La question cruciale dans l'exploration du stockage ultime à haute densité est l'anisotropie magnéto-cristalline (MCA) qui provient du couplage spin-orbite. Utilisant à la fois la méthode des liaisons fortes et les calculs « premiers principes », nous calculons la MCA de nanocristaux de fer et de cobalt qui peuvent être obtenus par croissance épitaxiale sur un substrat SrTiO3 avec un contrôle remarquable de leur taille, forme et structure. Afin de définir une décomposition locale appropriée de la MCA, nous avons implémenté le « Théorème de Force » à l'aide d'une formulation grand-canonique dans le code QUANTUM ESPRESSO ainsi que dans notre modèle de liaisons fortes. Il est intéressant de noter que pour les deux éléments, la MCA totale de nanocristaux isolés est largement dominée par les facettes (001) dont il résulte un comportement opposé: une anisotropie « hors-plan » pour les nanocristaux (contenant plusieurs centaines d'atomes) de fer et « dans le plan » pour ceux de cobalt. Nous avons également mis en évidence un fort renforcement de la MCA pour les petits clusters (contenant quelques atomes seulement) déposés sur un substrat SrTiO3. En conséquence, nous prévoyons que les nanocristaux de fer (même de très petite taille) devraient être magnétiquement plus stables et sont donc de bons candidats potentiels pour le stockage magnétique. Enfin, notre analyse MCA résolu en orbitales s'applique également à d'autres système et permet, par exemple, de prédire le comportement de la MCA de films minces magnétiques après déposition de matériaux organiques comme le graphène ou de molécules tel C60. / The crucial issue in exploring ultimate density data storage is magneto-crystalline anisotropy (MCA) which originates from spin-orbit coupling. Using both tight-binding and first-principles methods, we report the MCA of Fe and Co nanocrystals that can be grown epitaxially on SrTiO3 with a remarkable control of their size, shape and structure. In order to define the proper local decomposition of MCA, we implemented the “Force Theorem” within the grand-canonical formulation in QUANTUM ESPRESSO as well as in our tight-binding model. Interestingly, for both elements, the total MCA of free nanocrystals is largely dominated by (001) facets resulting in the opposite behavior: out-of-plane and in-plane magnetization direction is favored in Fe and Co nanocrystals (containing up to several hundred atoms), respectively. We also find a strong enhancement of MCA for small clusters (containing only several atoms) upon their deposition on a SrTiO3 substrate. As a consequence, we predict that the Fe nanocrystals (even rather small) should be magnetically stable and are thus good potential candidates for magnetic storage devices. Finally, our rather general orbital-resolved analysis of MCA applies also to other systems and allows, for example, predicting the MCA behavior of magnetic thin films upon covering by various organic materials such as graphene or C60 molecule.

Lors des dix dernières années, les films multicouches ont suscité l’intérêt de la communauté scientifique pour leurs propriétés innovantes. Principalement issus de l’association de polyélectrolytes et/ou de nanoparticules de différentes morphologies, ils ont ouvert la voie à la fabrication d’une nouvelle catégorie de matériaux nanoporeux, possédant des propriétés optiques attractives telles que la coloration structurale et l’antireflet. Les films multicouches à base de deux nanoparticules de charges opposées sont plus rares et permettent de jumeler les propriétés des deux nanoparticules utilisées et d’en faire émerger de nouvelles. Dans cette étude, nous nous sommes intéressés à deux nanoparticules anisotropes, de facteurs d’aspects contrôlés et respectivement bio/geosourcées : les nanocristaux de cellulose (NCC) et des nanotubes d’imogolite. Le but de cette étude est d’étudier la possibilité de créer un film multicouche bio-géo inspiré à base de ces deux nanoparticules par immersion et d’en étudier les propriétés optiques. Dans un premier temps, nous avons comparé les films multicouches NCC/Ge-imogolites à ceux plus communément décrits dans la littérature, à savoir, des films à base de NCC ou d’imogolite associés à un polyélectrolyte de charge opposée. Les différents paramètres de trempage comme le temps d’immersion et la force ionique