Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Verbesserung von Rastersondenmikroskopen durch den Anschluß eines Signalpfades für hochfrequente Wechselfelder (ca. 1 GHz). Dabei entstanden sowohl ein Hochfrequenzrastertunnelmikroskop (HF-STM), als auch ein Hochfrequenzkapazitätsmikroskop (HF-SCM). Das gemeinsame Funktionsprinzip dieser Mikroskope besteht in der Nutzung der Nahfeldwechselwirkungszone als Mischer für die hochfrequenten Signale. Dabei entstehen aus den Eingangssignalen neue Signale anderer Frequenz, die verstärkt und detektiert werden. Beim HF-STM werden diese Signale durch die Nichtlinearität der statischen Strom-Spannungskennlinie des Tunnelsüberganges hervorgerufen. Hieraus ergeben sich zwei neue Nutzungsmöglichkeiten im Vergleich zum herkömmlichen STM: Erstens lassen sich durch Vergleich mit den gleichzeitig aufgenommenen topographischen Bildern elektronische von topographischen Gegebenheiten unterscheiden. Zweitens ist ein Betrieb des HF-STM's auf leitenden Oberflächen möglich, zu denen jedoch keine leitende Verbindung besteht, wie beispielsweise Metallinseln auf einem Nichtleiter-geträgerten Katalysator. Im Falle des HF-SCMs konnte gezeigt werden, daß die detektierten Signale durch die Nichtlinearität der Kapazitäts-Spannungskennlinie des von Spitze und Substrat gebildeten MOS-Kondensators entstehen. Das Mikroskop läßt sich verwenden, um Schwankungen der Oxidschichtdicke oder laterale Dotierprofile in Halbleiterstrukturen abzubilden. Gegenüber dem herkömmlichen SCM bietet die Methode den Vorteil der freien Wahl der Arbeitsfrequenz, wodurch zusätzlich frequenzabhängige Messungen möglich werden. / This work concerns the developement and improvement of scanning probe microscopes by connecting a high frequency signal path (approx. 1 GHz) to the tip of the microscope. This allowed the construction of both, a high frequency scanning tunneling microscope (HF-STM) as well as a high frequency scanning capacity microscope (HF-SCM). The common priciple of the microscopes is the use of the nearfield zone as a mixing device for the high frequency signals. From the input signals new signals at other frequencies are generated, amplified and detected. In case of the HF-STM these signals are caused by the nonlinear current-voltage characteristics of the tunneling junction. The principle permits two new applications: First the comparison between conventional STM-pictures with the newly generated pictures of the same area allows to differantiate between topographic and electronic features of the surface. Second, the new method allows the imaging of conducting surfaces, even if there is no direct conducting conection. An example would be the imaging of metal clusters embedded in a nonconducting surface. In case of the HF-SCM it could be demonstrated that the detected signals are caused by the the nonlinear capacity-voltage dependence of the MOS-capacitor, formed by the substrate and the conducting tip. The microscope can be used to image changes of the oxide layer thicknes or lateral doping profiles in semicoductor devices. In comparison with the conventional SCM the new device is not restricted to one frequency and can therefore be used to carry out frequency-dependent measurements.

Ce travail expérimental s’est intéressé aux lésions osseuses produites par des scies et par une hachette, sur des échantillons humains et animaux. En ce qui concerne les scies, 170 faux départs ont été étudiés au stéréomicroscope en utilisant cinq scies différentes. Les scies universelles se comportent comme les scies à tronçonner, du fait de l’inclinaison vers l’arrière de chaque dent. La largeur minimum du faux départ permet de classer les lésions selon les catégories de Symes. Les profils convexes indiquent l’utilisation d’une scie universelle ou d’une scie à tronçonner. Les profils concaves sont beaucoup plus variés, et indiquent l’utilisation d’une scie à refendre. La forme des murs permet de déterminer le type d’avoyage sauf quand ils sont droits ou difficiles à analyser. Parmi les critères secondaires, l’aspect des stries au fond de la lésion s’est révélé de grande importance pour identifier le type d’avoyage. En ce qui concerne la hachette, nous avons utilisé un protocole standardisé produisant des lésions osseuses de petites dimensions. Le stéréomicroscope a constaté le caractère vertical des stries, qui s’explique par le mouvement vertical effectué par l’instrument au moment de l’impact. Le microscope électronique à balayage a permis de décrire parfaitement les lésions, de comprendre la surélévation des berges (« uprising ») et l’effet exercé à distance (« lateral pushing back »). La présence du latéral pushing back et de stries verticales permet d’affirmer que les lésions osseuses ont été produites par un instrument tranchant contondant. Ces caractères se pérennisent même après carbonisation. / In this experimental work bone lesions produced by saws and a hatchet on human and animal samples were analyzed. With regard to the saws, 170 experimental false starts lesions were studied under stereomicroscope produced by five different saws. Universal saws behave like crosscut saws, because each tooth displays a tilt backwards. The minimum width of the kerf makes it possible to classify bone lesions according to Symes’ categories. Convex profiles indicate the use of a universal or crosscut saw. Concave profiles vary a great deal and indicate the use of a rip saw. The shape of the walls allows for determining the type of set except when they are straight or difficult to analyze. Among the secondary criteria, the appearance of the striae on the kerf floor is able to point the type of set. For the study of bone lesions by a hatchet a standardized device was used to produce small bone lesions. The stereomicroscope was able to observe the vertical striae explained by the vertical movement of the instrument at the time of impact. The scanning electron microscope allowed for a detailed analysis of bone lesions and made it possible to understand the uprising and the lateral pushing back. The presence of a lateral pushing back and of vertical striae is sufficient to determine that the bone lesions were achieved by a sharp blunt instrument. These characters are visible even after carbonization.

