Cette thèse se situe dans le cadre de l'électronique moléculaire qui vise à réaliser une unité de calcul constituée d'une molécule connectée à des électrodes mésoscopiques. La première étape est de choisir une surface qui soit isolante, afin de découpler les états électroniques de la molécule de ceux du substrat et sur laquelle il soit possible de faire croître des îlots métalliques " 2D ", permettant la connexion de la molécule à un réservoir d'électrons, tout en ayant la possibilité de l'imager en NC-AFM. Notre choix s'est porté sur le nitrure d'aluminium (AlN), en raison de sa grande énergie de bande interdite (6,2 eV) et de sa similarité avec le nitrure de gallium (GaN, 3,4 eV) sur lequel il est possible de faire croitre des îlots 2D de magnésium. Le travail de cette thèse porte sur la croissance par épitaxie par jets moléculaire de films minces d'AlN sur substrats de silicium (Si(111)) et de carbure de silicium (SiC(0001)) et leur étude in-situ par NC-AFM et KPFM sous ultra vide. Les études NC-AFM ont permis d'adapter les protocoles de croissance afin de diminuer significativement les défauts de surface des films d'AlN. Des calculs théoriques DFT ont aidé à adapter ces protocoles de croissance afin d'obtenir de façon reproductible la reconstruction de surface (2x2) de l'AlN pour laquelle la surface est terminée par des adatomes d'azote. A l'issu de cette thèse, les films d'AlN obtenus présentent des surfaces adaptées au dépôt de molécules et d'îlots métalliques. / This thesis is part of molecular electronics, which aims to realize a calculation unit based on a single molecule connected to mesoscopic electrodes. The first step is to find a suitable surface, i.e. an insulating or large gap semi-conductor surface to decouple the electronic states of the molecule from the electronic states of the substrate. It must also be compatible with the growth of flat metallic nano-pads allowing the connection of the molecule to an electron tank, while having the possibility of imaging it in NC-AFM. Our choice was focused on the large gap semi-conductor Aluminum Nitride (AlN, 6.2 eV). Indeed it has been shown that the growth of magnesium on a similar substrate (GaN, 3.4 eV) yields one mono-layer high islands. The present work is focused on the growth by molecular beam epitaxy of AlN thin layers on silicon (Si(111)) and silicon carbide (SiC(0001)) substrates and in-situ study by NC-AFM and KPFM under ultrahigh vacuum. The NC-AFM studies helped to adapt the growth protocols in order to significantly reduce the surface defects of the AlN films. Theoretical calculations (DFT) helped to adapt these growth protocols which allows to reproducibly obtain the (2x2) surface reconstruction for which the surface is terminated by a layer of N atoms. At the end of this thesis, the AlN films obtained present suitable surfaces for depositing metallic electrodes and molecules.

L’intérêt pour la paroi de la levure s’est accru récemment par l’explosion des activités de bioraffineries augmentant la production de biomasse, et par le besoin de valoriser cette biomasse dans d’autres débouchés comme en nutrition animale et en œnologie pour leurs propriétés probiotiques et de sorption. Le but de cette thèse était de combiner des approches biochimiques, biophysiques et les puces à ADN afin d'étudier les relations entre ces paramètres ainsi que de mettre en évidence l'impact des souches, des conditions de croissance et des procédés sur la composition et les propriétés biophysiques de la paroi cellulaire. Une méthode acido-enzymatique a été développée pour quantifier spécifiquement chacun des quatre composants de la paroi cellulaire de la levure, à savoir les mannanes, la chitine, les β-1,3-glucanes et les β-1,6-glucanes. Cette méthode a été validée sur des souches mutantes et a permis d’évaluer les effets de divers stress. Ultérieurement, l'utilisation de la microscopie à force atomique (AFM) a permis l'étude des mêmes souches et de quatre souches utilisées dans la fermentation industrielle. Ils ont démontré des propriétés nanomécaniques et adhésives distinctes, en raison de différences dans la composition et la structure de la paroi cellulaire. Dans la dernière partie, les effets du procédé d’autolyse et du séchage à lit fluidisé sont présentés. Ce procédé industriel ne modifie pas la composition de la paroi cellulaire, mais induit une modification de la topographie et des propriétés de surface de la cellule. En outre, en utilisant l'AFM nous avons imagés sur S. cerevisiae des patchs hautement adhésifs formant des nanodomaines à la surface de la cellule. / Due to increasing yeast biomass production resulting from the expansion