de la suspension ont été variés afin d’obtenir une densité de film optimale. Pour finir la porosité des films et leur comportement dans l’eau ont été étudiés par QCM-D, ainsi que leurs propriétés optiques par mesure de transmittance. / In the past decade, multilayer thin films drew the scientific community attention for their unique properties. Indeed, principally made of an association of polyelectrolytes and/or nanoparticles, of various morphologies and chemistries, they allow the design of a range of porous nanomaterials with unique optical properties, such as structural colors or anti-reflectivity. Less commonly described, thin films made of two nanoparticles of opposite charges are gaining interest since they combine the properties of the two nanoparticles used, and generate new ones through their association. In this study, multilayer coatings were formed through the association of two anisotropic oppositely charged nanorods of well-controlled aspect ratio, i.e. bio-based anionic cellulose nanocrystals (CNC) and geo-based cationic Imogolites. This study deals with the feasibility to create a bio-geo-inspired multilayer thin film based on these two nanoparticles by dipping and characterize their optical properties. Firstly, elaboration of multilayered thin films from CNC and Ge-Imogolites nanorods, were studied in comparison with reference films incorporating CNC or Imogolites with polyelectrolytes bearing opposite charges of the nanorods. Multilayered thin films were assembled by the dipping procedure and various parameters (adsorption time, ionic strength, etc.) were varied to investigate the optimal density for the film. To finish, film porosities were investigated using QCM-D, and optical properties were investigated by transmittance measurements.

L’intensification des procédés de décontamination des eaux et de purification des gaz (biogaz ou gaz naturel) est un des enjeux primordiaux pour les années à venir. Pour arriver à relever ce défi, il est nécessaire de développer des adsorbants innovants qui vont améliorer les capacités d’adsorption et les cinétiques d’adsorption et qui peuvent être utilisés en flux continu. Le travail sur la mise en forme des adsorbants, sans ajout de liants, pour augmenter les capacités d’adsorption et le contrôle de leur porosité à plusieurs échelles, pour améliorer la diffusion des ions et des molécules est primordial. La zéolithe FAU-X est utilisée industriellement dans de nombreuses applications comme le piégeage du CO2, la purification des biogaz et du gaz naturel, la séparation des gaz de l’air, la séparation des xylènes et pourrait se révéler aussi très intéressante pour le piégeage du Cs radioactif des effluents nucléaires de part sa grande sélectivité. La FAU-X est utilisée dans des procédés en continu sous forme de particules extrudées de 1 à 3 mm contenant 20-30 wt% de liant argile. Des travaux actuels visent à diminuer la quantité de liant dans les particules et à développer des mises en forme monolithiques contenant des macropores, pour faciliter le transport de matière en utilisant par exemple le « freeze-casting » ou l’impression 3D. Cependant, l’ajout de liant est toujours nécessaire.Une nouvelle approche développée dans cette étude est la mise en forme sans liant de la FAU-X en particules de 1 mm et surtout sous forme monolithique avec une macroporosité contrôlée, homogène et interconnectée. Ceci permet de maximiser le transport de matière et ainsi conduire à une meilleure intensification des procédés et une manipulation plus aisée, notamment dans le cas du traitement d’effluents nucléaires. Ces nouvelles synthèses et mises en forme de la FAU-X utilisent le concept de la transformation pseudomorphique de monolithes silice-alumine, obtenus par alumination de monolithes de silice issus d’un procédé sol-gel combiné à une séparation de phase particulière, la décomposition spinodale en présence de polymères (polyéthylène oxyde). La maîtrise de toutes les étapes de synthèse et de la composition du milieu réactionnel a permis d’obtenir des monolithes de FAU-X pure dont le squelette est formé par une agrégation de nanocristaux de FAU-X. Les monolithes FAU-X présentent ainsi trois types de porosités, micro-/ méso et macroporosité, idéales pour améliorer le transport de matière. Les mésopores résultent de l’espace entre les