Les nanofils nitrures, de par leurs propriétés mécaniques et piézoélectriques exceptionnelles, sont des nanomatériaux très prometteurs pour la réalisation de dispositifs piézogénérateurs ultra-compacts et de haute efficacité. Les nanofils de GaN étudiés dans cette thèse sont synthétisés par épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma. Grâce à des caractérisations employant un AFM résiscope spécialement adapté, nous démontrons le fort potentiel des nanofils de GaN dopés de type-n et dopés de type-p pour convertir une énergie mécanique en énergie électrique. Nous confirmons la corrélation entre la polarité des nanofils, leurs dopages et l'établissement du potentiel piézoélectrique dans les nanostructures. Nous étudions également la capacité de récupération de l'énergie générée par les nanofils, qui se fait au travers d'une diode Schottky de dimension nanométrique. De ce nanocontact, résulte une conduction à l'interface métal/semi-conducteur accrue et donc une meilleure collection de l'énergie piézogénérée par les nanofils de GaN. Enfin, en nous basant sur les mécanismes de piézoconversion mis en évidence, nous fabriquons un piézogénérateur intégrant un réseau de nanofils verticaux de GaN et fonctionnant sous compression. Le prototype délivre une densité de puissance de l'ordre de 12,7 mW/cm3, ce qui le place à l'état de l'art des piézogénérateurs à base de nanofils nitrures. / Nitride nanowires are a promising material for the fabrication of efficient and compact piezogenerators. Their tremendous piezoelectric and mechanical properties give them the ability to convert efficiently mechanical energy into electrical energy. The piezoelectric material studied in this thesis is GaN, synthetised as nanowires by PA-MBE. Thanks to an adapted AFM résiscope, we show the great potential of nitride nanowires for piezogeneration and the correlation between the polarity of the nanostructure, its deformation and the establishment of the piezopotential. We also study the harvesting efficiency of the nanostructures’ polarization, through a nanometric Schottky contact. Due to scale effects, this Schottky nanocontact shows a reduced barrier height and resistance, which lead to an enhanced conduction and thus to a better harvesting of the piezoelectric energy generated by the GaN nanowires. Based on the understanding of those mechanisms, we have built a piezogenerator integrating a vertical array of p-type GaN nanowires, embedded in HSQ resist and with their top connected by a Pt metallic electrode, leading to a Schottky contact. This prototype delivered a power density of about 12,7 mW.cm-3, which is the state of the art for GaN nanowires based piezogenerator.

Récemment, un grand nombre d'objets de taille nanométrique, incluant les nanoparticules, les films minces, les dispositifs nanostructurés, présentant des phénomènes de commutation impliquant différents états de spin, ont été développé pour des applications dans le domaine des capteurs et des systèmes nanophotoniques, nanoélectroniques et nanomécaniques. En effet, Ces nanomatériaux à conversion de spin présentent une dépendance en taille des propriétés physico-chimiques très intéressantes. Même si l'origine du phénomène de conversion de spin est purement moléculaire, le comportement macroscopique de ces systèmes à l'état solide est fortement influencé par les interactions intermoléculaires élastiques. On s'attend donc à ce que les propriétés coopératives et, de manière plus générale, le diagramme de phase, soient très dépendantes de la taille du système. Au-delà de la stabilité des phases, les cinétiques de transformation dépendent également de la taille du système. Dans ce contexte, des interactions élastiques fortes conduisent dans de nombreux cas à des transitions de type premier ordre accompagnées par une séparation de phase hétérogène. Les détails du mécanisme de la dynamique spatio-temporelle associée à la transition de spin restent encore inexplorés. L'ensemble de ces phénomènes observés dans les matériaux à transition de spin demande des méthodes de caractérisation possédant une capacité d'imagerie d'une grande résolution spatiale afin d'aller au-delà des techniques de microscopie optique en champ lointain habituellement employées. Par conséquence, l'objectif global de cette thèse de doctorat est de développer de nouvelles approches qui permettent de détecter le phénomène de transition de spin avec une résolution spatiale nanométrique. Pour observer la transition de spin thermique dans les films minces, nous avons utilisé pour la première fois la microscopie optique en champ proche (NSOM en Anglais) ainsi que la microscopie à force atomique (AFM en Anglais) en conjonction avec des dispositifs originaux de chauffage à l'échelle du nanomètre, conçus à partir de nanofils et fonctionnant par effet Joule. En utilisant ces techniques, le changement de l'état de spin a pu être observé avec une