Malgré l'enthousiasme croissant pour les nanotechnologies, les nanoparticules (NPs) peuvent interagir avec les systèmes biologiques et affecter leur comportement, et pourraient ainsi présenter un danger pour les écosystèmes et l’Homme. Il est donc essentiel de connaître leurs mécanismes d'interactions afin non seulement de prévenir leurs risques potentiels, mais également de bénéficier de leurs propriétés uniques, par exemple dans la conception des biocapteurs. Dans ce contexte, nous étudions la cytotoxicité des NPs de silice, de tailles et charges diverses, sur les propriétés des bactéries Escherichia coli et Bacillus subtilis, au moyen de la microscopie à force atomique et des tests de viabilité. Les NPs chargées négativement (NPs-) de diamètre inférieur à un diamètre critique φc, 50 - 80 nm, (i) mènent à l'isolation des bactéries E. coli, (ii) induisent une "sphérification" de la cellule initialement en bâtonnet, (iii) provoquent des lésions dans la membrane externe et une réorganisation de sa structure. Pour la bactérie B. subtilis, seule la dégradation de la structure du peptidoglycane a été observée. Cependant, pour les deux souches, une activité antibactérienne a été démontrée pour les NPs- en dessous de φc, qui peuvent conduire à la lyse cellulaire tandis que, au-dessus de φc, les NPs- n’ont aucun effet sur la population, la morphologie ou la structure bactérienne. En ce qui concerne les NPs chargées positivement, elles conduisent, quel que soit leur diamètre, à une forte agrégation des cellules, en raison des interactions électrostatiques, et tendent à favoriser la formation d'invaginations membranaires, ne menant pas nécessairement à la lyse cellulaire. Cette étude fondamentale a mené au développement d’un biocapteur électrochimique pour la détection de bactéries, application notable pour des problèmes biomédicaux, environnementaux et de défense. Les NPs, intégrées à ces outils, offrent un mode de détection rapide, très sensible et peu coûteux. Expérimentalement, une multicouche de polyélectrolytes a été utilisée pour immobiliser des NPs inoffensives (φ = 100 nm), auxquelles sont ensuite fixés des anticorps spécifiques, afin d'améliorer la détection finale de la bactérie E. coli. L’ensemble des étapes a été optimisé par le procédé du spin coating et étudié à l'aide de mesures de microbalance à quartz et de voltametrie cyclique. L’intégration de NPs au biocapteur a permis une détection linéaire et non saturée des bactéries E. coli dans une large gamme de concentration (jusqu’à 10^9 CFU/mL) pour une limite de détection de 10^6 CFU/mL. / Despite the growing enthusiasm for nanotechnologies, nanoparticles (NPs) might put environmental safety and human health at risk, as they can interact with biological systems and affect their behavior. It is therefore essential to know their mechanisms of interactions in order not only to prevent their potential risks but also to benefit from their unique properties, such as in biosensors design. In this context, we study the cytotoxicity of silica NPs, with diverse sizes and charges, on the properties of Escherichia coli and Bacillus subtilis bacteria, by means of atomic force microscopy and viability tests. Negatively charged NPs (NPs-) with a diameter φ lower than a critical diameter φc, 50 - 80 nm, (i) lead to the isolation of E. coli bacteria, (ii) induce a "spherification" of the cell initially rod shaped, and (iii) cause the formation of pore-like lesions in the outer membrane and a reorganization of its structure. For B. subtilis bacteria, only the degradation of the peptidoglycane’s structure was observed. Though, for both strains, an antibacterial activity was shown for NPs- below φc, which potentially lead to the cell lysis whereas, above φc, NPs- have no effect on population, morphology or bacterial structure. As positively charged NPs are concerned, whatever their diameter, they lead to a strong aggregation of the cells, due to electrostatic interactions, and tend to favor the formation of membrane invaginations, not necessarily involving cell lysis. This fundamental study has been used to develop an electrochemical biosensor for bacteria, which are of great importance for biomedical, environmental and defense issues. NPs involved in such tools offer a fast, high-sensitive and low-cost way of detection. A polyelectrolyte multilayer was used to immobilize harmless NPs (φ = 100 nm), which are, then, functionalized with specific antibodies, in order to enhance the final detection of E. coli bacteria. All steps were optimized by a spin coating process and studied through quartz microbalance and cyclic voltametry measurements. Integrating NPs in this biosensor resulted in a linear and unsaturated detection of E. coli bacteria in a wide range of concentration (until 10^9 CFU/mL) and a limit of detection of 10^6 CFU/mL.