nanocristaux.Ces monolithes FAU-X nanocristaux ont été testés en flux continu pour le piégeage du Cs contenu dans de l’eau naturelle (eau d’Evian) contenant de multiples cations en compétition. Des résultats remarquables ont été obtenus, avec des courbes de percée idéales, témoignant d’une excellente capacité d’adsorption en condition dynamique. L’efficacité des monolithes FAU-X nanocristaux est comparable au matériau de référence, des particules de silice contenant l’adsorbant le plus sélectif pour le Cs, le Bleu de Prusse, avec en plus l’avantage d’être sous forme monolithique, donc plus aisé à manipuler. Des tests préliminaires en statique ont été effectués pour l’adsorption du CO2 et révèlent des capacités d’adsorption identiques à des FAU-X pures. Les tests en flux continu restent à faire pour évaluer l’adsorption en régime dynamique.Les monolithes FAU-X nanocristaux de cette étude présentent les caractéristiques nécessaires pour être utilisés en intensification des procédés. / The process intensification of water decontamination and gas purification (biogas or natural gas) is one of the key issues for the future. To meet this challenge, it’s necessary to develop innovative adsorbents that will improve the adsorption capacity and adsorption kinetics and can be used in continuous flow. Working on adsorbents shaping without addition of binders to increase their adsorption capacities and on the control of their porosity at several scales (micro-/meso-/macroporosity) to improve ions and molecules diffusion is essential. The FAU-X zeolite is used industrially in many applications such as CO2 capture, biogas and natural gas purification, air separation, xylenes separation and could also be very interesting for trapping radioactive Cs of nuclear wastewater because of its high selectivity. FAU-X is used in continuous processes in the form of extruded particles of 1 to 3 mm containing 20-30 wt% of clay binder. Current works aim to reduce the amount of binder in the particles and develop monolithic shaping containing macropores to facilitate the mass transfer using for example the "freeze-casting" or the 3D printing methods. However, the addition of binders is always necessary.A new approach developed in this study is the binderless shaping of FAU-X into particles (1 mm) and especially into monoliths with a well-controlled homogeneous and interconnected macroporosity. This particular macroporosity was shown to maximize the mass transfer in various applications and thus lead to high process intensifications and an easier handling, especially in the case of the treatment of nuclear wastewater. These new syntheses and shaping of FAU-X use the concept of pseudomorphic transformation of silica-alumina monoliths, obtained by alumination of silica monoliths synthesized from a sol-gel process combined with a particular phase separation, the spinodal decomposition in the presence of polymers (polyethylene oxide). The control of all synthesis steps and the composition of the reaction medium has led to monoliths of pure FAU-X phase, whose skeleton is formed by an aggregation of FAU-X nanocrystals. FAU-X monoliths have three types of porosities, micro-/ meso- and macroporosity, suitable for improving the mass transfer. Mesopores result from the space between nanocrystals.These FAU-X nanocrystals monoliths were tested in continuous flow for the trapping of Cs contained in natural water (Evian water) containing several competing cations. Remarkable results have been obtained, with ideal breakthrough curves, exhibiting excellent adsorption capacity in dynamic conditions. The efficiency of FAU-X nanocrystals monoliths is comparable to the reference material, which is composed of Prussian Blue nanoparticles (the most selective adsorbent for Cs) immobilized in silica particles, with the added advantage of being in monolithic shape and so easier to handle. Preliminary tests of CO2 adsorption in FAU-X nanocrystals monoliths were carried out in static conditions and reveal that the adsorption capacity of the monoliths is equivalent to pure FAU-X crystals. Continuous flow tests remain to be done to evaluate adsorption capacities in dynamic mode.The FAU-X nanocrystals monoliths developed in this study have the characteristics necessary to be used in process intensification for various applications.