résolution sub-longueur d'onde au travers des changements des propriétés mécanique et optique des matériaux. Le NSOM en mode illumination, utilisé soit en luminescence ou en mode réflexion fournit un signal utile pour la détection du changement d'état de spin mais ne permet en revanche qu'une quantification limitée du phénomène en raison de l'instabilité des échantillons (photoblanchiment, ...) . D'un autre côté, les différents modes mécaniques AFM, incluant la spectroscopie à force rapide et l'analyse multifréquentielle, ont permis des mesures quantitatives et reproductibles avec une résolution nanométrique. En particulier, nous avons été capable de mesurer pour la première fois l'augmentation du module d'Young (env. 25-30%) observée lors de la transition de l'état Haut Spin vers l'état Bas Spin et nous avons utilisé cette propriété pour réaliser une imagerie quantitative de la transition de spin. Des mesures AFM ont été faites sur des monocristaux à transition de spin. Nous avons montré que les transferts thermiques entre la sonde et l'échantillon peuvent être utilisés pour manipuler la nucléation et la propagation des phases Haut et Bas Spin dans des cristaux. Par ailleurs, ces interactions sonde-échantillon rendent difficiles l'imagerie AFM de ces phénomènes. Néanmoins, les changements d'ordre topographique de la surface au cours de la transition de spin peuvent être observés et discutés en conjonction avec les résultats de spectroscopie Raman (cartographie) et microscopie optique en champ lointain. L'ensemble de ces résultats ouvre de nouvelles possibilités d'étude et de contrôle/manipulation de ces objets bistables à l'échelle du nanomètre / Recently a variety of nanoscale objects, including nanoparticles, thin films and nanometric assemblies, exhibiting molecular spin-state switching phenomena have been developed for applications in sensors, nanophotonic, nanoelectronic and nanomechanical systems. These spin crossover nanomaterials have been also reported to exhibit interesting size-dependent properties. Indeed, even if the origin of the spin crossover phenomenon is purely molecular, the macroscopic behavior of these systems in the solid state is strongly influenced by elastic interactions between the molecules. These cooperative properties and, in general, the phase diagram are expected to depend strongly on the size of the material. Beyond the phase stability, the transformation kinetics is likely to display also size dependence. Indeed, the strong elastic interactions in these materials lead, in many cases, to first-order phase transitions and phase separation phenomena. Details of the associated spatio-temporal dynamics of spin crossover systems remain largely unexplored. All these size dependent and spatially heterogeneous phenomena in spin crossover materials call for appropriate characterization methods with high spatial resolution imaging capability, but to date only far-field optical microscopy has been used to this aim. Hence, the overall objective of this PHD thesis was to develop new approaches allowing to trigger and detect the spin crossover phenomenon with nanometric spatial resolution. For the detection of the thermally induced spin crossover in thin films, we used for the first time Near-Field Scanning Optical Microscopy (NSOM) and Atomic Force Microscopy (AFM) in conjunction with an original nano-heater device, based on Joule-heated metallic nanowires. Using these techniques the spin-state change in the films was inferred with sub-wavelength resolution through the associated optical and mechanical property changes of the material. Apertured NSOM used either in luminescence or reflectivity mode provided useful signal for detecting the spin-state switching phenomena, but rather limited quantification was possible due to sample stability issues (photobleaching, etc). On the other hand, AFM mechanical modes, including fast force spectroscopy and multifrequency analysis, allowed for quantitative and well-reproducible measurements with nanometric resolution. In particular, we have measured for the first time the increase of the Young's modulus (ca. 25-30 %) when going from the high spin to the low spin state and used this property for quantitative imaging of the spin transition. AFM measurements were also performed on spin crossover single crystals. We have shown that probe-sample thermal interactions can be used to manipulate the nucleation and propagation of the high spin and low spin phases in the crystals. On the other hand, these interactions make for difficulties for the AFM imaging of these phenomena. Nevertheless changes of the surface topography during the spin transition can be observed and discussed in conjunction with far-field optical microscopy and Raman spectroscopy data. The ensemble of these results open up new possibilities for the investigation and manipulation of these bistable objects at the nanoscale.