Les techniques d'analyse des images présentées dans cette thèse sont élaborées dans le cadre du Projet Européen dédié au développement d'une plateforme automatique pour l'évaluation de la cristallisation des protéines membranaires. Un grand nombre d'échantillons est simultanément produit et évalué par microscopie électronique en transmission (MET). Pour rendre cette tache automatique, une analyse en ligne des images acquises est indispensable ; des régions d'intérêt essentielles pour le pilotage du microscope sont progressivement sélectionnées afin d'évaluer les cristaux de protéines a fort grossissement.L'observation de l'échantillon à moyen grossissement fournit des informations nécessaires pour la caractérisation du succès de la cristallisation 2D. Les objets résultants, et en particulier le gris. De plus, ces membranes sont pratiquement transparentes aux électrons et donc, apparaissent faiblement contrastées.Cette thèse présente un ensemble de techniques de traitement d'images pour leur analyse à moyen grossissement (5-15 nm/pixel). La contribution originale de ce travail est située sur i) une évaluation statistique des contours en mesurant la corrélation entre les niveaux de gris proche du contour et un filtre de gradient pour réduire le sur segmentation, ii) la reconnaissance des objets de l'image, iii) une étude préliminaire de classification. Cette chaîne est en cours de validation sur un prototype. / The image analysis techniques presented in the présent thesis have been developed as part of a European projeet dedicated to the development of an automatic membrane protein crystallization pipeline. A large number of samples is simultaneously produced and assessed by transmission electron microscope (TEM) screening. Automating this fast step implicates an on-fine analysis of acquired images to assure the microscope control by selecting the regions to be observed at high magnification and identify the components for specimen characterization.The observation of the sample at medium magnification provides the information that is essential to characterize the success of the 2D crystallization. The resulting objects, and especially the artificial membranes, are identifiable at this scale. These latter present only a few characteristic signatures, appearing in an extremely noisy context with gray-level fluctuations. Moreover they are practically transparent to electrons yielding low contrast. This thesis presents an ensemble of image processing techniques to analyze medium magnification images (5-15 nm/pixel). The original contribution of this work lies in: i) a statistical evaluation of contours by measuring the correlation between gray-levels of neighbouring pixels to the contour and a gradient signal for over-segmentation reduction, ii) the recognition of foreground entities of the image and iii) an initial study for their classification. This chain has been already tested on-line on a prototype and is currently evaluated.