of the Biorefinery as an alternative to petrol-based energy, the yeast cell wall is receiving an increasing interest as an added value product targeting agro-nutrition markets, such as in animal nutrition and in wine for its probiotic and sorption properties. The purpose of this thesis was therefore to combine DNA microarrays, biochemical and biophysical approaches in order to investigate the relationships between these parameters as well as to highlight the impact of strains, growth conditions and processes on the cell wall composition and biophysical properties. To achieve this objective, an acido-enzymatic method was developed to specifically quantify each of the four components of the yeast cell wall, namely mannan, chitin, β-1,3-glucan and β-1,6-glucan. This method was validated on mutant strains and allowed highlighten various stresses effects. Then, the use of atomic force microscopy (AFM) has allowed investigating the same strains and four strains used in industrial fermentation. They demonstrated distinct nanomechanical and adhesive properties, due to differences in their cell wall structure and composition. In the last part, the effects of the autolysis and fluid-bed drying processes are presented. This industrial process does not change the composition of the cell wall but induces a modification in topography and surface properties of the cell. Moreover, using AFM we imaged on S. cerevisiae cell surface highly adhesive patches forming nanodomains.

Cette thèse est centrée sur les cristaux liquides et l' ordre orientationnel qui découle de ces matériaux anisotropes. Des motifs chiraux quasi-bidimensionnels ont été formés par microscopie à force atomique (AFM) sur substrat de polyimide. Dans le cas de matériaux non chiraux, une chiralité 3D a été localisée à quelques nanomètres de la surface. La chiralité a été quantifiée par l'effet électroclinique de surface. De plus, un échantillon avec un axe facile et bien contrôlé a été fabriqué et une méthode pour mesurer l'orientation du directeur local avec une résolution de 100 nm en utilisant la microscopie optique en champ proche a donné la vraie fonction de répartition angulaire de l'ordre local avec une grande précision. Enfin, un auto-assemblage de nanoparticules d'or a été étudié dans un film de cristal liquide cholestérique (CLC), en cellule ouverte, a vec une texture cholestérique orientée et des nanoparticules d'or enrobées de molécules de thiol. Les mesures de la Résonance Plasmon de Surface Polarisée Localisée (LSPR) montrent une anisotropie de la réponse optique dans ces système hybrides que nous avons liées à la présence d'agrégats en forme d'aiguilles. Les calculs de la théorie de Mie généralisée, en interprétant les mesures de LSPR, ont mis en évidence une distance entre nanoparticules plus petite dans le CLC par rapport à des nanoparticules sans CLC. L' espacement plus rapproché suggère la présence de sites de piégeage dans le CLC ainsi que la présence d'une coquille isotrope autour les nanoparticules. / This dissertation focuses on liquid crystals and the inherent orientational order that arises from these anisotropic materials. Quasi two-dimensional chiral patterns were scribed via Atomic Force Microscopy (AFM) with robust control onto polyimide substrate, composed of achiral materials, yielding 3D chirality that was localized to within a few nanometers of the surface. The chirality was quantified through the surface electroclinic effect. In addition, a sample with a well-controlled easy axis was fabricated and a method to measure the local director orientation with 100 nm resolution using Near-Field Scanning Optical Microscopy yielded the true angular distribution function of the local order with high precision. Finally, gold nanoparticle self-assembly was studied within a cholesteric liquid crystal (CLC) film. The open sample creates a striped texture and gold nanoparticles coated with thiol are deposited within the liquid crystal matrix. Polarized Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR) measurements show an anisotropy between light polarized with respect to the stripe orientation. Evaporating the liquid crystal revealed disordered anisometric needle-like aggregates through AFM. Generalized Mie theory calculations, in conjunction with LSPR, found a smaller nanoparticle spacing in the CLC compared to a 2D monolayer of the same nanoparticles on a rubbed substrate or 1D chains in smectic A dislocations. The closer spacing suggests trapping sites within the CLC, where nanoparticles are first localized and then aggregate under van der Waals attraction aided and enhanced by the CLC and mediated by steric forces.

