Cette thèse a pour but d'établir le lien entre la microstructure des matériaux et leurs propriétés macroscopiques qui est un verrou technologique et scientifique important, dans un contexte de conception de matériaux miniaturisés, directement intégrés et aux performances améliorées. Pour permettre le plein essor de ces nouveaux matériaux, des efforts doivent notamment être fournis sur le développement de nouveaux procédés technologiques, capables de déposer la matière avec un contrôle à l'échelle atomique. Ceci ne peut se faire sans un accompagnement théorique pour accéder à une compréhension fondamentale des mécanismes gérant la croissance de ces matériaux. Dans ce contexte, la modélisation prédictive du procédé de dépôt s'avère stratégique pour guider les technologues vers la conception de matériaux nanostructurés avancés. Pour répondre au mieux à cette problématique, les travaux présentés dans cette thèse suivent une approche multi-niveaux. Dans un premier temps, une étude à l'échelle atomique avec des calculs DFT est faite, afin de relever des énergies, des mécanismes et des structures, localement. Ces résultats sont ensuite utilisés comme paramètres d'entrée dans un outil de simulation utilisant la méthodologie Monte Carlo cinétique, développé spécialement au cours de ces travaux. Cet outil permet de simuler des systèmes de plusieurs dizaines de milliers d'atomes sur des temps longs, pour des coûts en calculs faibles. Les résultats obtenus avec cet outil sont directement comparables avec des résultats expérimentaux. Nous avons donc un outil doté d'une granularité à l'échelle atomique équipé d'une plateforme de simulation pour permettre à l'ingénieur une utilisation simple et intuitive de celui-ci. Cet outil se veut prédictif et permettra ainsi au technologue de réaliser des simulations prédictives et par suite de limiter les coûts et les essais en salle blanche. L'objectif est d'établir un lien entre la nanostructuration à l'échelle atomique et le procédé de fabrication, à travers cette plateforme de simulation simple d'utilisation. Ici, nous proposons un modèle basé sur une méthodologie de type Monte Carlo cinétique pour simuler le dépôt PVD de matériaux multicouches Al/CuO. / The aim of this thesis is to link materials microstructure and their macroscopic properties which are a very important technologic and scientific barrier, especially for material miniaturising, directly integrated and with improved specifications. Enabling this new material booming implies efforts in the development of new technological processes able to make mater deposition with atomic scale control. This can't be done without a theoretical support in order to access to a fondamental understanding of material growth mechanisms. In this context, predictive modelling of deposition process is strategic, leading technologists toward advanced nanostructured materials conception. We choose the multi-scale approach to answer this problematic. First, an atomic scale study is done, using DFT, in order to measure local energies, mechanisms and structures. Then, those results are used as input parameters in a home made simulation tool using kinetic Monte Carlo. This tool is able to simulate systems with several tens of thousands atoms, during long simulation time, for low calculation time. The outputs are directly comparable to experimental data. In summary, we obtain an atomic grain texture tool, fitted with simulation platform, for an easy and intuitive use for the engineer. This tool is predictive and allows technologists to make predictive simulations, restricting cost and test in clean room. The aim is to set up a link between the atomic scale nanostructuration and the fabrication process, toward this user-friendly simulation platform. We suggest a model based on kinetic Monte Carlo, for the PVD deposition simulation of Al/CuO multilayered materials.