<p>Gold nanoparticles exhibit remarkable optical properties and could prove useful in sensitive biosensing applications. Upon illumination gold nanoparticles produce localized surface plasmons, which influence nearby fluorophores and an enhancement in their fluorescence intensity can be observed. This property makes gold nanoparticles attractive for enhancing optical signals.</p><p>In this project gold nanoparticles were functionalized with an antibody and immobilized to the surface of an existing biochip platform based on fluorescence. The aim was to investigate the possibility of obtaining an increased fluorescence signal from the gold nanoparticles. Two different conjugation procedures were investigated, direct physisorption and covalent attachment of the antibodies to the particles. Activity of bound antibodies was confirmed in both cases.</p><p>The on-chip fluorescence intensity produced by the different conjugates was monitored by use a specialized fluorescence reader designed for point-of-care use. AFM and SEM were used to determine the surface concentration of particles. A correlation between the produced fluorescence intensity and the surface concentration could be seen.</p>

Gold nanoparticles exhibit remarkable optical properties and could prove useful in sensitive biosensing applications. Upon illumination gold nanoparticles produce localized surface plasmons, which influence nearby fluorophores and an enhancement in their fluorescence intensity can be observed. This property makes gold nanoparticles attractive for enhancing optical signals. In this project gold nanoparticles were functionalized with an antibody and immobilized to the surface of an existing biochip platform based on fluorescence. The aim was to investigate the possibility of obtaining an increased fluorescence signal from the gold nanoparticles. Two different conjugation procedures were investigated, direct physisorption and covalent attachment of the antibodies to the particles. Activity of bound antibodies was confirmed in both cases. The on-chip fluorescence intensity produced by the different conjugates was monitored by use a specialized fluorescence reader designed for point-of-care use. AFM and SEM were used to determine the surface concentration of particles. A correlation between the produced fluorescence intensity and the surface concentration could be seen.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la manipulation submicronique (de 100nm à 10µm). Les spécificités de cette échelle (absence de vision temps réel etde mesure d'efforts) ont conduit l'ISIR à envisager ces thématiques autour de deux plateformes. La première, NanoMAD, dédiée aux objets de 500nm et plus sous microscope optique. Elle est dotée d'un préhenseur monodigital et d'une mesure des efforts normal et latéral, via un système laser/photodiode. La seconde, issue du projet européen NanoRAC est dédiée à la manipulation/caractérisation de nanotubes de carbone sous SEM. Elle est dotée d'une micropince sans capteur d'effort. Pour y remédier, elle est couplée à un environnement virtuel et à une interface haptique afin d'appliquer des déplacements et de ressentir des efforts recréés à partir de différents modèles. Ces plateformes permettent d'étudier différentes méthodes de calibration, de manipulation/caractérisation dynamiques, de comparer le ressenti d'efforts réels ou simulés.

La thèse traite d'un point de vue expérimental la dynamique d'aimantation induite par laser femtoseconde de nanostructures magnétiques. En premier lieu, nous nous sommes intéressés à la dynamique de spins dans des plots ferromagnétiques individuels de CoPt3 et de permalloy (le diamètre varie de 0.25 à 30 Μm). Le montage expérimental consiste en des mesures magnéto-optique Kerr pompe sonde en géométrie confocale (la résolution spatiale est 300 nm ; la résolution temporelle est 150 fs). Nous avons montré que la dynamique d'aimantation dépend fortement de la densité d'excitation laser notamment le temps de relaxation spin-réseau et la fréquence de précession. Nous avons également étudié l'expansion spatiale de la désaimantation dans un plot individuel. De plus, nous avons développé une technique d'imagerie résolue en temps permettant d'étudier le renversement d'aimantation dans des films et plots individuels de CoPt. Nous avons exploré l'effet des différents paramètres : intensité laser, champ magnétique appliqué, et la nature cristalline du substrat (alliage, multicouches) sur le renversement d'aimantation. Enfin, nous avons étudié par microscope à force magnétique la structure des domaines magnétiques induite par laser. <br />Nous avons également étudié la dynamique cohérente d'aimantation de nanoparticules magnétiques (le diamètre moyen varie de 2 à 10 nm) excitées par des impulsions laser. L'analyse de la trajectoire d'aimantation dans les trois directions de l'espace (polaire, longitudinal, transverse) après l'excitation optique (> 120 fs) nous a permis de mettre en évidence la désaimantation ultrarapide (~ 200 fs), le mouvement gyroscopique de l'aimantation (précession et l'amortissement de l'aimantation) qui précède les fluctuations super-paramagnétiques. Nous avons exploré le rôle de l'anisotropie magnétique sur la réorientation initiale de l'aimantation et nous avons montré que le damping augmente avec la diminution de la taille de particules.