La médecine s’intéresse de plus en plus à des systèmes nanométriques visant la détection précoce de cellules malignes, le traitement de ces dernières ou la compréhension de mécanismes biologiques. Des nanoparticules fluorescentes et des nanocristaux harmoniques aux propriétés non-linéaires intéressantes ont été étudiés comme agents de contraste pour l’imagerie biomédicale.Dans ce travail, nous avons recherché un matériau non-centrosymétrique dont la matrice permet un dopage d’ions lanthanides afin de développer des sondes multifonctionnelles, c’est-à-dire à la fois luminescentes et harmoniques. Nous nous sommes orientés vers l’iodate de lanthane de phase alpha, α-La(IO3)3, non-centrosymétrique. Dans un premier temps, nous avons développé des synthèses hydrothermales assistées par micro-ondes pour permettre de cristalliser la phase alpha et produire des particules de taille nanométrique (< 100 nm). La présence de nombreux pseudo-polymorphes nécessite le contrôle précis des paramètres de synthèse, en particulier de la température de synthèse, pour obtenir exclusivement des nanoparticules de α-La(IO3)3. L’étude de différents intermédiaires réactionnels (La(IO3)3(OH2), La(IO3)2.66(OH)0.33) nous a permis de mettre en évidence une transformation de phase entre ces composés et la phase α-La(IO3)3. Dans un deuxième temps, nous avons utilisé deux dispositifs optiques permettant de mesurer l’efficacité de génération de second harmonique : l’un permettant l’étude de nanocristaux de α-La(IO3)3 individuels et l’autre utilisant un ensemble de nanocristaux en suspension dans un solvant. Ce dernier, basé sur la diffusion Hyper-Rayleigh, nous a permis de quantifier la réponse non-linéaire de nanocristaux α-La(IO3)3 de diamètre 20-50 nm et de déterminer un coefficient non-linéaire < d > de 8 pm.V-1, comparable aux valeurs obtenues pour d’autres nanocristaux harmoniques tels que BaTiO3 ou LiNbO3. Enfin, nous avons montré la possibilité d’incorporer des ions lanthanides tels que Er3+ et Yb3+ dans ces nanocristaux d’iodate de lanthane, conduisant à des nanocristaux de α-La1-x-yYbyErx(IO3)3. Ces nanocristaux sont toujours actifs en génération de second harmonique et émettent simultanément un signal de photoluminescence. Ainsi, pour une excitation dans le proche infra-rouge (800 nm ou 980 nm par exemple), nous avons observé simultanément un signal de second harmonique et de photoluminescence par up-conversion. Nous avons démontré l’intérêt d’un co-dopage Yb3+/Er3+ pour une optimisation du signal d’up-conversion sous une excitation à 980 nm. Ainsi, par un dopage d’ions lanthanides tels que Er3+ et Yb3+, les nanocristaux de α-La(IO3)3 présentent une émission simultanée de génération de second harmonique et de photoluminescence. La combinaison de ces deux propriétés permet d’envisager d’utiliser ces nanocristaux bifonctionnels pour une imagerie par luminescence, technique classique, tout en la couplant avec une imagerie multiphoton, plus coûteuse mais présentant des avantages non-négligeables (rapidité de scans, meilleure sélectivité spatiale, sensibilité à la polarisation). / Medicine is increasingly interested in nanometric systems for the early detection of malignant cells, their treatment or understanding of biological mechanisms. Fluorescent nanoparticles and harmonic nanocrystals with interesting non-linear properties have been studied as contrast agents for biomedical imaging.In this work, we explored a non-centrosymmetric material whose matrix allows a doping of lanthanide ions in order to develop multifunctional probes, i. e. both luminescent and harmonic. We focused on non-centrosymmetric iodate phase: alpha lanthanum iodate, α-La(IO3)3. First, we developed microwave-assisted hydrothermal syntheses to crystallize the alpha phase and produce nano-sized particles (< 100 nm). The presence of many pseudo-polymorphs requires precise control of the synthesis parameters, in particular the synthesis temperature, to obtain exclusively nanoparticles of α-La(IO3)3. The study of different reaction intermediates (La(IO3)3(OH2), La(IO3)2.66(OH)0.33) allowed us to identify a phase transformation between these compounds and the phase α-La(IO3)3. Secondly, we used two optical devices to evaluate the second harmonic generation efficiency of the synthesized α-La(IO3)3 nanocrystals: one set-up allowed us to study individual α-La(IO3)3 nanocrystals and the other used an ensemble of α-La(IO3)3 nanocrystals in suspension in a solvent. The latter, based on Hyper-Rayleigh scattering, quantified the non-linear response of nanocrystals α-La(IO3)3 with a diameter of 20-50 nm and allowed us to determine a non-linear coefficient < d > of 8 pm.V-1, a value comparable to the ones obtained for other harmonic nanocrystals such as BaTiO3 or LiNbO3. Finally, we showed the possibility of incorporating lanthanide ions such as Er3+ and Yb3+ into these lanthanum iodate nanocrystals, leading to α-La1-x-yYbyErx(IO3)3 nanocrystals. These nanocrystals are still active in second harmonic generation and simultaneously emit a photoluminescence signal. Thus, for excitation in the near infrared (800 nm or 980 nm for instance), we simultaneously observed a signal of second harmonic and a photoluminescence signal based on up-conversion processes. We demonstrated the interest of an Yb3+/Er3+ co-doping for an optimization of the up-conversion signal under excitation at 980 nm. Thus, Er3+ and Yb3+-doped nanocrystals of α-La(IO3)3 exhibit simultaneous emission of second harmonic generation and photoluminescence. The combination of these two properties makes it possible to consider using these bifunctional nanocrystals for conventional luminescence imaging, while coupling it with multiphoton imaging, which is more expensive but has significant advantages (scan speed, better spatial selectivity, polarization sensitivity).