Malgré leurs contribution dans plusieurs domaines, les biopuces à lecture plasmonique conventionnelles basées sur l'utilisation d’un film métallique plan d'or, sont limitées en terme de sensibilité surtout quand il s'agit de détecter des molécules de faible masse molaire à l’état de trace.Dans ce cadre, nous étudions numériquement et expérimentalement le potentiel de détection d’interactions biomoléculaires d’une nouvelle génération de biopuces à lecture plasmonique intégrant un film métallique micro-nano-structurée en réseau rectangulaire 1D. L’étude numérique développée met en œuvre une méthode hybride, basée sur la combinaison de deux méthodes classiques : la méthode des éléments finis et la méthode modale de Fourier. Grâce à ce nouvel outil numérique, nous présentons une cartographie exhaustive du potentiel de détection d’une couche biologique, en variant les paramètres de la structuration liés aux dimensions du réseau. La réponse de la biopuce à l’accrochage de biomolécules est ensuite interprétée théoriquement par les différents phénomènes plasmoniques notamment les «points chauds» et les bandes plasmoniques interdites. Nos calculs soulignent l'importance de l’exploitation du confinement de la lumière à travers la structuration sub-longueur d’onde des surfaces plasmoniques. Ceci permet non seulement d’optimiser les paramètres géométriques afin d’améliorer la sensibilité vis-à-vis de la réponse d’une biopuce conventionnelle, mais aussi de mettre en évidence la transition entre le régime où les plasmons propagatifs dominent et le régime où les plasmons localisés dominent. De nouvelles figures de mérite sont introduites pour évaluer les performances des biopuces structurées.Cette étude montre également que de nouvelles opportunités pour améliorer davantage la bio-sensibilité sont offertes, si la localisation de biomolécules peut être effectuée dans les régions où le champ électrique est amplifié et confiné. / Surface plasmons resonance imaging with continuous thin metallic films have become a central tool for the study of biomolecular interactions. However, in order to extend the field of applications of surface plasmons resonance systems to the trace detection of biomolecules having low molecular weight, a change in the plasmonic sensing methodology is needed. In this study, we investigate theoretically and experimentally the sensing potential of 2D nano- and micro- ribbon grating structuration on the surface of Kretschmann-based surface plasmon resonance biosensors when they are used for detection of biomolecular binding events. Numerical simulations were carried out by employing a fast and novel model based on the hybridization of two classical methods, the Fourier Modal Method and the Finite Element Method. Our calculations confirm the importance of light manipulation by means of structuration of the plasmonic thin film surfaces on the nano- and micro- scales. Not only does it highlight the geometric parameters that allow the sensitivity enhancement, and associated figures of merit, compared with the response of the conventional surface plasmon resonance biosensor based on a flat surface, but it also describes the transition from the regime where the propagating surface plasmon mode dominates to the regime where the localized surface plasmon mode dominates. An exhaustive mapping of the biosensing potential of the nano- and micro- structured biosensors surface is presented, varying the structural parameters related to the ribbon grating dimensions. New figures of merit are introduced to evaluate the performance of the structured biosensors. The structuration also leads to the creation of regions on biosensor chips that are characterized by strongly enhanced electromagnetic fields. New opportunities for further improving the bio-sensitivity are offered if localization of biomolecules can be carried out in these regions of high electromagnetic fields enhancement and confined.

Une étude de l'induction d'une anisotropie magnétique d'origine magnétostatique dans une couche mince magnétique (Ni81Fe19) à topologie modulée a été effectuée grâce aux observations réalisées à l'aide de mesures de magnéto-transport (AMR). La modulation à l'échelle nanométrique est obtenue avec une nouvelle approche basée sur la lithographie électronique. La présence d'une anisotropie uniaxiale orientée parallèlement à la modulation a été mise en évidence. Ce denier a permis la définition de deux axes orthogonaux d'anisotropie dans un même substrat et l'exploration de la faisabilité d'un capteur de champ magnétique bidimensionnel. Une géométrie de capteur à Effet Hall Planaire est proposée.<br />Le développement et la fabrication d'un dispositif permettant l'étude de la propagation d'une paroi de domaines dans une piste submicronique effectué sur une vanne de spin ont été accomplis. Dans ces dispositifs, la position de la paroi est déterminée par la mesure de la magnétorésistance géante (GMR). L'étude systématique des champs d'injection et de dépiégeage a montré l'existence une asymétrie de la propagation de la paroi entre les transitions P -> AP et AP -> P. Il a été montré, grâce à une série de simulations micro magnétiques, que cette asymétrie résulte de l'influence du champ dipolaire créé par la couche fixe sur les configurations adoptées par la paroi dans la couche libre. Des mesures de relaxation de temps ont permis d'obtenir la probabilité cumulée de dépiégeage de la paroi à partir de la constriction. Une variété de comportements a été ainsi mise en évidence.