Les métastases sont responsables de 90 % des décès causés par le cancer. Les métastases sont des foyers cancéreux secondaires qui se forment à distance de la tumeur d’origine. Des cellules cancéreuses quittent la tumeur primaire, rejoignent la circulation sanguine puis colonisent des organes voisins par migration à travers l’endothélium vasculaire. Ce phénomène d’adhésion à l’endothélium et de migration à travers l’endothélium appelé l’extravasation est une étape clé du processus métastatique. L’identification des molécules impliquées constitue une priorité dans le but d’élaborer de nouvelles drogues anticancéreuses. Nous avons précédemment montré que la molécule d’adhésion cellulaire InterCellular Adhesion Molecule-1 (ICAM-1) exprimée par les cellules endothéliales, est impliquée dans l’interaction des cellules de cancer de la vessie (BCs) avec l’endothélium. Cependant les ligands d’ICAM-1 n’ont pas été étudiés. Dans cette étude, nous utilisons des tests d'adhésion cellulaire et la microscopie à force atomique (AFM) afin d’identifier les ligands d’ICAM-1 et de mesurer les forces impliquées dans l’interaction ligand-ICAM-1. Nous avons identifié que les protéines MUC1 et CD43 exprimées par les BCs les plus invasives se lient à ICAM-1 en développant des forces d’intensité différente selon le couple considéré. Une analyse détaillée des événements de rupture suggère que CD43 est fortement lié au cytosquelette et que son interaction avec ICAM-1 correspond principalement à des sauts brusques. Au contraire, MUC1 semble être lié faiblement au cytosquelette et ses interactions avec ICAM-1 sont principalement associées à la formation de filaments membranaires ou « tethers ». Les forces mises en jeu lors de la migration des cellules cancéreuses à travers l'endothélium ont été étudiées par microscopie de forces de traction (TFM). Les résultats préliminaires montrent que les tractions exercées par les cellules cancéreuses lors de l’extravasation sont mesurables par TFM. / Cancer metastasis is associated with 90% cancer-associated deaths, when cancer cells escape from the primary tumor and form metastatic colonies in secondary sites. Extravasation is an important step in cancer metastasis, where cancer cells carried in blood, adhere and transmigrate through the endothelium. Therefore identifying the key molecules involved during the adhesion process could enable to develop new anticancer cancer drugs able to inhibit the adhesion of cancer cells to the endothelium. We have previously shown that InterCellular Adhesion Molecule-1 (ICAM-1) expressed by endothelial cells is involved in the interactions of bladder cancer cells (BCs) with the endothelium. However the ICAM-1 ligands have never been investigated. In this study, we combined adhesion assays and Atomic Force Microscopy (AFM) to identify the ligands involved and to quantify the forces relevant in such interactions. We report the expression of MUC1 and CD43 on BCs and demonstrate that these ligands interact with ICAM-1 to mediate cancer cell-endothelial cell adhesion in the case of the more invasive BCs. AFM experiments were performed to quantify the force ranges involved by MUC1 and CD43 during their interaction with ICAM-1. AFM measurements combined with a Gaussian Mixture Model showed distinct force ranges for the interaction of ICAM-1 with MUC1 and ICAM-1 with CD43. Furthermore, a detailed analysis of the rupture events suggests that CD43 is strongly connected to the cytoskeleton and that its interaction with ICAM-1 mainly corresponds to force ramps followed by sudden jumps. On the contrary, MUC1 seems to be weakly connected to the cytoskeleton as its interactions with ICAM-1 are mainly associated with the formation of tethers. The forces involved during the transmigration of cancer cells through the endothelium was investigated using Traction Force Microscopy (TFM). Preliminary results showed that tractions exerted by cancer cells during transmigration can be studied and quantified using TFM.

Les dernières années ont vu l'avènement des couches cristallines bidimensionnelles, appelées matériaux 2D. L'exemple le plus connu est le graphène, d'autres étant le nitrure de bore hexagonal isolant et le diséléniure de niobium supraconducteur. Ces matériaux 2D peuvent être empilés de manière contrôlée sous la forme d'hétérostructures de van der Waals pour obtenir les propriétés électroniques désirées. L’une des plus simples hétérostructures de van der Waals est l'empilement de deux couches de graphène tournées. Cet empilement donne naissance à un moiré qui peut être vu comme un potentiel superpériodique dépendant de l'angle entre les deux couches. Les propriétés électroniques des couches tournées de graphène sont intimement liées à ce moiré.Le sujet de cette thèse est l'étude expérimentale du lien entre la structure et les propriétés électroniques des couches tournées de graphène par Microscopie et Spectroscopie à effet tunnel à basse température.Alors que l'effet de l'angle entre les couches sur les propriétés électroniques a déjà été étudié en détail, la modification de celles-ci par une déformation des couches n'a été envisagée que récemment. La première partie de ce travail expérimental étudie la modification par la déformation des propriétés électroniques de couches de graphène tournées d'un angle de 1.26° crûes sur carbure de silicium. La déformation en question est différente dans les deux couches et son effet apparait clairement dans la densité locale d'états électroniques du moiré. Contrairement à une déformation appliquée identiquement aux deux couches, une différence de déformations entre les couches (déformation relative) modifie fortement la structure de