L’étude des propriétés singulières de nanoparticules colloïdales synthétisées par voie chimique et leur intégration dans des nano-composants requiert leur assemblage dirigé sur des zones parfaitement définies et localisées de surfaces solides. L’objet de cette thèse est le développement d’une méthode d’assemblage dirigé originale: la nanoxérographie par microscope à force atomique (AFM). Cette technique consiste à injecter localement, sur des zones spécifiques, des charges électrostatiques dans un matériau électret par l’intermédiaire d’une pointe d’AFM. Ces charges servent ensuite de pièges électrostatiques sur la surface pour les nanoparticules en solution. Dans le cadre de ce travail, l’injection, la rétention de charges dans de fines couches électrets de PolyMéthylMéthAcrylate (PMMA) et la quantification des densités de charges surfaciques des motifs chargés, ont été étudiées grâce au mode électrique dérivé de l’AFM, le microscope à force Kelvin (KFM). L’étude de l’assemblage de nanoparticules de différentes natures (métal, polymère (organique ou inorganique)), de taille moyenne variable dans un large domaine (2 nm - 1µm) et de potentiel zêta contrôlé a permis d’analyser les mécanismes de dépôt et de montrer les performances de la méthode et son aspect générique. Enfin deux techniques d’injection de charges parallèles ont été mises en place afin d’offrir des perspectives industrielles: le microcontact printing électrique et la nanoimpression électrique / The study of original properties of colloidal nanoparticles and their integration into nanodevices requires their assembly onto specific areas of solid surfaces. The aim of this thesis work is to develop an innovative method for the directed assembly of colloidal nanoparticles: the nanoxerography process by atomic force microscope (AFM). This technique consists in injecting charges into electrets using an AFM tip. The injected charges are then used to electrostatically trap nanoparticles from suspensions onto the surface. In this context, the charge writing and charge decay in PolyMethyMethAcrylate (PMMA) thin films were studied and the charge density of the charged patterns were quantified using Kelvin force microscope (KFM), an electrical mode of AFM. Assemblies of nanoparticles of different nature (metallic, polymeric (organic and inorganic)), with average sizes extending over a large range (2 nm to 1 µm) and controlled zeta potential were obtained on PMMA thin films. This allowed the analysis of assembly mechanisms and demonstration of the excellent performance of the method. Finally, two techniques of parallel charge writing, viz., the electrical microcontact printing and the electrical nanoimprinting were explored with the prospect of extending the nanoxerography process to industrial scale

Le but de la conception d’un biomatériau est de mimer les modèles qui puissent être représentatifs de la matrice extracellulaire (MEC) existant in vivo. Cet objectif peut être atteint en associant une combinaison de cellules et des facteurs biologiques à un biomatériau sur lequel ces cellules peuvent se développer pour reconstruire le tissu natif. Dans cet étude, nous avons crée des surfaces bioactives nanostructurées en combinant la nanolithographie et la fonctionnalisation de surface, en greffant un peptide RGD ou BMP-2 (bone morphogenetic protein 2). Nous avons étudié l’effet de cette nanodistribution sur le comportement des cellules souches mésenchymateuses en analysant leur adhésion et différentiation. Nous notons que la nanodistribution des peptides induit une bioactivité qui a un impact sur l’organisation du cytosquelette, la conformation des fibres de stresse de l’actin, la maturation des adhésions focales (AFs), et le commitment des cellules souches. En particulier, l’aire, la distribution, et la conformation des AFs sont affectes par la présence des nanopatterns. En plus, le RGD et le BMP-2 changent le comportement cellulaire par des voies et des mécanismes différents en variant l’organisation des cellules souches et la maturation de leurs AFs. La nanodistribution influence de façon évidente les cellules souches en modifiant leur comportement (adhésion et différenciation) ce qui a contribué et ce qui contribuera à améliorer la compréhension des interactions des cellules avec la MEC. / The aim of biomaterials design is to create an artificial environment that mimics the in vivo extracellular matrix for optimized cell interactions. A precise synergy between the scaffolding material, bioactivity, and cell type must be maintained in an effective biomaterial. In this work, we present a technique of nanofabrication that creates chemically nanopatterned bioactive silicon surfaces for cell studies. Using nanoimprint lithography, RGD and mimetic BMP-2 peptides were covalently grafted onto silicon as nanodots of various dimensions, resulting in a nanodistribution of bioactivity. To study the effects of spatially distributed bioactivity on cell behavior, mesenchymal stem cells (MSCs) were cultured on these chemically modified surfaces, and their adhesion and differentiation were studied. MSCs are used in regenerative medicine due to their multipotent properties, and well-controlled biomaterial surface chemistries can be used to influence their fate. We observe that peptide nanodots induce differences in MSC behavior in terms of cytoskeletal organization, actin stress fiber arrangement, focal adhesion (FA) maturation, and MSC commitment in comparison with homogeneous control surfaces. In particular, FA area, distribution, and conformation were highly affected by the presence of peptide nanopatterns. Additionally, RGD and mimetic BMP-2 peptides influenced cellular behavior through different mechanisms that resulted in changes in cell spreading and FA maturation. These findings have remarkable implications that contribute to the understanding of cell-extracellular matrix interactions for clinical biomaterials applications.