La peau est une interface essentielle entre le corps humain et son environnement externe. Au-delà du rôle de couche protectrice contre les agressions externes (mécaniques, thermiques, chimiques…), elle dispose de multiples fonctions de régulation comme l’absorption, la thermorégulation ou la synthèse d’hormones. L’étude de cette interface cutanée est importante, non seulement pour les spécialistes cliniques, mais également pour les chercheurs travaillant dans la compréhension des mécanismes des processus de transfert transcutanés. Longtemps considéré comme une simple couche de cellules mortes, le stratum corneum (SC, couche de la peau la plus externe) était considéré alors comme un acteur secondaire dans ces processus. Des études récentes montrent au contraire que cette couche cutanée, d’une épaisseur pouvant aller de 10 à 40 µm, joue un rôle primordial et déterminant. Ces études révèlent une architecture complexe, qui peut être représentée schématiquement par un empilement de cellules protéiniques (les cornéocytes) situées dans une matrice extracellulaire riche en lipides. Cette couche compacte est loin d’être complètement imperméable aux substances chimiques directement appliquées sur la peau. Nous proposons ici une approche physico-chimique visant à mettre en évidence les mécanismes d’interactions acide-base agissant à l’extrême surface du SC (i.e. une dizaine d’Angströms). En utilisant : i) les réactions de transfert de protons comme “sonde” et ii) une démarche multi-échelles basée sur des titrations de surface par angles de contact et par forces chimiques, nous déterminons quantitativement le rôle de chacune des composantes du SC (i.e. cornéocytes et lipides) dans ce type d’interactions. / Stratum corneum (SC) is a heterogeneous tissue composed of lipid-depleted corneocytes embedded in a lipid-enriched extracellular matrix. It comes from the epidermal differentiation of the skin. The wetting properties of this upper layer are of major interest in the understanding of interfacial phenomena, such as adhesion of microorganisms or proliferation of resident flora. Until now, the wettability behaviour has been characterized through different parameters such as surface energy, critical surface tension, or hydrophilia, via macroscopic contact angle measurements. But this method does not allow to discriminate the effect of the corneocytes with the one of the extracellular matrix on the final surface properties, because of the size of the liquid drop. This work, performed in vitro on human skin explants provided by Pierre Fabre Dermo-Cosmetics, consists in understanding the wetting properties of the SC from macroscopic and nanoscopic points of view. Initially, it is compulsory to thoroughly describe at different scales the physical chemistry of our material, i.e. in vitro SC. Then, knowing that macroscopic contact angles are sensitive to the pH of the liquid probe, the first aim of this work is to determine the “macroscopic pKa values” of the SC, both in vitro and in vivo. Consequently, dynamic contact angles are measured between test-liquid drops (aqueous solutions ranging from pH 1 to pH 13) and the SC in order to obtain the contact angle titration curve of the SC. The same procedure is applied in vivo on SC suffering from skin dryness (xerosis), the results being compared to those obtained previously on safe skin. The second purpose of this study is to reach the pKa values of the different functional groups located on the complex-cornified envelope. This consists in measuring adhesion forces between an AFM (Atomic Force Microscopy) tip (functionalized with specific groups, such as amine, carboxylic acid, hydroxyl, methyl or amide groups) and single-isolated corneocytes through buffered liquid media (ranging from pH 1 to pH 13). As previously, such titration curves are realised on corneocytes coming from safe skin, but also from dry skin. The variations observed in the contact angle titration and chemical force titration curves will be discussed in terms of acid-base, electrostatic interactions and hydrogen bondings. The comprehension of the pH-dependent properties of the SC shall provide a better understanding of the role of individual corneocytes in the final surface properties of the SC.