Ce travail de thèse porte sur les divers aspects de l'application de la microscopie à force atomique (AFM), pour la caractérisation de semi-conducteurs organiques et de réseaux d’ADN, pour des applications en électronique organique et en biologie. Sur ces surfaces molles, le mode de fonctionnement Amplitude modulation de l’AFM a été choisi. Ce choix est argumenté par une étude des processus dissipatifs, réalisée sur un échantillon particulier, une puce à ADN. Nous avons montré l’influence des paramètres expérimentaux d’amplitude sur la qualité des images topographique et de phase. A partir du calcul de l’énergie dissipative, il a été montré que la dissipation sur la puce ADN était principalement induite par une interaction pointe-échantillon de type viscoélastique. L’étude par AFM de la croissance “thickness-driven“ du pentacène a été réalisée afin de relier sa morphologie à la nature du substrat et aux performances électriques pour la réalisation de transistors organiques à effet de champ, OFET (Organic Field EffectTransistor). Déposé sur deux substrats de polymères, le parylène et le benzocyclobutène (BCB), le pentacène a été caractérisé à l’échelle nanométrique pour des épaisseurs de film entre 6 et 60nm. Il a été démontré que les grains créés par le dépôt étaient les plus étendus pour une épaisseur déposée de 30nm. La spectroscopie AFM en mode contact a été utilisée, comme une alternative à la méthode des angles de contact, pour mesurer localement l'énergie de surface. Une énergie de surface minimale caractéristique d’une surface mieux ordonnée a été mesurée pour l’épaisseur de pentacène déposée de 30nm pour les deux substrats. Des méthodes spectrales d'analyse statistique d’images, à base de PSD (Power Spectrum Density), ont été utilisées pour expliquer la morphologie des films de pentacène. En outre, ces modèles ont fourni une description exhaustive non seulement de la surface accessible de l’échantillon, mais aussi de ses propriétés structurales intérieures. Mise en évidence dans les modèles, cette épaisseur critique de 30nm correspond à une transition de la phase orthorhombique à la phase triclinique pour les molécules de pentacène déposées surparylène. De même, une transition polymorphique se produit sur le BCB. Sur des OFET créés à base de pentacène sur BCB, la mobilité la plus importante de 3.1x10-2cm²/Vs correspond à la couche de pentacène de 30nm, ce qui montre l'avantage de l'moléculaire orthorhombique en comparaison du triclinique. L’assemblage moléculaire de structures en X et en Y à base d’ADN a été observé par AFM à l’air et dans deux solutions buffer de Tris et HEPES sur un substrat de mica. Il a été montré que le traitement du mica par des ions Ni2+ augmente la force d’interaction ADN/substrat et réduit la diffusivité des molécules. A l'air, des macromolécules filaires contenant une seule structure double brin sont observées sur le mica non traité et des macromolécules avec une géométrie 2D ramifiée, sur le mica prétraité. Sur une surface non-traitée, l’agitation thermique suffit à déplacer les molécules d’ADN faiblement liées au mica, ce qui conduit à la formation de structures plus simples 1D. L’organisation est différente dans les solutions de Tris et d’HEPES. Dans la solution deTris, contenant des cations Mg2+, les arrangements conduisent à une architecture 2D, bien organisée. Dans la solution d’HEPES, contenant des cations Ni2+, la force ionique est 10 fois plus faible, qui conduit à une rupture des liaisons préalablement formées entre le mica et l'ADN. Cependant, les molécules d'ADN restent les unes près des autres en raison d'une substitution partielle des cations de Mg2+ déjà adsorbés par les cations de Ni2+ de plus grande affinité avec le mica. [...] / This work reports the various aspects of the application of atomic force microscopy (AFM), for the characterization of organic semiconductors and DNA-based arrays, for organic electronics and biological applications. On these soft surfaces, the amplitude modulation AFM mode was chosen. This choice is argued by a study of dissipative processes, performed on a particular sample, a DNA chip. We showed the influence of experimental parameters on the topographic and phase image quality. By calculating the dissipative energy, it was shown that the dissipation on the DNA chip was mainly induced by a viscoelastic tip-sample interaction.The AFM study of the "thickness-driven” pentacene growth was made to link the morphology to the nature of the substrate and to the electrical performance of created pentacene-based Organic Field Effect Transistor (OFET). Deposited on two polymer substrates, parylene and benzocyclobutene (BCB), pentacene has been characterized for nanoscale film thicknesses between 6 and 60nm. It has been shown that the larger grains were created for a deposited thickness of 30nm. Spectroscopic AFM mode was used as an alternative to the method of contact angles, to measure local surface energy. Decrease of surface energy is characteristic of a more ordered surface and was measured for a thickness of 30 nm of pentacene deposited on both substrates. Models of statistical analysis of spectral images, based on the Power Spectrum Distribution (PSD) have been used to explain the morphology of pentacene films. In