La compréhension des propriétés électriques de nano-objets est essentielle pour le développement s des nanotechnologies. La microscopie à force Kelvin (KFM) est une des techniques les plus utiles pour cartographier simultanément la topographie et la différence de potentiel de contact (CPD) à l'échelle nanométrique. Après 20 ans de développement, la KFM est principalement utilisé dans des conditions normales de pression et de température, permettant d'effectuer, de manière simple, de multiples analyses comparatives. Toutefois, sous ultra-vide (UHV), comme la surface est contrôlée et que la sensibilité est meilleure, des mesures plus précises et plus fiables sont réalisables. Dans la première partie, la mesure KFM sous atmosphère ambiante est améliorée en développant la technique simple-passage à la fois en modulation de fréquence (FM) et en modulation d'amplitude (AM). Une électronique externe Nanonis a été adaptée sur les AFMs commerciaux (Dimension 3100 et MultiMode, Bruker). Une étude comparative avec le mode Lift a été réalisée sur des couches de graphène épitaxié sur échantillon de SiC. L'effet de la distance pointe-échantillon sur le contraste et la résolution est décrit ainsi que l'influence des paramètres expérimentaux. Une amélioration significative du contraste et de la résolution est clairement observée sur les résultats obtenus par la technique simple passage en modulation de fréquence, indépendamment de la distance pointe-échantillon. Dans une deuxième partie, la technique KFM est développée sous vide secondaire. Le travail instrumental est réalisé sur un AFM EnviroScope de chez Bruker, qui a été équipé d'une électronique externe Nanonis, permettant de mesurer simultanément la topographie en mode non-contact et la CPD en modulation d'amplitude ou de fréquence. Les résultats montrent que la CPD mesurée est comparable à celle obtenue avec une mesure sous ultravide. Enfin, après avoir posé les bases à la fois expérimentale et théorique de la KFM, cette technique est utilisée pour caractériser les hétérostructures CdTe/CdS en films minces utilisés pour les applications de cellules solaires. Un protocole de préparation d'échantillon sur la tranche a été spécialement développé. L'hétérojonction CdTe/CdS est étudiée sous polarisation à la fois dans l'obscurité et sous éclairement. L'influence de l'épaisseur de la couche de CdS est également étudiée pour comprendre son effet dramatique sur le rendement des cellules solaires. / The development of nanoscience makes the understanding of the electrical properties of nano-objects essential. The Kelvin Force Microscopy (KFM) is one of the most useful techniques to map at the nanoscale and simultaneously both the topography and contact potential difference (CPD). After 20 years of development, KFM is mainly operated under air at normal pressure, allowing to perform, in an easy way, multiple comparative analyses. However, under UHV, as the surface is controlled and the sensitivity improved, more accurate and reliable measurements can be achieved. In the first part, KFM under ambient atmosphere is improved by developing the single-scan method using either a frequency modulation (FM) or an amplitude modulation (AM) mode. An external Nanonis electronic has been implemented on commercial AFMs (Dimension 3100 and MultiMode, Bruker). A comparative study with the common Lift-mode is done by imaging epitaxial graphene layers on SiC sample. The tip-sample separation effect on the CPD contrast and resolution is described as well as experimental settings. It is shown that higher contrasts are obtained using single-scan frequency modulation KFM regardless the tip-sample operating distance. In a second part, the KFM technique under secondary vacuum is developed. The instrumental work is carried out with an EnviroScope AFM from Bruker. We outfitted our Veeco's AFMs with an external Nanonis electronic to perform simultaneously the acquisition of topography and CPD using either the amplitude or the frequency modulation mode. The upgrade of the electronic has raised compatibility issues. Our results show that the comparable results are obtained with KFM under UHV. Finally, having laid down both the experimental and theoretical groundwork of the KFM, this technique is used to characterize CdTe/CdS heterostructures used in thin films solar cell application. A protocol for the cross section sample preparation has been specifically developed. The CdTe/CdS heterojunction is studied under polarization both in dark and under illumination. The influence of the CdS layer thickness is also studied to understand its dramatic effect on the solar cell efficiency.