L’Hydroxypropyle méthylcellulose (HPMC) constitue un des polymères les plus utilisés pour la production de films destinés aux applications pharmaceutiques (gélules, comprimés, etc.). Afin de contrôler les propriétés physico-chimiques de films HPMC, des additifs sont fréquemment incorporés pendant la formulation du film: ce sont dans la plupart des cas un lubrifiant hydrophobe (acides gras) ou un plastifiant hydrophile (le polyéthylène glycol). L’objectif principal de ce travail est d’étudier les propriétés physico-chimiques en volume et en surface des films HPMC formulés aux échelles nanoscopique et macroscopique. Les propriétés volumiques concernent l’isotherme de sorption de l’eau, le taux de transmission de la vapeur d’eau, les propriétés thermiques et mécaniques des films. Les caractéristiques de surface ont été exploitées en termes de structuration, morphologie, séparation de phase, énergie de surface, adhésion et friction de films HPMC formulés. A l’échelle nanoscopique, la microscopie à force atomique en mode contact et en mode friction est un outil puissant pour étudier la nanoadhésion et la nanofriction. A l’échelle macroscopique, le test de tack et le tribomètre ont permis d’accéder aux propriétés d’adhésion et tribologiques. La présente étude souligne que les propriétés de films HPMC dépendent fortement de la nature et de la concentration de l’additif, et/ou de l’affinité avec l’eau. Elle montre aussi que la compatibilité HPMC-additif semble un facteur intéressant pour la variation des propriétés de surface de films HPMC formulés, et que la formulation est un moyen efficace pour contrôler les propriétés physico-chimiques de films à base de biopolymères. / Hydroxypropyl methylcellulose (HPMC) constitutes one of the most dedicated polymers used in the production of film coatings for pharmaceutical applications (capsules, tablets, etc.). In order to control the physicochemical properties of HPMC films, additives are frequently incorporated during film formulation: these are in most cases hydrophobic lubricant (like fatty acids) or hydrophilic plasticizer (like polyethylene glycol). The main objective of this work is to study the bulk and the surface physicochemical properties of HPMC formulated films at nanoscopic and macroscopic scales. Bulk properties include moisture sorption isotherms, barrier properties, thermal and mechanical properties. The surface characteristics have been explored in terms of structuration, surface morphologies, surface phase separation, surface energy, adhesion, and friction properties of HPMC-formulated films. At nanoscale, atomic force microscopy in contact mode and in friction mode is a powerful tool for studying nanoadhesion and nanofriction. At macroscale, tack test and pin-on-disk tribometer were conducted to access adhesion and tribological properties. The present study underlines the strong dependence of film properties on additive nature, concentration, and/or water sensitivity. It also shows that first the HPMC-additive compatibility seems to be an interesting factor behind the variation of surface properties of HPMC-formulated films, and second that formulation is an effective way to tune physicochemical properties of biopolymer-based films.

L'insuffisance cardiaque est un réel problème de santé publique avec 1 millions de patients souffrant de cette pathologie cette année en France. Elle est définie incapacité de fournir un débit sanguin suffisant à l'organisme. Cette diminution de débit est traduite par la perte de fonction contractile du coeur provoqué par la nécrose des cellules responsable de cette fonction : les cardiomyocytes. Dans cette étude j'ai pu étudier les modifications topographiques et biomécaniques de la membrane du cardiomyocyte vivant en amont de sa rupture lors de la nécrose, par une technologie issue des nanosciences : la microscopie à force atomique (AFM). Mes travaux ont fait apparaitre une membrane très structurée chez le cardiomyocyte sain et une perte de cette architecture dans un temps précoce de l'installation de l'insuffisance cardiaque. L'utilisation de la microscopie électronique à transmission à montrer que les anomalies mises en évidences par AFM ont pour origine un réarrangement mitochondriale. Dans une seconde étude je me suis intéressée à l'organisation oligomérique d'une famille particulière de récepteur transmembranaire, les récepteurs couplés aux protéines G. Ces protéines sont une des cibles privilégiées pour les traitements pharmacologiques de l'insuffisance cardiaque tel que le bêta-bloquants et les vasodilatateurs. Ce mécanisme d'oligomérisation pourrait être la clef des effets secondaires liés à ces traitements. Afin d'étudier la conformation oligomérique, j'ai