addition, these models have provided a comprehensive description not only of the accessible surface of the sample, but also of its internal structural properties. Highlighted in the models, the critical thickness of 30 nm corresponds to a transition from the orthorhombic phase to the triclinic phase for pentacene molecules deposited on parylene. Similarly, a polymorphic transition occurs on the BCB. On OFETs, based on pentacene on BCB, the largest mobility of 3.1x10-2 cm²/Vs corresponds to the pentacene layer of 30nm, that shows a better ordering of the orthorhombic molecular packing in comparison with the triclinic packing.The molecular arrangement of X and Y structures based on DNA was observed, by AFM, in air and in two buffer solutions of Tris and HEPES on a mica substrate. It was shown that the treatment of the mica by Ni2 + ions increases the strength of the DNA/substrate interaction and reduces the diffusivity of the molecules. In air, wired macromolecules containing one double-stranded structure are observed on untreated mica and macromolecules with a 2D geometry on pretreated mica. Onto a non-treated, the greater thermal motion of weakly bounded to mica DNA molecules leads to the rupture of intermolecular bonding and the forming structures are more simple and not branched. The organization is different in solutions of Tris and HEPES. In the Tris solution, containing Mg2+ cations, the arrangement leads to a well-organized 2D architecture. In the HEPES solution, containing Ni2+ cations, the ionic strength is 10 times lower, this leads to a breaking of the bonds previously formed between DNA and mica. However, DNA molecules are near each other due to a partial substitution of already adsorbed Mg2 + cations by Ni 2 + cations of higher affinity with the mica. These results show that the two liquids promote a 2D assembly. In air, the networks are not stable and the few observed ones remain in a dendritic structure on the surface of pretreated mica and as a linear macromolecule on the untreated mica.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre des études portant sur la toxicité des nanoparticules (NPs). Leurs propriétés physico-chimiques confèrent aux NPs la capacité de pénétrer dans les cellules en traversant la membrane plasmique. La compréhension de l’interaction NPs-membrane est donc cruciale. La structure complexe des membranes nous a imposé d’étudier l’interaction NPs-membrane à l’aide de films lipidiques plans (monocouches et bicouches) utilisés comme modèles membranaires simplifiés, déposés sur des surfaces nanostructurées par le dépôt préalable de NPs de silice (4 à 100 nm de diamètre) ou transférés à partir de monocouches étalées sur une suspension de NPs. Deux méthodes complémentaires ont été utilisées, la microscopie de force atomique (AFM) et la microscopie de fluorescence. Après une première phase d’optimisation des protocoles expérimentaux (choix des lipides, conditions de préparation des surfaces nanostructurées et des films), l’AFM a d’abord révélé l’oxydation des films monocouches constitués de lipides insaturés, se traduisant par la formation de domaines surélevés par rapport à la phase lipidique intacte. Dans le cas des films de lipides présentant une transition de phase de type liquide expansé/liquide condensé, la présence des NPs (le plus souvent sous forme d’agrégats) semble favoriser la transition vers la phase condensée, les NPs étant situés soit au coeur soit en lisière des domaines condensés.Dans le cas des bicouches, l’étude par AFM en milieu liquide montre des comportements tribologiques différents des agrégats de NPs, suggérant deux organisations possibles de la bicouche lipidique, recouvrant les NPs ou formant des pores autour d’elles. / The subject of this thesis fits into the large field of the toxicity of nanoparticles (NPs). Thanks to their physico-chemical properties, NPs are able to enter cells through the plasma membrane. Understanding the NPs-membrane interaction is thus very important. Membranes being complex structures, we chose to study this interaction using planar lipid films (monolayers and bilayers) as simplified membrane models, either deposited on nanostructured surfaces prepared by the prior deposition of silica NPs or transferred from monolayers spread on a subphase containing NPs (4-100 nm in diameter). Two complementary methods were used, atomic force microscopy (AFM) and fluorescence microscopy.After a first part devoted to the optimization of the experimental procedure (choice of lipids, design of nanostructured surfaces and films), AFM first revealed the oxidation of transferred monolayers made of unsaturated lipids, leading to the formation of domains raised above the intact lipid phase. In the case of films made of lipids characterized by a liquid expanded/liquid condensed phase transition, the presence of NPs (usually organized in aggregates) seems to favor the transition to the condensed phase, NPs being either embedded in condensed domains or at their edges.The final phase of this work was devoted to the study of NPs / bilayer interaction by AFM in liquid medium. The study shows different tribological behavior of NPs aggregates, suggesting two possible organizations of the lipid bilayer, covering the NPs or forming holes around them.