Les nanocristaux semi-conducteurs colloïdaux possèdent des propriétés photo-physiques qui en font des objets de choix pour des applications variées, comme le marquage biologique, le photovoltaïque ou encore l'optique quantique. Dans cette thèse, nous étudions les modifications, introduites par des réseaux d'or, de la fluorescence de nanocristaux CdSe/CdS à coquille épaisse. Nous présentons tout d'abord les propriétés fondamentales de ces nanocristaux de CdSe/CdS puis la manière dont leurs propriétés d'émission peuvent être contrôlées par l'environnement électromagnétique, en détaillant en particulier le cas d'un couplage avec des plasmons de surface. Des simulations réalisées par nos collaborateurs du LICB dans le cadre d'un projet ANR sont ensuite comparées à nos mesures expérimentales. Nous observons que le couplage des nano-émetteurs individuels au réseau d'or permet à la fois d'accélérer l'émission spontanée et de mieux la collecter. Les structures métalliques sont optimisées pour que les améliorations détectées soient peu sensibles à la position de l'émetteur. Un effet supplémentaire est le contrôle de la polarisation de l'émission qui se révèle être fixée pa r le réseau. Nous rapportons également des changements dans la statistique temporelle d'émission des photons et notamment la suppression totale du scintillement. Les métaux étant connus pour leurs pertes ohmiques, des expériences ont été réalisées pour montrer que les pertes non radiatives qu'elles entraînent peuvent être réduites à basse température. Nous avons examiné le cas d'une surface d'or plane ainsi que des réseaux linéaires et circulaires. Enfin, une nouvelle méthode de post-traitement a été développée en parallèle. Elle permet par exemple d'étudier les variations de l'efficacité quantique bi-excitonique dans des nanocristaux enrobés d'or suivant l'état de charge de l'émetteur. / Colloidal semiconductor nanocrystals are fluorescent nano-objects exhibiting discrete energy levels which justify their second appellation: quantum dots (QDs). Due to their high efficiency and ease of use, they find potential applications in a wide range of fields. Their usefulness for biological labeling, optoelectronic components in flat screens, light harvesting or quantum optics has been demonstrated by many studies. In this thesis, we use gold gratings in order to modify the emission properties of CdSe/CdS core-shell nanocrystals. After a brief presentation of their electronic and fluorescence properties, we explain how those properties can be modified by the control of the electromagnetic environment with particular care to the case of surface plasmons. We then show through experiment and simulations that those plasmons enable better collection efficiency, faster photo-luminescence decay rates, and polarized emission without being particularly restricting towards QD positioning. Changes in the emission statistics are also observed, notably total suppression of the blinking in the fluorescence intensity. Further experiments at low temperature have been realized in order to assess the importance of the gold ohmic losses. We investigated the case of a flat gold film as well as linear and circular gratings. A new post-selection method is also introduced and used to study the variations of the bi-excitonic quantum yield for nanocrystals embedded in a gold nano-resonator as a function of the ionization state of the emitter.