utilisé la spectroscopie de force à l'échelle de la molécule unique pour mettre en évidence différentes populations oligomérique de ces récepteurs sur la surface membranaire. Les résultats ont montré une distribution des populations oligomériques en fonction des conditions (densité de plasmide codants pour les récepteurs/stimulation avec agoniste synthétique ou naturel). Il est possible qu'il y ait une régulation des voies de signalisations par l'oligomérisation des récepteurs activés. La différence d'activité possible de chaque population oligomérique (monomère/dimère/tétramère/hexamère) semble être une explication plausible aux effets secondaire des agents pharmacologique. Mes travaux de thèse ont permis la mise en évidence de nouvelle piste par une technologie innovante, la microscopie à force atomique, dans le traitement de l'insuffisance cardiaqu / Heart failure is a public health problem with 1 million patients this year in France. This pathology is defined inability to heart pump sufficiently to maintain blood flow to meet the body's needs. This decrease is explicated by the loss of contractile function of the heart, caused by the necrosis of the contractile cells: cardiomyocytes. In this study, I was able to study the topographic and biomechanical modification of the cardiomyocyte membrane upstream of its rupture during necrosis, by technology derived from nanosciences : atomic force microscopy (AFM). My work reveals a highly structured membrane in healthy cardiomyocytes and a loss of this architecture in an early stage of the heart failure installation. In a second study I was interested in the oligomeric organization of a transmembrane receptors family , G protein-coupled receptors. These proteins are a privileged target for the pharmacological treatments on heart failure such as beta- Blockers and vasodilators. This oligomerization mechanism could be the key to the side effects associated with treatments. In order to study the oligomeric conformation, I used single molecule force spectroscopy and I reveal different oligomeric populations of these receptors on the membrane. The results showed a oligomeric populations distribution according the conditions (plasmid density coding for receptors / stimulation with synthetic or natural agonist). It is possible that there is a regulation of the signaling pathways, using the oligomerization for specific activation receptors. The possible difference in activity of each oligomeric population (monomer / dimer / tetramer / hexamer) appears to be a plausible explanation for the side effects of pharmacological agents. My thesis work allowed the discovery of a new track by an innovative technology, atomic force microscopy, in the treatment of heart failure.

Ce travail de thèse a pour but de montrer comment des caractérisations nanomécaniques en AFM peuvent apporter une meilleure compréhension des relations structure-propriétés dans les polymères. Dans ce contexte, la technique elle-même et sa base théorique sont d'abord analysées pour mettre en œuvre une méthodologie robuste afin d'effectuer des mesures reproductibles. Deux études principales sont menées sur un thème commun : la compréhension des interactions entre les biopolymères et les liquides ioniques (ILs). Tout d'abord, la compatibilisation des mélanges PBAT/PLA par deux ILs différents (à savoir il-Cl et il-TMP) est étudiée. Les images AFM d'adhésion et de module local mettent en évidence les différentes microstructures, et soulignent que la compatibilisation résulte principalement d'une modification de l'interface PBAT/PLA, devenant une interphase cohésive. Ceci est dû à une interaction spécifique avec les cations et les anions de chaque liquide ionique, qui se situent préférentiellement au niveau de ces interphases. La deuxième étude porte plus précisément sur la modification du PBAT semi-cristallin par de petites quantités des mêmes liquides ioniques. Alors que il-TMP forme des nodules dissipatifs dispersés dans la matrice et une interphase cohésive avec celle-ci, il-Cl, miscible dans la phase amorphe du PBAT, augmente la mobilité de la chaîne dans la MAF (i.e. fraction amorphe mobile) et l'entrave dans la RAF confinée (i.e. fraction amorphe rigide), conduisant à des modifications intéressantes des propriétés macroscopiques. En plus de montrer certaines capacités intéressantes des ILs comme additifs dans les polymères, ces résultats dévoilent également un potentiel exceptionnel des caractérisations nanomécaniques en AFM pour la compréhension en profondeur des relations structure-propriétés dans les matériaux. / This thesis work aims to show how nanomechanical characterizations in AFM can provide a better understanding of structure-properties relationships