Dans ce travail nous avons montré une démarche de modélisation multi-échelle des structures afin d'améliorer leurs caractéristiques amortissantes. L'influence des paramètres mécaniques, géométriques et des conditions aux limites viscoélastiques sur les comportements statique, vibratoire et acoustique des sandwich Verre / PVB Verre a été étudiée. Les études ont montré que les sandwich viscoélastiques (VE) ont de très bonnes caractéristiques amortissantes qui sont toutefois limitées aux propriétés des matériaux utilisés. Pour améliorer les propriétés amortissantes des matériaux, nous avons utilisé le modèle micromécanique de Lipinski et al. [Philosophical Magazine 86 (10), 1305-1326, 2006] en tenant compte de la dépendance en fréquence des propriétés des matériaux VE grâce au principe de la correspondance élastique-viscoélastique. Ce modèle nous a permis de montrer qu'avec un choix adéquat des phases du composite VE, on peut obtenir des matériaux VE ayant de très bonnes performances amortissantes. Sachant que l'amortissement est introduit dans les sandwich VE par l'importante déformation de cisaillement de la couche centrale VE, nous avons étudié l'influence des interfaces imparfaites sur les caractéristiques amortissantes des composites VE. Les études paramétriques ont révélé que le glissement interfacial peut améliorer d'une façon significative les propriétés amortissantes des composites VE. Afin d'étudier les effets des tailles nanométriques sur l' amortissement des matériaux, nous avons proposé une approche pour résoudre le problème d'homogénéisation des matériaux contenant des nano-hétérogénéités ellipsoïdales anisotropes avec des interfaces anisotropes. Cette approche concilie la micromécanique classique et la mécanique moléculaire. Les informations à l'échelle atomiques peuvent être incorporées dans les modèles micromécaniques conventionnels pour étudier les effets de la taille nanométrique sur les propriétés des nanocomposites. Les études menées ont montré la validité et les avantages de l'approche. En addition à ces modèles d'homogénéisation, nous avons développé une librairie MATLAB de différentiation automatique (Diamant MATLAB Toolbox). Cette librairie permet de calculer de façon exacte et automatique les coefficients de Taylor des codes écrits en langage MATLAB. Ces coefficients peuvent être ensuite exploités pour la résolution des problèmes non linéaires comme les problèmes non linéaires aux valeurs propres ou dans d'autres types de problèmes. Grâce à cet outil et à d'autres outils numériques développés, nous avons montré les effets de la microstructure des couches de PVB et de Verre sur les caractéristiques modales et acoustiques de la structure Verre/PVB/Verre. Pour finir, nous avons montré un exemple de conception hiérarchique des microstructures des couches du pare-brise pour (i) minimiser sa masse globale, avoir une bonne perte de transmission du son, (iii) déplacer le phénomène de coïncidence dans la gamme des fréquences non sensibles à l'oreille humaine et iv maintenir une bonne rigidité de la structure à travers un problème d'optimisation multiobjectif. / This thesis focuses on multiscale approaches to model and design multifunctional composite materials for damping applications. The main objective is to develop a multiscale modeling framework that implements hierarchical models from atomistic level modeling to structural level modeling in order to include material creation in the design of the system as a whole. Since damping applications are of interest in this study, we explore some avenues for the design of high loss materials. So, the mean-field micromechanical model introduced by Lipinski et al. [Philosophical Magazine 86 (10), 1305-1326, 2006] is extended to include frequency dependence through the viscoelastic (VE) correspondence principle. The results indicate that with proper choice of VE material properties, it is possible to have a multiphase VE composite with a high loss modulus (good energy dissipation characteristics) for a wide range of frequencies without substantially degrading the stiffness of the composite (storage modulus). Then the slightly weakened interface micromechanical model of Qu [Mechanics of Materials, 14:269-281, 1993] is also extended to investigate imperfect interface effect on damping behavior of viscoelastic composite materials. In order to investigate the nanosize effect on damping caracteristics of nanocomposite materials, we develop and validate an atomistic-continuum interface model for effective properties of elastic composite materials containing ellipsoidal nano-inhomogeneities. This approach bridges the gap between discrete systems (atomic level interactions) and continuum mechanics. An advantage of this approach is that it is developed from earlier models that consider inhomogeneities shape, thereby enabling both the nano-inhomogeneities shape and the nano-interphase shape to be simultaneously accounted for in computing the overall composite stiffness with any case of material and surface/interface anisotropies. On structural level modeling, we developed an analytical tool to study the static behavior of laminated glass beams