Le but de ce travail de thèse est de développer des aérogels biosourcés, mécaniquement résistants et thermiquement très isolants (voire super-isolants). Les aérogels à base de cellulose, souvent appelés " aérocelluloses ", sont connus pour être très poreux et extrêmement légers. Ils présentent en revanche une grande dispersion de tailles de pores, donnant de propriétés thermiques relativement modestes. Nous avons étudié plusieurs approches pour améliorer la morphologie des aérocelluloses: la modification du solvant, la réticulation chimique de la cellulose et la formation d'hybrides avec d'autres polymères. La réticulation de la cellulose a réellement permis d'affiner la structure poreuse de l'aérocellulose vers une nano-structuration ce qui a amélioré la conductivité thermique, s'approchant du domaine de la super-isolation (0.026 W.m-1.K-1). Un autre polysaccharide, la pectine, a été utilisé pour préparer un aérogel également poreux et très léger, " l'aéropectine ". L'aéropectine et l'aérocellulose présentent de fortes similitudes dans leur morphologie. Cependant, l'aéropectine possède de meilleures propriétés thermiques, super-isolantes (0.020 W.m-1.K-1), grâce à la nano-structuration du réseau poreux. Ces aérogels sont 100% biosourcés avec un faible impact environnemental, et sont très prometteurs non seulement pour l'isolation thermique mais également pour de nombreuses autres applications, telle que la libération contrôlée de médicaments ou la catalyse. La formation d'aérogel de silice à l'intérieur de la structure poreuse d'aéropectine a augmenté la surface spécifique jusqu'à 700 m2/g et a permis de diminuer la conductivité thermique (0.017 W.m-1.K-1).

Dans ce rapport de thèse, nous présentons les résultats obtenus avec la croissance d'assemblages supramoléculaires hautement cristallins et stables à température ambiante sur des surfaces isolantes d'halogénures d'alcalins. L'objectif de cette étude est de caractériser structurellement ces réseaux auto-assemblés et de mettre en évidence l'ensemble des forces d'interaction mises en œuvre dans les processus de croissance et de diffusion, en combinant la microscopie à force atomique en mode non contact (nc-AFM) sous ultravide et des calculs théoriques basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) et la dynamique moléculaire. Nous montrons comment des paramètres bien définis concernant le choix de la molécule d'une part tels que sa taille, sa forme, sa symétrie, sa flexibilité et sa fonctionnalité, et le choix du substrat d'autre part, influent sur la morphologie de croissance et permettent de contrôler les propriétés de diffusion des molécules en surface et donc la structure supramoléculaire résultante. / In this thesis, we report the results obtained with the growth of highly crystalline and stable supramolecular assemblies at room temperature on insulating surfaces of bulk alkali halides single crystals. The objective of this study is to structurally characterize these self-assembled networks and understand all the interaction forces involved in the growth and diffusion processes. This is performed by joint non-contact atomic force microscopy (nc-AFM) experiments in ultrahigh vacuum and theoretical calculations based on density functional theory (DFT) and molecular dynamics. We show how well-defined parameters for the choice of the molecule on the one hand such as size, shape, symmetry, flexibility and functionality, and the choice of the substrate on the other hand, influence the morphology growth and serve to steer the structure and diffusion properties of such systems.