bandes même à faibles valeurs de déformations. Alors que la déformation relative était spontanément présente, la deuxième partie de cette thèse s'intéresse à l'effet d'une déformation appliquée directement aux couches de graphène. Cette déformation vient d'une interaction induite par l'approche de la pointe STM vers la surface de graphène. La modification active de la densité d'états qui en résulte dépend de la position de la pointe dans le moiré avec l'apparition d'instabilités périodiques lorsque la distance entre la pointe et l'échantillon est très faible.La troisième partie de cette thèse concerne l'étude d'un autre type de modification des propriétés électroniques consistant en l'induction de supraconductivité dans les couches de graphène. Cette modification est effectuée par une croissance du graphène en une seule étape sur du carbure de tantale supraconducteur. Les résultats montrent la formation d'une couche de carbure de tantale de grande qualité sur laquelle les couches de graphène forment des moirés. La mesure à basse température de la densité d'états de ces moirés montre la présence d'un effet de proximité supraconducteur induit par le carbure de tantale. / Recent years have seen the emergence of two-dimensional crystalline layers, called 2D materials. Examples include the well-known graphene, insulating hexagonal boron nitride and superconducting niobium diselenide. The stacking of these 2D materials can be controlled to achieve desirable electronic properties under the form of van der Waals heterostructures. One of the simplest van der Waals heterostructures is the misaligned stacking of two graphene layers. Twisted graphene layers show a moiré pattern which can be viewed as a superperiodic potential that depends on the twist angle. The electronic properties of the twisted graphene layers are strongly linked to this moiré pattern.The subject of the present thesis is the experimental study of the link between the structural and the electronic properties of twisted graphene layers by means of low-temperature Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy (STM/STS).While the effect of the twist angle has already been studied in great details, the modulation of the electronic properties by the deformation of the layers has been explored only recently. In the first part of this experimental work, a strain-driven modification of the electronic properties is probed in graphene layers with a twist angle of 1.26° grown on silicon carbide. The determined strain is found to be different in the two layers leading to a clear signature in the local electronic density of states of the moiré even at low strain magnitudes. Contrary to a strain applied in the two layers, this difference of strain between the layers (relative strain) modifies strongly the electronic band structure even at low strain magnitudes. While this relative strain is natively present, the second part of the work explores the effect of an applied strain in the layers. This is realized by approaching the STM tip to the graphene surface to trigger an interaction between the two. The resulting active modification of the density of states is shown to depend on the position on the moiré, leading to periodic instabilities at very low tip-sample distances.In the third part of the work, another type of modification of the electronic properties is studied when superconductivity was induced in the graphene layers. This is done by growing graphene on superconducting tantalum carbide in a single-step annealing. The results show the formation of a high-quality tantalum carbide layer on which graphene layers form moiré patterns. The low-temperature density of states of these moirés show evidence of a superconducting proximity effect induced by the tantalum carbide.

L’objectif de ce travail est d’obtenir un modèle 3D d’un objet à partir d’une série d’images prisesavec un Microscope Electronique à Balayage (MEB). Pour cela, nous utilisons la technique dereconstruction 3D qui est une application bien connue du domaine de vision par ordinateur.Cependant, en raison des spécificités de la formation d’images dans le MEB et dans la microscopieen général, les techniques existantes ne peuvent pas être appliquées aux images MEB. Lesprincipales raisons à cela sont la projection parallèle et les problèmes d’étalonnage de MEB entant que caméra. Ainsi, dans ce travail, nous avons développé un nouvel algorithme permettant deréaliser une reconstruction 3D dans le MEB tout en prenant en compte ces difficultés. De plus,comme la reconstruction est obtenue par auto-étalonnage de la caméra, l’utilisation des mires n’estplus requise. La sortie finale des techniques présentées est un nuage de points dense, pouvant donccontenir des millions de points, correspondant à la surface de l’objet. / The goal of this work is to obtain a 3D model of an object from its multiple views acquired withScanning Electron Microscope (SEM). For this, the technique of 3D reconstruction is used which isa well known application of computer vision. However, due to the specificities of image formation inSEM, and in microscale in general, the existing techniques are not applicable to the SEM images. Themain reasons for that are the parallel projection and the problems of SEM calibration as a camera.As a result, in this work we developed a new algorithm allowing to achieve 3D reconstruction in SEMwhile taking into account these issues. Moreover, as the reconstruction is obtained through cameraautocalibration, there is no need in calibration object. The final output of the presented techniques isa dense point cloud corresponding to the surface of the object that may contain millions of points.