L'objectif du projet de doctorat est le développement d'une procédure innovante de mesure et post-traitement des données pour obtenir des informations quantitatives sur les paramètres magnétiques de nanoparticules magnétiques individuelles par l'utilisation de la Microscopie à Force Magnétique (MFM). Les nanoparticules magnétiques (MNP), grâce à leurs propriétés magnétiques particulières (monodomaine, superparamagnétisme, etc.) et leur taille nanométrique, conviennent à plusieurs applications biomédicales, telles que les systèmes d'administration de médicaments, les traitements de hyperthermie magnétique, l'étiquetage cellulaire, les agents de contraste pour l'imagerie a résonance magnétique (IRM). La conception de ces techniques requiert une connaissance détaillée des propriétés magnétiques des nanomatériaux utilisès, comme l'aimantation de saturation Ms, le champ magnétique de saturation Hs, la coercivité Hc. Les techniques standard, comme les dispositifs supraconducteurs à interférence quantique (SQUID) ou la magnétomètrie à échantillon vibrant (VSM), permettent la détection des propriétés magnétiques globales des populations de nanoparticules. Mais la détection des propriétés magnétiques des particules isolées n'est pas possible et l'évaluation de ces propriétés en fonction de la taille des particules n'est pas explicite. Grâce à sa résolution latérale nanométrique et sa capacité à détecter des champs magnétiques faibles, MFM est un outil puissant pour la caractérisation de dimensions de nanoparticules isolées, ainsi que leurs propriétés magnétiques. Cependant, une méthodologie pour obtenir des informations quantitatives sur les caractéristiques magnétiques de nanoparticules isolées par MFM n'a pas été individualisée, principalement en raison de i) la complexité des interactions pointe-échantillon qui affectent les mesures MFM et qui produisent également des phénomènes non magnétiques (par exemple, des interactions électrostatiques), et ii) l’absence d'un modèle théorique décrivant les interactions magnétiques entre la pointe et une nanoparticule de manière cohérente avec les données expérimentales détectées. Pour exploiter toutes le potentialités de la technique MFM en tant qu'instrument de nanométrologie magnétique, la stratégie proposée et suivie dans ce projet est organisée en 4 phases:1) a vérification théorique et expérimentale et la rationalisation des problemes ouvertes limitant l'applicabilité de la MFM à la caractérisation magnétique quantitative des NP individuels; Dans cette phase, la présence d'artefacts électrostatiques a été individualisée comme principale limite responsable de l'incohérence entre les données expérimentales et les modèles théoriques décrivant les interactions tip-NP. 2) le développement d'un appareil instrumental et d'une procédure de mesure pour évaluer et éliminer les contributions non magnétiques (électrostatiques) affectant quantitativement les données MFM; 3) l'individuation d'un modèle théorique décrivant l'interaction magnétique pointe-NP, cohérente avec les données expérimentales, et capable d'établir une relation précise entre les données mesurées et les paramètres physiques à déterminer (magnétisation dans le cas spécifique); 4) le développement d'une procédure pour mesurer quantitativement les propriétés magnétiques, et eventuellement d'autres paramètres, de nanoparticules isolées par MFM. Les résultats obtenus avec les procédures et les méthodologies présentées dans cette thèse ont démontré la possibilité de réaliser des mesures magnétiques quantitatives sur des NP magnétiques individuelles par la plateforme technologique MFM. / The objective of the PhD project is the development of a innovative measurement procedure and a data post-processing method to obtain quantitative information about the magnetic parameters of single magnetic nanoparticles through the use of the Magnetic Force Microscopy (MFM) technique. Magnetic nanoparticles (MNPs), thanks to their particular magnetic properties (single domains, superparamagnetism, etc.) and their nanometric size, are thought to be suitable for several biomedical applications, such as drug delivery systems, magnetic hyperthermia treatments, cell labelling, contrast agents for Magnetic Resonance Imaging (MRI). The design of these techniques requires a detailed knowledge on the magnetic properties of the adopted nanomaterials, like the saturation magnetization Ms, the saturation magnetic field Hs, the coercivity Hc. Standard techniques, like Superconducting Quantum Interference Devices (SQUID) or Vibrating Sample Magnetometer (VSM), to allow the detection of global magnetic properties of nanoparticles populations. Nevertheless, the detection of magnetic properties of single particles is not possible and the evaluation of the particle size dependence is not explicit. Thanks to its nanometric lateral resolution and its capability to detect weak magnetic fields, MFM is a potential powerful tool for the characterization of single nanoparticles dimensions, together with their magnetic properties. However, a methodology to extract quantitative information about the magnetic characteristics of single nanoparticles through MFM has not been individuated, mainly because of the complexity of tip-sample interactions affecting MFM measurements, which produces also non magnetic phenomena (e.g. electrostatic interactions), and the lack of a theoretical model describing the magnetic tip-NP interactions consistently with the detected experimental data. In order to exploit all the potential capabilities of MFM as a magnetic nanometrology tool, the strategy proposed and followed in this project is organized in the following four phases: 1) the theoretical and experimental verification and rationalization of the open issues and the problems limiting the applicability of MFM to the quantitative magnetic characterization of single NPs; in this phase the presence of electrostatic artifacts has been individuated as the main limitation responsible for the inconsistency between experimental data and theoretical models describing the tip-NP interactions. 