Les nanotopographies de surface présentant des dimensions comparables à celles des éléments de la matrice extracellulaire offrent la possibilité de réguler le comportement cellulaire. L’étude de l’impact de la nanotopographie sur la réponse cellulaire a été toujours limitée compte tenu des précisions limitées sur les géométries produites, en particulier sur les plus grandes surfaces. Des matériaux base silicium présentant des nanopiliers avec des géométries parfaitement contrôlées ont été fabriqués et leur impact sur la différentiation ostéogénique de cellules souches mésenchymateuses humaines (hMCSs) a été étudié. Des matériaux avec des nanopiliers de dimensions critiques comprises entre 40 et 200 nm et des écarts types inférieurs à 15% sur un wafer de silicium, ont été réalisés en profitant de la capacité d’auto-assemblage des copolymères à blocs. Pour mettre en évidence si des modifications de la chimie de la surface des nanopiliers pourraient favoriser la différenciation des MSCs, des peptides mimétiques ont été greffés sur les matériaux fabriqués. Un peptide connu pour sa capacité d’améliorer l'adhésion cellulaire (peptide RGD), un peptide synthétique capable d'améliorer l'ostéogenèse (peptide mimétique BMP-2) et une combinaison de ces deux peptides ont été immobilisés de manière covalente sur les matériaux silicium présentant des nanopiliers de différentes géométries (diamètre, espacement et hauteur).Les essais d'immunofluorescence et de réaction en chaîne de la polymérase quantitative (RT-qPCR) révèlent un impact des nanotopographies sur la différenciation ostéogénique des hMSCs. De plus, il a été constaté que la différenciation des cellules dépendait de l'âge du donneur. La fonctionnalisation de surface a permis une augmentation supplémentaire de l'expression des marqueurs ostéogéniques, en particulier lorsque le peptide RGD et le peptide mimétique BMP-2 sont co-immobilisés en surface. Cette étude met clairement en évidence l’impact de nanostructures avec différentes bioactivités sur la différentiation de MSCs. Ces matériaux pourront trouver leur place dans des cultures in vitro, dans l’élaboration de nouveaux biomatériaux osseux et dans de nouveaux produits d’ingénierie tissulaire. / Nanotopography with length scales of the order of extracellular matrix elements offers the possibility of regulating cell behavior. Investigation of the impact of nanotopography on cell response has been limited by inability to precisely control geometries, especially at high spatial resolutions, and across practically large areas. This work allowed the fabrication of well-controlled and periodic nanopillar arrays of silicon to investigate their impact on osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells (hMSCs). Silicon nanopillar arrays with critical dimensions in the range of 40-200 nm, exhibiting standard deviations below 15% across full wafers were realized using self-assembly of block copolymer colloids. To investigate if modifications of surface chemistry could further improve the modulation of hMSC differentiation, mimetic peptides were grafted on the fabricated nanoarrays. A peptide known for its ability to ameliorate cell adhesion (RGD peptide), a synthetic peptide able to enhance osteogenesis (BMP-2 mimetic peptide), and a combination or both molecules were covalently grafted on the nanostructures.Immunofluorescence and quantitative polymerase chain reaction (RT-qPCR) measurements reveal clear dependence of osteogenic differentiation of hMSCs on the diameter and periodicity of the arrays. Moreover, the differentiation of hMSCs was found to be dependent on the age of the donor. Surface functionalization allowed additional enhancement of the expression of osteogenic markers, in particular when RGD peptide and BMP-2 mimetic peptide were co-immobilized. These findings can contribute for the development of personalized treatments of bone diseases, namely novel implant nanostructuring depending on patient age.

Dans ce travail, nous utilisons des techniques à sonde locale pour étudier les phénomènes photomécaniques induits à l'échelle microscopique dans les films minces contenant des molécules d'azobenzène. Nous montrons que différents mécanismes microscopiques sont à l'origine de la déformation photo-induite. Ces mécanismes sont identifiés par leurs dépendance fondamentale à la distribution spatiale de la polarisation et de l'intensité de la lumière. Ceci permet d'interpréter de façon cohérente les phénomènes de photo-déformation observés jusqu'à présent en champ lointain et en champ proche. De plus, nous étudions les effets de photo-déformation en champ proche et nous mettons en évidence le rôle des interactions entre la sonde locale et la surface du film photo- chromique. Finalement, nous présentons des résultats préliminaires sur les effets photomécaniques obtenus sur des structures hybrides métal/azo-polymère. Cette étude ouvre de nouvelles perspectives pour des applications futures dans le domaine de la nano-fabrication et de la nano-actuation de films minces et de surfaces.