Depuis les années 1970, les oxydes mixtes de type hexaaluminate suscitent un intérêt certain pour les réactions catalytiques du fait de leur stabilité thermique élevée, leur conférant un fort potentiel pour les réactions se déroulant à haute température. Cependant, la majorité des procédés de synthèse adoptés pour la préparation de ces derniers nécessite au moins une étape de traitement thermique à haute température afin d’achever le processus de cristallisation. Ainsi, les hexaaluminates préparées par voie chimique classique présentent des tailles de particule larges et des aires spécifiques réduites (&lt; 20 m2 g-1). Dans le cadre de ce travail, l’optimisation des paramètres et des conditions de synthèse pour la préparation d’hexaaluminates nanocristallines de grande aires spécifiques a fait l’objet d’une étude détaillée. Le broyage réactif s’est révélé être une méthode de synthèse efficace, et des aires spécifiques très élevées ont été obtenues (&gt; 70 m2 g-1). Il a été observé que la nature et la concentration du métal de transition inséré dans la structure influence fortement les propriétés redox et la mobilité d’oxygène de ces solides. Cependant, pour une même composition chimique, les propriétés redox et la mobilité de l’oxygène sont conditionnées par les propriétés structurales et texturales. L’étude des propriétés catalytiques des hexaaluminates en oxydation de CH4 et de CO a montré que l’activité de ces derniers résulte d’un équilibre complexe entre les propriétés texturales et structurales, l’état de la surface (nature et concentration des sites redox), et les propriétés de réductibilité et de mobilité d’oxygène. / Since the beginning of the 1970’s, hexaaluminate mixed oxides were proposed as efficient materials for catalytic reactions at high temperature, e.g. catalytic combustion. Their abilities to maintain phase stability and high surface area are considered as great properties. Unfortunately, most of the reported chemical synthesis methods for hexaaluminate preparation involve at least one calcinations step at high temperature (&gt; 1100°C) to crystallize the desired pure phase, which leads to crystal growth and unavoidable surface reduction. The catalytic performances of hexaaluminate materials depend essentially to the structural and textural properties i.e. surface area, crystal size, and phase purity. Thus, the first part of this study was dedicated to the study of an original synthesis route, the "Activated Reactive Synthesis" process that is evidenced as a promising top down approach to generate nanostructured hexaaluminate with high surface area. Values of surface areas obtained were largely higher (&gt; 77 m2 g-1) to those reported for hexaaluminates prepared by conventional routes (~ 20 m2 g-1). The nature of the transition metal, Mn+, inserted in the hexaaluminate structure, and its concentration, play a key role on the redox behaviours and the oxygen transfer properties. Nevertheless, for a same chemical composition, the redox properties and oxygen mobility were found to be dependent to the structural and textural properties. Activities of hexaaluminate materials in CO and CH4 oxidation reactions are reported to depend on a complex balance between structural and textural properties, surface state, reducibility, and oxygen mobility in the bulk.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2012-2013. / Les points quantiques colloïdaux (cQD) sont des nanocristaux semiconducteurs permettant, d'un point de vue fondamental, l'étude des effets du confinement quantique. L'étude de ces effets dans les cQD se fait généralement par spectroscopie optique. Les quasi-particules alors étudiées sont des excitons, chacun composé d'une paire électron-trou en interaction. Il est alors a priori impossible de sonder optiquement les niveaux énergétiques des électrons et des trous séparément. La spectroscopie par transport électrique permet d'accéder aux niveaux d'énergie des quasi-particules uniques. De plus, comparativement à la spectroscopie par effet tunnel, il est possible de contrôler la charge du cQD par blocage de Coulomb. Ceci ouvre la porte à des études sur l'effet de charges excédentaires sur les propriétés optiques de cQD par la combinaison de la spectroscopie optique et celle par transport. La spectroscopie par transport électrique d'un cQD peut être réalisée à l'aide d'un transistor à un électron composé d'un cQD unique [l]. Dans ce but, des échantillons possédant la structure à trois terminaux d'un transistor sont fabriqués sur des substrats de silicium sur lesquels une couche d'oxyde de silicium est présente. La source et le drain sont séparés d'une distance nanométrique, nommée nanogap, par gravure à l'aide d'un faisceau focalisé d'ions de gallium. Une grille locale, permettant le contrôle électrostatique du cQD, est située à environ 100 nm du nanogap, où le cQD est connecté. Les fuites de courant entre les terminaux des dispositifs sans cQD sont de l'ordre de 100 GQ, ce qui est suffisant pour permettre l'étude des cQD par transport électrique. Des mesures de transport à deux terminaux sont effectuées à température de la pièce après l'incorporation de cQD de CdSe et de CdSe/CdS à coquille épaisse d'environ 4.2 nm et 12.7 nm de diamètre respectivement. Les tensions de seuil à partir desquelles le courant circule dans le dispositif correspondent approximativement à celles prédites par un modèle de confinement quantique fini. De plus, les mesures de transport révèlent la présence de bruit télégraphique montrant de deux à trois paliers de courant avec des variations relatives aussi grandes que ±20% par rapport à la valeur moyenne du courant. Le bruit télégraphique en transport et le phénomène de clignotement observé en photoluminescence ont potentiellement comme origine commune la présence de charges capturées dans des états de pièges à la surface des cQD.