Les antireflets permettent d'accroître l'efficacité des cellules photovoltaïques, d'augmenter la sensibilité des détecteurs optroniques, et même d'améliorer l'extraction lumineuse des diodes électroluminescentes. Traditionnellement, des empilements de matériaux en couches minces sont utilisés pour les fabriquer. Nous avons étudié une technique alternative qui s'appuie sur la microstructuration de l'interface air-substrat. Il s'agit, plus précisément, de modéliser et de fabriquer des surfaces microstructurées bi-périodiques sur silicium et sur germanium présentant un effet antireflet très efficace dans l'infrarouge en bandes II et III respectivement. Ces structures nécessitent une description rigoureuse des phénomènes de propagation de la lumière. L'influence des paramètres opto-géométriques est examinée sous le point de vue des cristaux photoniques en utilisant les diagrammes de bandes. Pour réaliser ces structures, des techniques à bas coût, basées sur une gravure humide anisotrope du semi-conducteur cristallin à travers un masque obtenu par photolithographie, ont été utilisées. Nous obtenons expérimentalement sur silicium un facteur de réflexion inférieur à 4% sur l'ensemble du spectre IR II. Un très bon accord calcul/mesure permet de valider les résultats numériques obtenus précédemment.

L'ion neodyme est un candidat potentiel pour realiser un amplificateur optique pour la seconde bande de telecommunications optiques, en particulier du fait de sa bande d'absorption accessible aux diodes laser du commerce. Cependant, l'emission a 1,3 mm est en competition avec la transition a 1,06 mm issue du meme niveau metastable. Pour optimiser les performances de l'amplificateur a base de neodyme, il faut eliminer cette emission. Nous proposons donc une structure integrant un filtre par reseau de Bragg incline et distribue sur toute la longueur de l'amplificateur. Cet amplificateur est concu a partir d'une couche mince de trifluorure de lanthane (LaF3) dope neodyme (Nd3+). Nous avons mene une etude spectroscopique du LaF3:Nd3+. Durant cette etude, nous nous sommes attaches a etudier certains parametres importants pour l'amplificateur, notamment la polarisation de l'emission a 1,3 mm et l'influence de la concentration en Nd3+. Nous avons ensuite developpe un procede de realisation original a plusieurs points de vue : tout d'abord par l'association d'un materiau polymere pour realiser les fonctions optiques passives et du LaF3:Nd3+ monocristallin comme materiau actif, ensuite par le developpement de technologies generiques permettant de realiser des fonctions optiques a bas cout comme la nanoimpression utilisant une resine thermodurcissable tres fluide et le polisciage. Nous avons aussi mis au point des traitements de surface permettant d'ameliorer l'adherence sur un polymere et les cristaux ioniques. Nous avons enfin modelise le gain d'un micro amplificateur pour 1,3 mm et determine les conditions a respecter pour avoir un gain efficace et un bon rendement. A la suite de quoi, nous proposons une structure pour realiser un tel amplificateur.

Parmi toutes les méthodes de confinement des porteurs dans les trois directions de l'espace, la croissance auto organisée de boîtes quantiques semble être la meilleure. La méthode de fabrication de ces nanostructures est l'épitaxie par jets moléculaires ; elle permet l'obtention de cristaux d'une grande qualité, de manière cohérente avec leur environnement. Cette technique d'auto organisation dite de Stranski Krastanov génère cependant des nanostructures de tailles diverses ; le spectre de leur luminescence s'en retrouve élargi, altérant les performances des composants à base de boîtes quantiques. Une solution consiste à localiser leur croissance en structurant à l'échelle nanométrique le substrat : lorsqu'elles sont régulièrement espacées, leur taille et leur géométrie sont plus homogènes. La technique employée, la nanoimpression, présente l'avantage majeur de ne pas altérer la cristallinité du substrat. Ces travaux mettent en exergue le fait que la luminescence des boîtes quantiques après reprise d'épitaxie sur ces surfaces nanostructurées par nanoimpression est intense. Les boîtes quantiques sont ici appliquées à un domaine en plein essor : l'électronique de spin. Le principe est d'utiliser le spin de l'électron pour coder l'information. Trois problèmes majeurs doivent être surmontés pour ce faire : l'injection de porteurs polarisés en spin dans le semiconducteur, le transport de ces porteurs polarisés, et enfin la recombinaison radiative, le cas échéant, pour émettre des photons polarisés avec un bon rendement. Dans cette thèse, nous présentons un composant qui permet de qualifier l'ensemble de ces paramètres, la spinLED. Les temps caractéristiques de relaxation de spin dans le semiconducteur sont courts, de l'ordre de 100ps ; il a été nécessaire d'adapter la structure de la spinLED pour la rendre compatible aux caractérisations en hyperfréquence, jusqu'à 20GHz.