in polymers. In this context, the technique itself and the associated theoretical basis are first analyzed to implement a robust methodology in order to perform reproducible, quantitative measurements. Two main studies are carried out around a common topic: the understanding of the interactions between biopolymers and ionic liquids (ILs). First, the compatibilization of PBAT/PLA blends by two different ILs (namely il-Cl and il-TMP) is studied. Adhesion and local modulus mappings evidence the resulting microstructures, and highlight that the compatibilization mainly results from a modification of the PBAT/PLA interface, becoming a coherent interphase. This is due to specific interaction with the cations and the anions of each IL, which are preferentially located at those interphases. The second study is more specifically about the understanding of the modification of semicrystalline PBAT by the addition of small amounts of the same ionic liquids. While il-TMP forms dissipative nodules dispersed into the matrix with a cohesive interphase between both, il-Cl, miscible into the amorphous phase of PBAT, amplifies the chain mobility in the bulky MAF (i.e. Mobile Amorphous Fraction) and hinders it in the confined RAF (i.e. Rigid Amorphous Fraction), leading to interesting macroscopical properties modifications. More than showing some interesting capabilities of ILs as additives in polymers, those results also show an outstanding potential of AFM nanomechanical mappings for the in-deep understanding of structure-properties relationships in materials.

Un microscope à force atomique (AFM) est utilisé pour caractériser des matériaux isolant ou semi-conducteur avec une résolution pouvant atteindre l'échelle atomique. Ce microscope est constitué d'un capteur de force couplé à une électronique de contrôle pour pouvoir correctement caractériser ces matériaux. Parmi les différents modes (statique et dynamique), nous nous focalisons essentiellement sur le mode dynamique et plus particulièrement sur le fonctionnement sans contact à modulation de fréquence (FM-AFM). Dans ce mode, le capteur de force est maintenu comme un oscillateur harmonique par le système d'asservissement. Le projet ANR Pnano2008 intitulé : ”Cantilevers en carbure de silicium à piézorésistivité métallique pour AFM dynamique à très haute fréquence" a pour objectif d'augmenter significativement les performances d'un FM-AFM en développant un nouveau capteur de force très haute fréquence. Le but est d'augmenter la sensibilité du capteur et de diminuer le temps nécessaire à l'obtention d'une image de la surface du matériau. Le système de contrôle associé doit être capable de détecter des variations de fréquence de 100mHz pour une fréquence de résonance de 50MHz. Etant donné que les systèmes présents dans l'état de l'art ne permettent pas d'atteindre ces performances, l'objectif de cette thèse fut de développer un nouveau système de contrôle. Celui-ci est entièrement numérique et il est implémenté sur une carte de prototypage basée sur un FPGA. Dans ce mémoire, nous présentons le fonctionnement global du système ainsi que ses caractéristiques principales. Elles portent sur la détection de l'écart de fréquence de résonance du capteur de force. / An atomic force microscope (AFM) is used to characterize insulating materials or semiconductors with a resolution up to the atomic length scale. The microscope includes a force sensor linked to a control electronic in order to properly characterize these materials. Among the various modes (static and dynamic), we focus mainly on the dynamic mode and especially on the frequency modulation mode (FM-AFM). In this mode, the force sensor is maintained as a harmonic oscillator by the servo system. The research project ANR Pnano2008 entitled: "metal piezoresistivity silicon carbide cantilever for very high frequency dynamic AFM" aims to significantly increase the performance of a FM-AFM by developing new very high frequency force sensors. The goal is to increase the sensitivity of the sensor and to decrease the time necessary to obtain topography images of the material. The control system of this new sensor must be able to detect frequency variations as small as 100mHz for cantilevers with resonance frequencies up to 50MHz. Since the state-of-the-art systems doe not present these performances, the objective of this thesis was to develop a new control system. It is fully digital and it is implemented on a FPGA based prototyping board. In this report, we present the system overall functioning and its main features which are related to the cantilever resonant frequency detection. This detection is managed by a phase locked loop (PLL) which is the key element of the system.