Le présent travail est réalisé en vue de la conception et le contrôle des mouvements de nanomachines induits par un courant en régime tunnel et en vue de la rationalisation et de la compréhension d'expériences de manipulation de nano-objets moléculaires et de leurs propriétés d'auto-assemblage et de nanostructuration contrôlée de surfaces métalliques. Dans les 2 premiers chapitres sont exposées les techniques et méthodes de la Chimie quantique, de la Mécanique Moléculaire et de Transfert d'Electron que nous utilisons dans le présent travail. Les 4 autres chapitres sont consacrés à l'étude des propriétés d'adsorption et d'assemblage de molécules, spécialement conçues, d'intérêt pour la nanoélectronique et la nanomachinerie. En effet, dans le chapitre 3, il est question d'adsorption de la molécule DAT (1,4-bis(4-(2,4-diaminotriazine)phenyl)-2,3,5,6-tetrakis(4-tert-butyl-phenyl)benzene) sur les surfaces Cu(110) et Au(111) dans les conditions de très basse température sous un vide ultra-poussé (LT-UHV : Low Temperature Ultra High Vacuum). L'adsorption et l'auto-assemblage du DAT en 1D et en 2D sur la surface sont gouvernés par un processus complexe dont nous révélons les détails. En suite, dans le chapitre 4, nous avons calculé les images STM, par la technique Electron Scattering Quantum Chemistry (ESQC), de la molécule DAT sur les surfaces Cu(110) et Au(111), pour confirmer et expliquer les structures optimisées par la mécanique moléculaire à partir d'une comparaison entre les morphologies des images STM à résolution atomique et ESQC. Les chapitres 5 et 6 sont respectivement consacrés à l'étude des propriétés d'adsorption et d'auto-assemblage de la molécule di-carboxylique-imide (DCI) et d'une molécule dérivée PTCDI (pérylène-3,4,9,10-tétracarboxylique di-imide) sur la surface Au(111), nous avons trouvé que le Lander DCI s'adsorbe sur le site ponté suivant la direction [11-2] de la surface Au(111).

Les membranes à base de liquides ioniques à conduction protonique (PCIL) sont très prometteuses comme électrolytes des piles à combustible haute température (HT- PEMFC) du fait de leur forte conductivité et stabilité à des températures supérieures à 100°C. L'objectif de cette thèse est de réaliser une étude approfondie sur l'évolution de la morphologie et des propriétés fonctionnelles, des membranes à base de liquides ioniques, avec i) la concentration en PCIL, ii) la méthode d'élaboration et iii) la structure chimique du PCIL. Afin de prouver la potentialité de ces membranes dans le HT-PEMFC, des tests préliminaires en pile sont réalisés et les phénomènes de dégradation des PCIL et des membranes en présence de peroxyde d'hydrogène sont étudiés. La première partie de ce travail est focalisée sur la caractérisation des membranes de Nafion® neutralisées avec le triéthylamine (Nafion-TEA) et gonflées avec triflate de triéthylammonium (TFTEA). Il a été montré que dans le Nafion-TEA sec, les cations présentent une organisation de type " string like " à l'interface hydrophobe-hydrophile. L'introduction du TFTEA dans la membrane Nafion-TEA ne détruit pas sa nano-structuration, mais augmente de manière significative la conductivité ionique du système. La deuxième partie de ce travail nous a permis d'établir que les membranes dopées élaborées par coulée-évaporation présentent une meilleure organisation et une meilleure tenue thermomécanique par rapport à celles obtenues par gonflement. La troisième partie de ce travail est focalisée sur l'étude de l'impact de la nature chimique du PCIL sur la morphologie et les propriétés fonctionnelles des membranes de Nafion-TEA. Il a été démontré que les PCILs avec longues chaînes perfluorées ne modifient pas la nano-structuration du Nafion-TEA. Ceci a un impact fort sur les propriétés de conductivité, de sorption d'eau et sur les propriétés thermomécaniques de la membrane. Dans la dernière partie, des Ionomères aromatiques ont été synthétisés afin de remplacer le Nafion-TEA. Malgré la structure similaire de la chaîne latérale des Ionomères aromatiques et du Nafion®, les membranes à base d'Ionomères aromatiques et TFTEA ne présentent aucune nano-structuration. De plus l'effet plastifiant du TFTEA est plus notable dans le cas des Ionomères aromatiques probablement du fait d'une distribution aléatoire des fonctions ioniques dans la membrane polymère.