2) the development of an instrumental apparatus and a measurement procedure to evaluate and eliminate the non-magnetic (electrostatic) contributions quantitatively affecting the MFM data; 3) the individuation of a theoretical model describing the magnetic tip-NP magnetic interaction, coherent with the experimental data, and able to establish a precise relationship between the measured data and the physical parameters desired to be determined (magnetization in the specific case); 4) the development of a procedure to quantitatively measure the magnetic properties, and eventually other parameters, of single nanoparticles by MFM. The results obtained with the procedures and methodologies presented in this thesis demonstrated the possibility of performing quantitative magnetic measurements on single magnetic NPs by MFM technology platform. / L'obiettivo del progetto di dottorato è lo sviluppo di una procedura di misura innovativa e di un metodo di elaborazione dei dati al fine di ottenere informazioni quantitative sui parametri magnetici di singole nanoparticelle magnetiche attraverso l'uso della Microscopia a Forza Magnetica MFM. Le nanoparticelle magnetiche (MNPS), grazie alle loro particolari proprietà magnetiche (singolo dominio, superparamagnetismo, etc.) e le loro dimensioni nanometriche, stanno recentemente trovando grande applicazione in diverse tecniche in campo biomedico, come i sistemi di somministrazione mirata di farmaci, trattamenti di tumori tramite ipertermia magnetica, l'etichettatura cellulare, gli agenti di contrasto per la risonanza magnetica nucleare (MRI). Il design e l’ottimizzazione di queste tecniche richiede una conoscenza dettagliata delle proprietà magnetiche dei nanomateriali adottati, come la magnetizzazione di saturazione Ms, il campo magnetico di saturazione Hs, la coercitività Hc. Le tecniche standard, come i Superconducting Quantum Interference Devices (SQUID) o i magnetometro a vibrazione del campione (VSM), consentono il rilevamento delle proprietà magnetiche globali di numerose popolazioni di nanoparticelle. Ma il rilevamento delle proprietà magnetiche di singole particelle non è possibile e la valutazione di queste proprietà in dipendenza della dimensione delle particelle non è esplicito. Grazie alla risoluzione laterale nanometrica e la sua capacità di rilevare i campi magnetici deboli, la tecnica MFM rappresenta uno strumento ad elevato potenziale per la caratterizzazione delle proprietà magnetiche di singole nanoparticelle, insieme alle loro dimensioni. Tuttavia, un metodo per estrarre informazioni quantitative sulle caratteristiche magnetiche di singole nanoparticelle attraverso la tecnica MFM non è stato individuato, soprattutto a causa della complessità delle interazioni punta-campione che interessano le misurazioni e che possono dare luogo anche a contributi non magnetici (ad esempio interazioni elettrostatiche), e alla mancanza di un modello teorico in grado di descrivere le interazioni magnetiche punta-NP in modo coerente con i dati sperimentali rilevati. Al fine di individuare e superare i limiti della tecnica MFM che ne limitano l’utilizzo come strumento nanometrologico magnetico, la strategia proposta e seguita in questo progetto di dottorato è organizzata nelle seguenti 4 fasi: 1) la verifica teorica e sperimentale e la razionalizzazione delle problematiche che limitano l'applicabilità della tecnica MFM alla caratterizzazione magnetica quantitativa di singole NP; in questa fase la presenza di artefatti elettrostatici è stato individuata come il principale limite responsabile per la riscontrata l'inconsistenza tra i dati sperimentali e modelli teorici che descrivono le interazioni tip-NP. 2) lo sviluppo di un apparato strumentale e una procedura miosura per la valutazione ed eliminazione dei contributi elettrostaticie non magnetici che influiscono quantitativamente sui dati MFM; 3) l'individuazione di un modello teorico che descrive l'interazione magnetica punta-NP coerentemente con i dati sperimentali, e in grado di stabilire una relazione precisa tra i dati misurati e i parametri fisici che si desiderano misurare (magnetizzazione nel caso specifico); 4) lo sviluppo di un procedimento per misurare quantitativamente le proprietà magnetiche, ed eventualmente altri parametri, di singole nanoparticelle tramite MFM. I risultati ottenuti con le procedure e le metodologie presentate in questa tesi hanno dimostrato la possibilità di effettuare misure magnetiche quantitative su singole NP magnetiche facendo uso della piattaforma tecnologica MFM.

