale by using amplitude modulation KPFM (AM-KPFM). Next, model self-assembled π-conjugated oligomers have been investigated, in order to obtain a deeper insight into the nature of the tip-surface forces involved in the KPFM imaging process. A crossover between long-range (LR) and short-range (SR) regimes has been evidenced by combining high resolution imaging with distance-spectroscopy measurements. It has also been shown that the influence of the SR electrostatic forces can be minimized by working at the onset of the damping contrast. Finally, using this procedure, the local work function of flexible transparent electrodes, comprised of functionalized carbon nanotubes by metallic nanoparticles, has been investigated, and compared to the averaged value deduced from ultraviolet photoelectron spectroscopy.

Les maladies ostéoarticulaires représentent environ 10% de l’ensemble des pathologiessurvenant en France chaque année. Les difficultés pour identifier les causes de ces maladiesproviennent pour une part d’un manque de compréhension du mécanisme de lubrificationd’une articulation synoviale saine. Dans ce contexte, un premier objectif de ce travail a été d’analyser la structurediscontinue du liquide synovial à partir de prélèvements animaux sains et de la reproduire àpartir de composants biomoléculaires commerciaux afin de comprendre le mécanisme delubrification dans le cas sain. Le deuxième objectif de cette thèse a été d’analyser l’évolution de la structure et despropriétés lubrifiantes du liquide synovial dans le stade précoce de pathologies noninflammatoiresou inflammatoires à partir de prélèvements pathologiques humains. Afind’étudier plus finement l’évolution de la lubrification pathologique cette thèse a visé àdévelopper aussi des modèles de lubrifiants obtenus à partir de cultures cellulaires desynoviocytes humains en combinant l’action de facteurs inflammatoire (cytokines).L’ensemble des résultats montre l’importance de la structure supramoléculaire duliquide synovial dans l’obtention de bonnes propriétés lubrifiantes ; cette relation devraitconstituer d’une part un paramètre clé dans le diagnostic précoce des pathologies articulaireset d’autre part une voie de développement de liquides thérapeutiques à base de lubrifiantsnanostructurés / Osteoarticular diseases account for approximately 10% of all diseases occurring inFrance each year. The difficulties in identifying their causes are also due to a deficiency inunderstanding the lubrication mechanism of healthy synovial joint.In this context, the first objective of the present study was to analyze the discontinuousstructure of synovial fluid samples from healthy animals and to reproduce it using commercialbiomolecular components in order to understand the lubrication mechanism in the healthycase. The second objective of this thesis was to analyze the evolution of the structure andthe lubricating properties of synovial fluid in the early stage of non-inflammatory andinflammatory diseases using pathological human fluid samples. In order to study moreprecisely the evolution of pathological lubrication this work aimed to develop lubricantmodels obtained from cell cultures of human synoviocytes adding the action of pathologicalinflammatory factors (cytokines). All together the results show the importance of the supramolecular structure of thesynovial fluid in obtaining good lubricating properties what may be a key parameter in theearly diagnosis of joint diseases and even more a chance to develop therapeutic fluids basedon nanostructured lubricants

Les maladies ostéoarticulaires représentent environ 10% de l'ensemble des pathologiessurvenant en France chaque année. Les difficultés pour identifier les causes de ces maladiesproviennent pour une part d'un manque de compréhension du mécanisme de lubrificationd'une articulation synoviale saine. Dans ce contexte, un premier objectif de ce travail a été d'analyser la structurediscontinue du liquide synovial à partir de prélèvements animaux sains et de la reproduire àpartir de composants biomoléculaires commerciaux afin de comprendre le mécanisme delubrification dans le cas sain. Le deuxième objectif de cette thèse a été d'analyser l'évolution de la structure et despropriétés lubrifiantes du liquide synovial dans le stade précoce de pathologies noninflammatoiresou inflammatoires à partir de prélèvements pathologiques humains. Afind'étudier plus finement l'évolution de la lubrification pathologique cette thèse a visé àdévelopper aussi des modèles de lubrifiants obtenus à partir de cultures cellulaires desynoviocytes humains en combinant l'action de facteurs inflammatoire (cytokines).L'ensemble des résultats montre l'importance de la structure supramoléculaire duliquide synovial dans l'obtention de bonnes propriétés lubrifiantes ; cette relation devraitconstituer d'une part un paramètre clé dans le diagnostic précoce des pathologies articulaireset d'autre part une voie de développement de liquides thérapeutiques à base de lubrifiantsnanostructurés

Le caractère cohérent du processus de doublage de fréquence, processus de<br />conversion de deux photons à la fréquence fondamentale en un photon à la fréquence<br />harmonique, permet de sonder la matière à des échelles sub-longueur d'onde. Pour mettre en<br />évidence cette propriété, la technique de diffusion hyper Rayleigh a été employée pour sonder<br />l'organisation dans des assemblages moléculaires dispersés en solution liquide. Après une<br />étude initiale de quelques solvants usuels purs, l'influence de l'environnement sur la réponse<br />du cristal violet, une sonde moléculaire octupolaire de référence, a été étudiée. Ces études ont<br />été poursuivies pour des sondes moléculaires amphiphiles afin d'étudier des solutions mixtes<br />comprenant à la fois des sondes libres et des sondes engagées dans des assemblages<br />moléculaires appelés micelles. En raison de la centrosymétrie de ces assemblages, la<br />composante dipolaire de la réponse harmonique diffusée s'affaiblit, laissant la réponse<br />harmonique totale dominée par une forte contribution quadripolaire clairement mise en<br />évidence par ces mesures de diffusion hyper Rayleigh résolue en polarisation. Un modèle<br />complet décrivant les différentes composantes de la réponse harmonique totale est introduit<br />pour interpréter globalement les observations sur ces solutions mixtes. Enfin, les études<br />préliminaires d'un système biomimétique reconstitué à l'interface air-eau par doublage de<br />fréquence sont présentées.