Quelque soit le domaine d'application, qu'il soit électronique, mécanique, optique, magnétique ou biologique, les dimensions des dispositifs diminuent régulièrement. Dans cette course effrénée à la miniaturisation, la lithographie représente une étape technologique clé de la structuration d'un matériau. Son rôle, décisif, est rempli à ce jour par des outils de lithographie optique opérant dans l'ultraviolet profond. Les objectifs en terme de résolution et de rendement sont ainsi atteints et répondent aux exigences économiques des industriels de la microélectronique. Les outils de lithographie par faisceau d'électrons sont également utilisés mais, malgré une excellente résolution, les temps d'exposition sont extrêmement longs et cela compromet sérieusement leur utilisation en milieu industriel. L'amélioration continuelle de la résolution rend ces outils de plus en plus coûteux et les laboratoires de recherche, extérieurs au domaine de la microélectronique sont souvent incapables d'investir aussi lourdement pour la seule étape de lithographie. L'introduction et le développement de nouvelles techniques de lithographie résolvantes, rapides et peu coûteuses s'avèrent donc nécessaire. C'est dans ce contexte que sont apparues les techniques de lithographie par impression qui figurent désormais parmi les NGL (Next Generation Lithography).<br />L'objet de ce travail de thèse est l'étude et le développement de la technique de lithographie par nanoimpression. Ce travail est principalement axé sur l'étude et la caractérisation des films minces de polymère lors du procédé de lithographie par nanoimpression. Nous nous sommes essentiellement intéressés à la caractérisation des propriétés thermique et physico-chimique des films sur leur substrat, à l'uniformité de l'épaisseur résiduelle, aux mécanismes d'impression, aux déformations du moule ainsi qu'à ses conséquences et enfin aux instabilités des films de polymère lors de l'impression

La nanoimpression assistée par UV (UV-NIL) est une technique de lithographie émergente permettant de fabriquer des motifs de très petites dimensions (de l'ordre du nanomètre) par simple pressage d'un moule transparent (contenant dans sa surface des nanostructures) dans une résine fluide (déposée en film mince sur un substrat en silicium par centrifugation). L'étape suivante au pressage est l'exposition aux rayonnements UV qui photo-polymérise la résine, avant de séparer le moule de la résine durcie. En raison de son fort potentiel, l'UV-NIL est considéré comme un candidat possible pour réaliser l'étape lithographique dans la fabrication des circuits intégrés du futur. Deux aspects critiques peuvent empêcher l'adoption de l'UV-NIL à une échelle industrielle. Il s'agit des défauts générés après l'étape de pressage (liés à l'écoulement de la résine) et la courte durée de vie du moule traitée (il est en fait nécessaire de déposer une couche antiadhésive sur la surface du moule pour éviter que la résine s'y colle). La première problématique a été abordée à travers la proposition d'un model qui semble permettre de estimer la longueur d'écoulement des résines fluide pour l'UV-NIL. Les recherches menées au tour de la deuxième problématique représentent le coeur de ce manuscrit. Une meilleure compréhension des mécanismes de dégradation de la couche antiadhésive ont été acquis. La dégradation est le résultat d'une attaque chimique (exercé par les radicaux produits dans la résine polymérisée contre la molécule fluorée et conditionné aussi par la nature chimique de la résine photosensible) et d'une dégradation mécanique (due aux stresses exercés pendant le démoulage et liée à la qualité du greffage de la molécule antiadhésive sur le moule). La rajoute de surfactants fluorés dans la formulation de la résine représente une solution valable pour augmenter le nombre d'impressions faites avec un même moule traité. Enfin une résine hybride (organique-inorganique) a été synthétisée pour une application concrète : la réalisation de moules qui permettent d'organiser à longue échelle (quelque millimètre) des di-bloc copolymers (avec un taille de quelque nanometer) par graphoepitaxie.