Des poly(liquides ioniques) (PILs) arrangés sous la forme de copolymères statistiques,de nanoparticules à chaine unique ou bien sous la forme de copolymères à blocs autoassemblés ont été employés comme précurseurs de carbènes N-hétérocycliques (NHC)s à des fins de catalyses organiques ou organométalliques. L’introduction d’anions acétate dans des unités PIL dérivés d’imidazolium permet la génération in situ de NHCs actifs en catalyse. Les nanoparticules composées d’une chaine unique polymère repliée sur elle-même (SCNP) ont été spécialement conçues selon deux stratégies impliquant, d’une part, une réaction d’autoquaternisation entre groupements fonctionnels antagonistes portés par la chaine et, d’autre part, une réaction de complexation organométallique à l’aide d’un sel de palladium. Dans lesdeux cas, les chaines polymères ont été obtenues par polymérisation contrôlée (méthode RAFT). Les copolymères à blocs amphiphiles comportant un bloc PIL fonctionnalisé par du palladium ont été synthétisés par polymérisation RAFT et auto-assemblés dans l’eau sous forme de micelles.Un effet de confinement des sites catalytiques a clairement été démontré à travers des réactions de catalyse pour les couplages de Suzuki et de Heck dans l’eau, avec un gain cinétique très net par rapport à des homologues non micellisés, en plus d’une grande facilité de recyclage de ces supports micellaires.Enfin, des copolymères à blocs à base de PIL-benzimidazolium à contre anion bis(trifluoromethane)-sulfonylimide de lithium ont été développés comme agents dopants conducteurs ioniques de matrices structurantes PS-b-PEO. Des mélanges configurés en films minces avec une quantité minimale d’agent dopant ont conduit dans certaines conditions à des valeurs optimales de conductivité ionique grâce à une nano structuration des films à longue distance. / Poly(ionic liquid)s (PILs) in the form of random copolymers, single chain nanoparticles(SCNPs), or self assembled block copolymers have been used as N-heterocyclic carbenes(NHCs) precursors for the purpose of organic and organometallic catalysis. Introducing acetate derivative counter anion in imidazolium based PIL units enable in situ generation of catalyticallyactive NHC. SCNPs have been specially designed along two strategies including, firstly, a self quaternization reaction involving two antagonists groups supported on to the polymer chain and,secondly, an organometallic complexation featuring palladium salt. Both polymeric precursors were obtained using RAFT as controlled polymerization method. Amphiphilic block copolymers composed of a PIL block functionalized by palladium have been synthesized by RAFT and self-assembled in water, leading to micellar structures. Confinement effect has been demonstrated through Suzuki and Heck coupling in water showing kinetic gain compared to molecular homologue in addition to an easier recycling method.Finally, PIL-benzimidazolium based block copolymers with lithium bis(trifluoromethane)-sulfonylimide anion have been developed as ionic conductor doping agent for PS-PEO matrix. Thin films blends with minimum doping agent amount led to optimum ionic conductivity owing tolong range order.