La miniaturisation de la structure de transistor MOS a conduit à l'amincissement de l’oxyde de grille. Ainsi, la dégradation et le claquage sous contrainte électrique est devenu l'un des problèmes de fiabilité les plus importants des couches minces d'oxydes. L'utilisation de techniques de caractérisation permettant de mesurer les courants de fuite avec une résolution spatiale nanométrique a montré que le phénomène de claquage des oxydes est un phénomène très localisé. Le diamètre des «points chauds», des endroits où le courant de fuite est très élevé pour une tension appliquée continue, peut-être de quelques nanomètres uniquement. Ceci illustre pourquoi les méthodes de caractérisation avec une résolution spatiale à l’échelle nanométrique peuvent fournir des informations supplémentaires par rapport à la caractérisation classique macroscopique. Il y a deux instruments, dérivés de la microscopie à force atomique (AFM) qui peuvent être utilisés pour faire ce travail, soit le Tunneling Atomic Force Microscope (TUNA) ou le Conductive Atomic Force Microscope (C-AFM). Le mode TUNA qui est utilisé dans notre travail est capable de mesurer des courants très faibles variant entre 60 fA et 100 pA. Notre travail peut être divisé en deux thèmes principaux: - La caractérisation électrique des couches minces d'oxydes high-k (LaAlO3 et Gd2O3) à l'échelle nanométrique en utilisant le Dimension Veeco 3100 où nous avons montré que la différence de leurs techniques d'élaboration influe largement sur le comportement électrique de ces oxydes. - Les caractérisations électriques et physiques à l’échelle nanométrique des couches minces d’oxydes thermiques SiO2 sous différentes atmosphères, c.à.d. dans l'air et sous vide (≈ 10-6 mbar) en utilisant le microscope Veeco E-Scope. L'influence de l’atmosphère a été bien étudiée, où nous avons montré que les phénomènes de claquage des couches minces d'oxydes peuvent être fortement réduits sous vide surtout en l'absence du ménisque d'eau sur la surface de l'oxyde pendant les expériences. En utilisant les plusieurs modes de l'AFM, il a été démontré que l'existence de bosses anormales (hillocks) sur la surface de l'oxyde après l'application d'une tension électrique est une combinaison de deux phénomènes: la modification morphologique réelle de la surface de l'oxyde et la force électrostatique entre les charges piégées dans le volume de l'oxyde et la pointe de l'AFM. Selon les images du courant obtenues par AFM en mode TUNA, deux phénomènes physiques pour la création de ces hillocks ont été proposés: le premier est l'effet électro-thermique et la seconde est l'oxydation du substrat Si à l’interface Si/oxyde. / Miniaturization of the MOS transistor structure has led to the high thinning of the gate oxide. Hence, degradation and breakdown under electrical stress became one of the important reliability concerns of thin oxide films. The use of characterization techniques allowing to measure leakage currents with a nanometric spatial resolution has shown that breakdown phenomenon of oxides is a highly localized phenomenon. So called “hot spots”, places where the leakage current is very high for a given applied continuous voltage, can be several nanometers wide only. This illustrates why nanometric characterization methods with a nanometer range spatial resolution provide additional information compared to the classical macroscopic characterization. There are two instruments that can be used to do this job, either the Tunneling Atomic Force Microscope (TUNA) or the Conductive Atomic Force Microscope (C-AFM). TUNA which is used in our work is capable to measure very low currents ranging between 60 fA and 100 pA. Our work can be divided into two principle topics: - Electrical characterization of thin high-k oxides (LaAlO3 and Gd2O3) at the nano-scale using the Veeco Dimension 3100 where we have shown that the difference in their elaboration techniques largely influence the electrical behavior of these oxides. - Nano-scale electrical and physical characterization of thin SiO2 thermal oxides in different surrounding ambient, that is in air and under vacuum (≈ 10-6 mbar) using the Veeco E-scope microscope. The influence of the experiment surrounding ambient has been well studied where we have shown that the breakdown phenomena of thin oxide films can be highly reduced under vacuum especially in the absence of the water meniscus on the oxide’s surface under study. Using different AFM modes, it was demonstrated that the existence of the well-known hillock (protrusions) on the oxide’s surface after the application of an electrical stress is a combination of two phenomena: the real morphological modification of the oxide’s surface and the electrostatic force between the trapped charges in the oxide’s volume and the AFM tip. Depending on the current images obtained by TUNA AFM mode, two physical phenomena for the creation of these hillocks have been proposed: the first is the electro-thermal effect and the second is the oxidation of the Si substrate at the Si/oxide interface.