Le rayonnement synchrotron et la microscopie à sondes locales (SPM) sont deux des techniques les plus utilisées pour étudier les propriétés physiques et chimiques de nanostructures. Le couplage de ces deux techniques est prometteur pour les nanosciences en leur ouvrant de nouveaux horizons. D'un point de vue expérimental ce couplage est un défi exaltant et a déjà prouvé ses capacités par la combinaison de la Microscopie à Force Atomique (AFM) et de la diffraction de Rayons-X pendant le projet X-tip, qui, grâce au développement d'un microcope à force atomique embarqué sur une lugne de lumière synchrotron a permis l'étude du module de Young de microplots de germanium en procédant simulatanément à son indentation et à son analyse par diffraction. Cependant, cette configuration ne permet pas de manipuler en trois dimensions (3D). Le but ultime, pour notre nano-manipulateur est de manipuler en 3D avec un contrôle permanent des nano-forces exercées sur l'objet sous un faisceau d'analyse (rayon X, LASER). Le premier chapitre s'attarde donc sur les senseurs qui devront rendre compte des interactions à l'échelle nanométrique et permettre la saisie d'un objet individuel. Après un tour d'horizon de différentes techniques de micro/nanomanipulation disponibles à ce jour (micro-préhenseurs mécaniques basés sur la technologie MEMS, pinces optiques, préhenseurs basés sur la microscopie à force atomique conventionnelle) et devant les contraintes qu'implique le couplage d'un tel système avec les expériences synchrotron, le choix des oscillateurs à quartz (Diapason et LER) en tant que senseurs est expliqué. La microscopie à force atomique en générale et le fonctionnement particulier de ces oscillateurs sont décrits. Dans le second chapitre le développement instrumental de notre station de nanomanipulation est détaillé et notamment : Comment mettre en place ce type de résonateurs et la pointe associée pour réaliser à la fois l'imagerie AFM de l'échantillon et la préhension de l'objet? Comment contrôler le positionnement grossier et fin des trois éléments d'une nanomanipulation? Enfin le système haptique ERGOS et son couplage avec notre montage est décrit. Dans le dernier chapitre, deux types d'expériences sont présentés : le premier ne fait intervenir que notre montage piloté classiquement par ordinateur et montre ses capacités à réaliser la préhension d'objets micrométriques de manière contrôlée. Le second fait intervenir le couplage entre notre montage et le système haptique pour réaliser l'exploration rapide d'un échantillon ainsi que la localisation et la reconnaissance de forme d'objet sub-micronique. Ces expériences rendent compte des capacités de ce couplage à transmettre directement à un utilisateur les interactions à l'échelle nanométrique ainsi que la possibilité par l'intermédiaire de cette interface de réaliser des tâches complexes : manipulation sur une surface, reconnaissance de forme, et suivi de contour. / The synchrotron radiation and scanning probe microscopy (SPM) are the (two) most used techniques to study the physical and chimical properties of nanostructures. Coupling these two techniques is promising for the nanosciences by opening news horizons. From an experimental point of view, this coupling is an exciting challenge and has already proven its skills with the combination of Atomic Force Microscopy (AFM) and X-Ray diffraction during the X-tip project, which, thanks to the development of an atomic force microscope embended on a synchrotron beamline, has permitted to study Young's modulus of germanium microplots proceeding simultaneously with its indentation and its diffraction analysis. However, this configuration doesn't permit a three dimension (3D) manipulation. The ultimate goal, for our nano-manipulator, is to manipulate in 3D with a permanent control of nano-forces exerted on the object undcer a scanning beam (X-Ray, laser). The first chapter therefore focuses on the sensors which measure the interactions at a nanometer scale and permit the seizure of an individual object. After an overview of the differents techniques of micro/nano-manipulation available today ( mechanical micro-grippers based on MEMS technology, optic tweezers, grippers based on conventionnal atomic force microscopy), and in front of the constraints implied by the coupling of this kind of system with the synchrotron experiments, the choice of quartz oscillators (Tunning fork and LER) as sensors is explained. The atomic force microscopy in general and the particular behavior of these oscillators is described. In the second chapter, the instrumental development of our nano-manipulation station is detailed and especially : How to implement this type of resonators and the associated tip to achieve both AFM imaging of the sample and gripping of the object ? How to control the coarse and fine positionning of the three elements of a nano-manipulation ? Finally, the haptic system ERGOS et its coupling with our assembly is describe. In the last chapter, two types of experiments are presented : the first involves only our assembly piloted classically with a computer and show its skills in the achievement of gripping of micrometric objects in a controled way. The second involves the coupling between our assembly and the haptic system to achieve the fast exploration of a sample and also the location and shape recognition of sub-micronic objects. These experiments reflect the capacities of this coupling to directly transmit to an user the interactions at a nanometer scale and also the possibility using this interface to achieve complex tasks : manipulation on a surface, shape recognition and contour tracking.