Les nombreuses morphologies périodiques des copolymères blocs sont bien connues. L'immiscibilité des blocs de nature chimique différente conduit à une séparation de phases à l'échelle moléculaire. Cette caractéristique propose une voix intéressante pour la préparation de surfaces nano-structurées. La couche monomoléculaire du poly(acrylate de tert-butyle)-bloc-poly(méthacrylate de méthyle) déposée à l'interface air-eau produit une séparation de phases en deux dimensions qui donne lieu à une surface composée de domaines. La taille de ces domaines correspond aux dimensions moléculaires qui sont elles-mêmes reliées aux masses moléculaires des blocs. Cette structure est conservée lors du transfert de la monocouche sur un substrat solide par la technique de Langmuir-Blodgett et la morphologie peut donc être étudiée par la microscopie à force atomique (AFM). Nos recherches portent sur l'étude de la taille et de l'organisation de ces domaines dans les films monomoléculaires. Nous avons synthétisé le poly(acrylate de tert-butyle) et le poly(acrylate de tert-butyle)-bloc-poly(méthacrylate de méthyle) par polymérisation anionique afin d'obtenir des échantillons monodisperses de différentes masses molaires. Par la suite, la morphologie des films minces monomoléculaires est étudiée par la microscopie à force atomique. Les images de microscopie à force atomique montrent une structure périodique composée de domaines. Étonnamment, des images semblables sont obtenues pour les échantillons d'homopolymères. Une hypothèse envisagée est que l'utilisation d'a-méthyle styrène lors de l'initiation de la polymérisation pourrait donner un très pefit bloc poly(a-méthyle styrène) au début de la molécule et ainsi induire la formation de micelles. Des images AFM de nouveaux polymères synthétisés sans l'a-méthyle styrène ne montrent pas la présence de domaines. Donc, il n'y aurait pas, dans ce cas, présence de micelles de surfaces à l'interface air-eau.

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.

La microscopie à force atomique (AFM) permet de visualiser la topographie d'échantillons organiqueset inorganiques à l'échelle atomique. Les innovations les plus récentes offrent désormais la possibilitéd'accéder aux propriétés nano-mécaniques des échantillons (élasticité, adhésion...). Son panel defonctionnalités permet de pallier aux besoins des nanotechnologies, tant dans les domaines de laphysique, de la chimie que de la biologie.Cependant, les besoins nécessaires à la compréhension des processus biologiques imposent aumicroscope à force atomique des vitesses d'acquisitions rapides, inférieures à la seconde par image. Leséquipements classiques n'offrent pas cette possibilité. C'est pour s'affranchir de ce verrou technologique,pour l'étude dynamique, qu'un prototype de microscope à force atomique à haute-vitesse a étédéveloppé (HS-AFM) en partenariat avec l'équipe du Professeur T. Ando à l'Université de Kanazawa(Japon). Il permet d'atteindre des vitesses de balayage identiques aux vitesses vidéos : 25-50 images/s, enmilieu liquide. Le dispositif est en perpétuelle amélioration : nouvelle boucle d'asservissement, domainesde balayage augmentés. La haute résolution est, quant à elle, assurée par des leviers miniaturisés munisde sur-pointes en carbone. Parallèlement à l'innovation du microscope en lui-même, des modulescomplémentaires ont été développés : module pousse seringue et module chauffant.Le potentiel de ce prototype, développé dans le cadre d'un programme ANR PNANO 2008 HSnanobio-Imaging, a été montré via l'étude d'une petite protéine de choc thermique : la protéine sHspLo18. Cette protéine, issue de la bactérie lactique Oenococcus oeni, offrait la possibilité d'étudier deschangements de degrés d'oligomérisation en fonction du pH, ainsi que le rôle chaperon et lipochaperonen cas de stress environnemental d'autres complexes biologiques. L'utilisation des techniques demicroscopie couplée à des études biochimiques sur ce modèle protéique a permis d'appréhender l'effetdes surfaces sur l'adsorption et la dynamique des complexes biologiques. L'interaction protéine - surfacea pu être approchée et s'avère utile au développement des capteurs à protéines

La microscopie à force atomique (AFM) permet de visualiser la topographie d’échantillons organiqueset inorganiques à l’échelle atomique. Les innovations les plus récentes offrent désormais la possibilitéd’accéder aux propriétés nano-mécaniques des échantillons (élasticité, adhésion…). Son panel defonctionnalités permet de pallier aux besoins des nanotechnologies, tant dans les domaines de laphysique, de la chimie que de la biologie.Cependant, les besoins nécessaires à la compréhension des processus biologiques imposent aumicroscope à force atomique des vitesses d’acquisitions rapides, inférieures à la seconde par image. Leséquipements classiques n’offrent pas cette possibilité. C’est pour s’affranchir de ce verrou technologique,pour l’étude dynamique, qu’un prototype de microscope à force atomique à haute-vitesse a étédéveloppé (HS-AFM) en partenariat avec l’équipe du Professeur T. Ando à l’Université de Kanazawa(Japon). Il permet d’atteindre des vitesses de balayage identiques aux vitesses vidéos : 25-50 images/s, enmilieu liquide. Le dispositif est en perpétuelle amélioration : nouvelle boucle d’asservissement, domainesde balayage augmentés. La haute résolution est, quant à elle, assurée par des leviers miniaturisés munisde sur-pointes en