Nous avons optimisé l'élaboration de nanocristaux organiques dans des couches minces sol-gel obtenues par « spin-coating ». Notre étude a porté plus particulièrement sur la préparation de sols avec des précurseurs contenant des groupes espaceurs organiques rigides en vue d'augmenter la taille des pores de la matrice sol-gel. L'utilisation de différentes techniques de caractérisation (microscopie optique confocale, microscopie électronique en transmission) nous a permis de sélectionner les fluorophores adaptés pour notre étude et de comparer le processus de nucléation-croissance de cristaux non supportés obtenus à partir de solutions libres avec le confinement spatial apporté par notre méthode de nanocristallisation. La diffraction électronique et la microscopie de fluorescence résolue en polarisation nous ont permis d'identifier un grand nombre de nanoparticules cristallisées et dans certains cas, de prouver leur monocristallinité. Les propriétés des nanocristaux en tant que fonction de signalisation d'un capteur chimique ont ensuite été analysées par spectroscopie de fluorescence résolue dans le temps. En effet, l'adsorption d'une molécule sonde appropriée entraîne une inhibition de la fluorescence des nanocristaux, d'autant plus significative grâce à l'ordre cristallin, qui permet de délocaliser l'excitation lumineuse sur une grande proportion des 10^4 à 10^10 molécules du nanocristal. En ajustant la porosité de la matrice sol-gel par des précurseurs contenant des groupes espaceurs, nous avons soit optimisé la diffusion de molécules vers les nanocristaux, soit protégé les nanocristaux contre des interactions non spécifiques. Enfin, nous avons montré les potentialités de nos échantillons comme capteurs biologiques.

Ce travail de thèse concerne la réalisation et l'analyse des propriétés optiques de nanocristaux de silicium. Ces objets de taille nanométrique possèdent des propriétés optiques remarquables, en particulier de photoluminescence. Les propriétés de confinement quantique qui les caractérisent permettent d'obtenir un signal de luminescence intense dans le domaine du visible. Des composants optoélectroniques et photoniques ont été envisagés à base de nanocristaux de silicium. Les raisons physiques du fort signal de luminescence en revanche sont encore mal comprises. Les nanocristaux de silicium sont élaborés par évaporation. L'élaboration et le recuit thermique de multicouches SiO/SiO2 permet d'obtenir des nanocristaux de silicium de diamètre moyen bien contrôlé. Ceux-ci sont issus de la démixtion de la couche de SiO selon la réaction SiOx --> Si + SiO2. Le contrôle du diamètre des nanocristaux de silicium permet de maîtriser la région spectrale de luminescence dans la région du visible.La première partie de ce travail de thèse vise à isoler un ou quelques nanocristaux de silicium. L'objectif est de remonter à la largeur homogène de ces nano-objets. Dans un premier temps, une étude centrée sur le matériau SiOx est réalisée afin de réduire la densité surfacique de nanocristaux de silicium. Dans un deuxième temps, des moyens de lithographie ultime sont mis en oeuvre afin de réaliser des masques percés de trous de diamètres de l'ordre de la centaine de nanomètre. Des expériences de spectroscopie optique sont réalisées sur ces systèmes.La deuxième partie de ce travail vise à contrôler l'émission spontanée de lumière issue des nanocristaux de silicium. Ceci se fait en couplant les modes électroniques aux modes optiques confinés d'une microcavité optique. Le manuscrit détaille les moyens développés afin d'obtenir une microcavité optique dont les modes optiques puissent se coupler efficacement aux nanocristaux de silicium. Les propriétés optiques de ces systèmes sont finalement analysées. / This work concerns the implementation and analysis of optical properties of silicon nanocrystals. These nanoscaled objects have remarkable optical properties, especially in photoluminescence. The properties of quantum confinement that characterize them allow obtaining an intense luminescence signal in the visible range. Optoelectronic and photonic devices have been proposed based on silicon nanocrystals. The physical reasons of the strong luminescence signal, however, are still poorly understood. The silicon nanocrystals are prepared by evaporation. The preparation and thermal annealing of multilayers SiO/SiO2 leads to silicon nanocrystals with a well controlled average diameter. They are created during