Les microscopes en champ proche sont très largement utilisés pour caractériser des propriétés physiques à l’échelle du nanomètre. Afin d’assurer la cohérence et l’exactitude des mesures dimensionnelles qu’ils retournent, ces microscopes ont besoin d’être étalonnés périodiquement. Le raccordement à la définition du mètre SI est assuré par le biais d’étalons de transfert dont les caractéristiques dimensionnelles sont étalonnées à l’aide d’un Microscope à Force Atomique métrologique (mAFM).Les travaux de thèse portent sur la contribution à la mise en place du Microscope à Force Atomique métrologique du LNE dans le but de caractériser et réduire l’incertitude de mesure. Une tête AFM passive thermiquement et spécifiquement conçue pour des applications de nanométrologie dimensionnelle a été développée et intégrée au mAFM. Elle comporte un système original pour mesurer les déflexions du levier nécessaire à la détection des forces s’exerçant à l’extrémité de la pointe. Il utilise une évolution de la méthode du levier optique qui permet de déporter les sources de chaleurs à l’extérieur de l’instrument. Pour cela, un nouveau capteur a été développé. Il est basé sur l’utilisation d’un bundle composé de 40 000 microfibres optiques structurées en quatre quadrants. Il remplace avantageusement une photodiode quatre quadrants et permet de transporter le signal lumineux jusqu’à des photodiodes placées à l’extérieur de l’instrument. Ce système a été modélisé, caractérisé et validé expérimentalement. La tête AFM ainsi développée est passive thermiquement. Sa conception repose sur la dissociation complète de la chaine métrologique, constituée en Zerodur, afin de lui conférer une excellente stabilité thermique et mécanique. Pour les mêmes raisons, le châssis de la tête qui supporte l’ensemble des composants et notamment le système de mesure des déflexions du levier est entièrement conçu en Invar. Cette tête repose sur une structure motorisée constituée de trois moteurs à reptation permettant l’approche de pointe mais également le réglage des interféromètres. Après intégration de la tête dans le mAFM, l’ensemble de l’instrument a été caractérisé afin d’établir son bilan d’incertitude. Plusieurs composantes ont ainsi été évaluées expérimentalement comme la non-linéarité et la stabilité de la mesure de position par interférométrie, les rotations parasites du scanner, les erreurs d’Abbe, les défauts de rugosité et de planéité des miroirs ainsi que les erreurs de bras mort. L’impact de chaque composante a été quantifié et listé dans le bilan d’incertitude. Ces travaux ont permis d’avoir une première estimation de l’incertitude de mesure du mAFM. / Scanning probe microscopes are very well used for characterization at the manometer scale. To ensure the measurement coherency and the accuracy of the results, those microscopes need to be periodically calibrated. It’s done thanks to reference standards whose dimensional characteristics are measured by a metrological atomic force microscope (mAFM) for example.The aim of this thesis work is the improvement of the metrological AFM of the LNE in order to reduce the measurement uncertainty. To reach this goal, a thermally passive AFM head has been developed and integrated on the instrument. It contains an original system to measure the cantilever deflexion and thus detect the force acting between the sample and the tip. This system is based on the optical beam deflection method but allow deporting the heat sources outside the instrument. To reach this goal, a new specific sensor has been developed. It is based on a four quadrant optic fibre bundle that contains 40 000 micro-fibre and which is ideal to replace the existing four quadrant photodiode and its conditioning electronic circuit with the bundle and its conditioning electronic circuit placed outside the instrument. This sensor has been modelled, and experimentally validated.The Developed AFM head which integrates the deflection measurement system is then thermally passive. Its design is based on the complete dissociation of the metrological loop and the structural loop. The metrological loop is made of Zerodur® in other to acquire an excellent mechanical and thermal stability and thus reduce the thermal dilatation. For the same reason, the AFM head support frame is fully made of Invar. The AFM head is placed on a motorized frame based on three piezo-leg motors (tripod) to make the tip/sample approach but also to set the interferometer signal quality. The interferometer signal is improved by combining the linear displacements of the three motors to generate small rotations. This allows setting the parallelism of the mirrors linked to the head with those linked to the translation stage.Once the AFM head integrated on the instrument, the assembly is characterized in order to establish the uncertainty budget. Different uncertainty components have been experimentally evaluated as for example: the interferometer non linearity, the drift of the XYZ position, the parasitic rotations of the translation stage, the Abbe error, the roughness and the flatness of the mirrors and the dead path errors. The impact of the each component has been quantified and listed in the uncertainty budget. This allowed getting a first estimation of the combined uncertainty of the instrument.

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.

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.

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.

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.