carbone. Parallèlement à l’innovation du microscope en lui-même, des modulescomplémentaires ont été développés : module pousse seringue et module chauffant.Le potentiel de ce prototype, développé dans le cadre d’un programme ANR PNANO 2008 HSnanobio-Imaging, a été montré via l’étude d’une petite protéine de choc thermique : la protéine sHspLo18. Cette protéine, issue de la bactérie lactique Oenococcus oeni, offrait la possibilité d’étudier deschangements de degrés d’oligomérisation en fonction du pH, ainsi que le rôle chaperon et lipochaperonen cas de stress environnemental d’autres complexes biologiques. L’utilisation des techniques demicroscopie couplée à des études biochimiques sur ce modèle protéique a permis d’appréhender l’effetdes surfaces sur l’adsorption et la dynamique des complexes biologiques. L’interaction protéine – surfacea pu être approchée et s’avère utile au développement des capteurs à protéines / The atomic force microscopy (AFM) gives access to the topography of organic and inorganic samplesat the atomic scale. The latest innovations offer the possiblity to understand the sample nano-mechanicalproperties (elasticity, adhesion...). Its feature set allows overcoming the demands of nanotechnology,both in the fields of physics, chemistry and biology.However, understanding biological processes require faster acquisitions for the atomic forcemicroscopy, less than a second per frame. As conventional equipment does not offer the possibility toovercome the constraint of time for dynamical studies, a prototype of high-speed atomic forcemicroscope (HS-AFM) was developed in partnership with Professor T. Ando group of Kanazawa University(Japan). It can reach scanning video speed: 25-50 frames/s in a liquid medium. The device is beingconstantly improved: new feedback control, larger scanning sizes. The resolution is provided byminiaturized cantilevers with carbon EBD-tips. In parallel to innovative modules on the microscope, addonshave been developed: syringe pump and heating modules.The potential of the prototype, developed within the framework of the program ANR PNANO 2008HS-nanobio-Imaging, has been shown through the study of a small heat shock protein: the protein sHspLo18. This protein, from the lactic acid bacterium Oenococcus oeni, offered the possibility of a variouschanges of oligomerization degrees according to the pH, and also the chaperone and lipochaperon activityof protein under the influence of an environmental stress. The use of these techniques of microscopiescoupled with biochemical studies on this proteic model allowed to dread the effect of surfaces on theadsorption and the dynamics of biological complexes. The interaction protein – surface coulb be toapprehend and proves to be useful for the development of protein sensors developed in the laboratory

Pendant que la menace potentielle du bioterrorisme augmente, il y a grand besoin d'un outil qui peut détecter les agents biologiques contaminants dans l'environnement de façon rapide, fiable et précise. Par contre, les méthodes traditionnelles utilisées nécessitent l'utilisation de laboratoires d'analyse sophistiquée, souvent dans des installations centralisées, ce qui demande un capital considérable et une main-d'oeuvre hautement qualifiée. Il est possible de développé des dispositifs basés sur les biocapteurs à faible coût et très efficace à la détection d'agents biologiques. De plus, ils peuvent être utilisés dans d'autres domaines, au jour le jour, tel pour la surveillance de contaminants dans les produits comestibles. Dans le but de résoudre ce problème, une nouvelle approche pour la fabrication d'un biocapteur optique a été développée. Celui-ci serait capable de détecter, de façon directe, des micro-organismes qui seraient immobilisés à sa surface plus rapidement et plus aisément qu'avec les méthodes conventionnelles. En effet, les expériences présentées visent la fabrication d'un biocapteur suite à la déposition de molécules biochimiques sur une hétérostructure de GaAs/ALGaAs. Le biocapteur ainsi produit tire parti de la photoluminescence émise par ce semi-conducteur quantique III-V pour la détection de microorganismes immobilisés spécifiquement et négativement chargés. La présente recherche est basée sur des techniques novatrices de biocapteurs pour lesquelles il existe peu de littérature. Les travaux expérimentaux et les explications théoriques se révèlent ainsi de nature très exploratoires. Les résultats préliminaires obtenus ont d'ailleurs été similaires aux prédictions initiales. De plus, les détails théoriques et explications physiques permettent de comprendre l'origine des résultats obtenus et d'établir, de manière convaincante, les procédures à suivre pour une architecture optimale. Je rapporte ainsi l'étude de la bio-fonctionnalisation du GaAs (001) visant l'immobilisation d'anticorps polyclonaux selon deux architectures différentes. De plus, les architectures proposées ont leurs régions actives ouvertes à l'environnement, pour permettre des mesures en continues et, en plus d'être des systèmes offrant la possibilité de multiplexage, offrent un potentiel de mesures en parallèle, pour un grand nombre de mesures en simultanées. Les résultats obtenus démontrent l'immobilisation réussie ainsi que la détection effectuée du virus de l' influenza A et des bactéries Escherichia coli et Legionella pneumophila respectivement. Enfin, les avantages et les limites de chaque architecture ont ensuite été détaillés.