the demixing of the SiO layer by the reaction SiO ? Si + SiO2. The control the diameter of the silicon nanocrystals influences directly the spectral region of luminescence in the visible region.The aim of first part of this work is to isolate one or a few silicon nanocrystals. The intent is to trace the homogeneous width of these nano-objects. Initially, a study focusing on the SiOx material is conducted to reduce the surface density of silicon nanocrystals. In a second step, lithography is implemented to make masks with holes with diameters of about one hundred nanometers. Optical spectroscopy experiments were performed on these systems.The second part of this work aims controlling the spontaneous emission of light from silicon nanocrystals. This is done by coupling the electronic transmission to optical modes confined in an optical microcavity. The manuscript describes the methods developed to obtain an optical microcavity whose optical modes can be coupled effectively to the silicon nanocrystals. The optical properties of these systems are finally analyzed

Les mémoires à nanocristaux de silicium sont considérées comme l'une des solutions les plus intéressantes pour remplacer les grilles flottantes dans les mémoires Flash pour des applications de mémoires non-volatiles embarquées. Ces nanocristaux sont intéressants pour leur compatibilité avec les technologies de procédé CMOS, et la réduction des coûts de fabrication. De plus, la taille des nanocristaux garantie un faible couplage entre les cellules et la robustesse contre les effets de SILC. L'un des principaux challenges pour les mémoires embarquées dans des applications mobiles et sans contact est l'amélioration de la consommation d'énergie afin de réduire les contraintes de design de cellules. Dans cette étude, nous présentons l'état de l'art des mémoires Flash à grille flottante et à nanocristaux de silicium. Sur ce dernier type de mémoire une optimisation des principaux paramètres technologiques a été effectuée pour permettre l'obtention d'une fenêtre de programmation compatible avec les applications à faible consommation d'énergie. L'étude s'attache à l'optimisation de la fiabilité de la cellule à nanocristaux de silicium. On présente pour la première fois une cellule fonctionnelle après un million de cycles d'écriture et effacement dans une large gamme de températures [-40°C;150°C], et qui est capable de retenir l'information pendant dix ans à 150°C. Enfin, une analyse de la consommation de courant et d'énergie durant la programmation montre l'adaptabilité de la cellule pour des applications à faible consommation. Toutes les données expérimentales ont été comparées avec les résultats d'une cellule standard à grille flottante pour montrer les améliorations apportées. / The silicon nanocrystal memories are one of the most attractive solutions to replace the Flash floating gate for nonvolatile memory embedded applications, especially for their high compatibility with CMOS process and the lower manufacturing cost. Moreover, the nanocrystal size guarantees a weak device-to-device coupling in an array configuration and, in addition, for this technology it has been shown the robustness against SILC. One of the main challenges for embedded memories in portable and contactless applications is to improve the energy consumption in order to reduce the design constraints. Today the application request is to use the Flash memories with both low voltage biases and fast programming operation. In this study, we present the state of the art of Flash floating gate memory cell and silicon nanocrystal memories. Concerning this latter device, we studied the effect of main technological parameters in order to optimize the cell performance. The aim was to achieve a satisfactory programming window for low energy applications. Furthermore, the silicon nanocrystal cell reliability has been investigated. We present for the first time a silicon nanocrystal memory cell with a good functioning after one million write/erase cycles, working on a wide range of temperature [-40°C; 150°C]. Moreover, ten years data retention at 150°C is extrapolated. Finally, the analysis concerning the current and energy consumption during the programming operation shows the opportunity to use the silicon nanocrystal cell for low power applications. All the experimental data have been compared with the results achieved on Flash floating gate memory, to show the performance improvement.