Cette thèse présente des résultats théoriques et expérimentaux portant sur des écoulements à l'échelle nanoscopique de polymères fondus. L'étude analytique et numérique de l'écoulement d'un film de polymère, préalablement nanostructuré par nanoimpression puis recuit au dessus de sa température de transition vitreuse, a permis de dégager différentes dynamiques de nivellement selon la topographie initiale du film. Certaines ont été appliquées à l'élaboration d'éléments optiques par recuit de nanostructures complexes. Une méthode de mesure de la viscosité Newtonienne et du temps terminal de relaxation d'un polymère déposé en film mince a également pu être développée. Enfin, un travail exploratoire portant sur un procédé de nanoimpression sans épaisseur résiduelle par démouillage est présenté. L'accent a porté sur le calcul précis de la pression de disjonction dans un milieu stratifié en utilisant la théorie moderne de Lifshitz basée sur les propriétés optiques des matériaux en interaction. / This thesis presents a theoretical and experimental work on nanoscale flows of polymer melts. Different leveling dynamics emerge from the analytical and numerical study of the reflow of a polymer film that is first nanoimprinted and then annealed above its glass transition temperature, depending on the initial topography of the film. These concepts were applied to the manufacturing of optical devices from the reflow of complex nanostructures. A method to measure the Newtonian viscosity and the terminal relaxation time of a thin polymer film was also developed. Finally, an exploratory work on a residual-layer-free nanoimprint process based on dewetting is presented. Emphasis was put on the accurate computation of the disjoining pressure in stratified media with the modern Lifshitz theory based on the optical properties of the interacting materials.

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Le coût de fabrication des modules photovoltaïques est un point critique pour implanter l’énergie solaire dans le mix énergétique. L’un des moyens d’abaisser ce coût est la réduction de l’épaisseur de silicium utilisé pour la fabrication des cellules photovoltaïques. Il est techniquement possible de produire des cellules photovoltaïques en silicium cristallin d’une épaisseur de quelques dizaines de micromètres d’épaisseur seulement, bien que cela représente un défi à la fois pour le procédé de fabrication de telles cellules et pour leur optimisation. Celle-ci est différente des cellules d’épaisseur conventionnelle notamment par le besoin d’un piégeage optique et d’une passivation de surface de haut niveau. Cet aspect sera étudié au travers de deux structures : un réflecteur en face arrière de la cellule, et un procédé de texturisation innovant pour limiter la gravure du silicium de la cellule, déjà mince. Enfin, l’implantation du réflecteur dans des cellules photovoltaïques sera traitée. L’optimisation du réflecteur considéré pour des cellules minces en silicium cristallin a montré de très bonnes propriétés réfléchissantes et de passivation de surface, ainsi qu’une compatibilité avec l’ensemble des étapes du procédé de fabrication. Ensuite, la texturisation avancée développée dans ce travail a montré un gain potentiel important en photogénération pour des cellules de faible épaisseur. La caractérisation de ces structures a montré des performances optiques et électriques comparables à l’état-de-l’art. Enfin, la fabrication de cellules photovoltaïques d’épaisseur standard utilisant le procédé développé pour les cellules minces a montré le gain du réflecteur développé pour la face arrière par rapport à une structure classique de cellule. De plus, la réalisation de ces cellules avec le procédé destiné aux cellules minces a permis d’établir que les étapes non-standard du procédé sont compatibles avec l’obtention de cellules photovoltaïques performantes. / The cost of fabrication of photovoltaic modules is a critical figure for settling solar power into the energy mix. One way to lower this cost is to decrease silicon use in photovoltaic cells. It is technically possible to produce crystalline silicon solar cells only a few dozens of microns thick, although this represents a challenge both for their fabrication process and their optimization. This last one is different from cells of standard thickness, especially by the need of high level light trapping and surface passivation. Two structures will be studied in order to fulfill these aspects : a reflector on the rear side of the cell, and an innovative texturing process used to limit the etching of the already thin silicon absorber. Eventually, the implementation of the rear side reflector into photovoltaic cells will be discussed. The rear side reflector optimized for thin-film crystalline silicon solar cells has shown very good passivating and reflecting properties, as well as compatibility with the overall fabrication process. Moreover, the advanced texturation process developped in this work has shown a large potential gain in photogeneration for thin solar cells. These structures have been characterized and have shown a reflectivity and a passivation level coherent with the state-of-the-art. Finally, solar cells of standard thickness have been fabricated with the thin solar cells process, and have shown an improvement from the rear side reflector in comparison with a standard cell structure. Moreover, making these cells with the thin cells process has shown that the non-standard steps of this process are compatible with high-performance solar cells fabrication.