La concentration locale des messagers chimiques sécrétés par les cellules peut être mesurée afin de mieux comprendre les mécanismes moléculaires liés à diverses maladies, dont les métastases du cancer. De nouvelles techniques analytiques sont requises pour effectuer ces mesures locales de marqueurs biologiques à proximité des cellules. Ce mémoire présentera le développement d’une nouvelle technique basée sur la réponse plasmonique sur des leviers AFM, permettant d’étudier les réactions chimiques et biologiques à la surface des leviers grâce au phénomène de résonance des plasmons de surface (SPR), ainsi qu’à la diffusion Raman exaltée par effet de pointe (TERS). En effet, il est possible de localiser l’amplification du signal Raman à la pointe d’un levier AFM, tout comme le principe de la diffusion Raman exaltée par effet de surface (SERS) basée sur la diffusion de la lumière par des nanoparticules métalliques, et permettant une large amplification du signal Raman. La surface du levier est recouverte d’une nano-couche métallique d’or, suivi par des réactions biologiques pour l’immobilisation d’un récepteur moléculaire, créant ainsi un biocapteur sur la pointe du levier. Une détection secondaire utilisant des nanoparticules d’or conjuguées à un anticorps secondaire permet également une amplification du signal SPR et Raman lors de la détection d’antigène. Ce mémoire démontrera le développement et la validation de la détection de l’immunoglobuline G (IgG) sur la pointe du levier AFM.Dans des projets futurs, cette nouvelle technique d’instrumentation et d’imagerie sera optimisée grâce à la création d’un micro-détecteur protéique généralement adapté pour l’étude de la communication cellulaire. En intégrant le signal SPR à la microscopie AFM, il sera alors possible de développer des biocapteurs SPR couplés à une sonde à balayage, ce qui permettra d’effectuer une analyse topographique et de l’environnement chimique d’échantillons cellulaires en temps réel, pour la mesure des messagers moléculaires sécrétés dans la matrice extracellulaire, lors de la communication cellulaire. / Measurement of the local concentration of chemical messengers secreted by cells may give a better understanding of molecular mechanisms related to different diseases, such as cancer metastasis. Current techniques are not suited to perform such measurements and thus, new analytical techniques must be developed. This Master’s thesis reports the development of a new technique based on the plasmonic response of atomic force microscopy (AFM) tips, which will ultimately allow monitoring of chemical and biological molecules on the surface of a cantilever by use of surface plasmon resonance (SPR) and tip-enhanced Raman scattering (TERS). Indeed, it is possible to localize the enhancement of the Raman signal on the AFM tip using principles associated to surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS), based on the absorption of light by nanometer-sized metal particles, resulting in a large enhancement of the Raman signal. The AFM tip was constructed by the deposition of a nanometer-size gold layer, followed by the assembly of a biosensor with a biomolecular receptor. Gold nanoparticles (AuNPs) conjugated with a secondary antibody served as the secondary detection step. In addition, the use of the gold nanoparticles for antigen detection allows an amplification of the SPR and Raman signals. This Master’s thesis will demonstrate the development and validation of a biosensor for immunoglobuline G (IgG) at the tip of an AFM cantilever.This thesis sets the basis for future projects, where this new imaging technique will be developed for monitoring cellular communication by exploiting the plasmonic signal at the AFM tip. Different biosensors will then be developed and coupled to an AFM probe for scanning the chemical environment and detect in real-time chemical messengers secreted in the extracellular matrix in cellular communication.