with silicone material at ends. Then two sandwich finite elements have been developed to study static and modal behavior of viscoelastic sandwich beams and plates with complex boundaries conditions. Based on automatic differentiation and asymptotic numerical method, we developed the Diamant MATLAB toolbox which is a powerful tool to investigate many nonlinear problems namely complex non linear eigenvalue problem. Using all theses numerical tools, we investigate the effects of the materials microstructures on the modal and acoustic properties of the automotives windshields. To finish, this work shows a simple example to conceive the windshield materials microstructures to fulfill four design requirements of the whole windshield structure in service by solving a multi-objectives

L'étude des systèmes non-linéaires ouvre un large champ d'investigation en recherche fondamentale, dans cette optique les Systèmes Nano-Electro-Mécanique (NEMS) sont des outils de premier choix. Ce manuscrit met en avant l'utilisation des propriétés non-linéaires de nano-résonateurs pour la physique fondamentale. À la suite d'une calibration rigoureuse de notre dispositif expérimental, nous avons caractérisé les principaux paramètres associés à la résonance de nos structures avec, en particulier, la non-linéarité de Duffing qui est à la source des mécanismes de couplage entre les différents modes de notre système. Une nouvelle procédure expérimentale utilisant une excitation à deux tons est présentée, émergeant du couplage entre modes mais en stimulant un seul mode résonant : un système de détection à haute précision de la résonance de la structure. Le régime de Duffing engendre également l'ouverture d'une hystérésis au sein de la courbe de résonance du NEMS, configuration qui est alors utilisée comme système modèle pour le phénomène de bifurcation. Nous démontrons, numériquement et expérimentalement, que le comportement non-linéaire et les lois de puissances universelles décrites par la théorie sont valides au-delà des prédictions attendues. Différentes techniques expérimentales sont finalement présentées, utilisant les NEMS afin de détecter des caractéristiques fondamentales de la matière condensée, comme les signatures des systèmes à deux niveaux présents au sein des nano-résonateurs ou les propriétés de glissement dans un gaz raréfié. / The investigation of non-linear dynamics intrinsically opens access to a broad field of researches, and Nano-Electro-Mechanical Systems (NEMS) are valuable tools for this purpose. In the present manuscript, we emphasize the fundamental applications of non-linear nano-resonators for condensed matter. After a careful calibration of our peculiar experimental set-up, we characterize the relevant parameters associated to the resonance of our devices, notably the Duffing non-linearity which is the essence of coupling mechanisms between distinct modes of the system. We present a new scheme emerging from the mode-coupling technique, using a two-tone drive but actuating a single flexural mode: a high precision detection procedure of the initial resonator's response. The Duffing regime also opens an hysteresis within the resonance line of the NEMS, and the device is then employed as a model system for the associated bifurcation process. We explored numerically and experimentally this physical phenomenon and found that both the non-linear behaviour and the universal power laws described in the general theory are still valid far beyond any analytical predictions. We finally describe different techniques using NEMS as sensors to measure fundamental features of condensed matter physics, like signatures of two level systems within the resonator's material or slippage in a rarefied gas.

Cette thèse s'inscrit dans la thématique de la nano-optomécanique et de l'emploi de nanorésonateurs mécaniques comme sonde de force ultrasensible pour étudier leur interaction avec la lumière. Pour cela, un nanofil de carbure de silicium est positionné dans un faisceau laser fortement focalisé. Cela permet, en mesurant les fluctuations de l'intensité transmise, d'observer avec grande dynamique et une sensibilité proche de la limite quantique standard le mouvement Brownien du nanorésonateur. La grande sensibilité en force des nanofils, inhérente à leur très faible masse, permet d'étudier l'action en retour de la mesure, c'est-à-dire la force exercée par le laser focalisé sur le nanofil. L'exploitation de la légère levée de dégénérescence observée entre les deux polarisations mécaniques transverses permet de réaliser une cartographie vectorielle bidimensionnelle du champ de force optique, avec une sonde de diamètre sub-longueur d'onde. Cette mesure permet également de mettre en évidence le caractère non-conservatif de l'interaction lumière-matière, dont la signature emblématique est l'existence de vorticité dans le champ de force mesuré. Ce dernier présente de très fortes variations spatiales, qui modifient profondément la dynamique du nanofil. Cette action en retour de la mesure est responsable d'un fort couplage entre les deux polarisations mécaniques du mode fondamental du nanofil. Le caractère bidimensionnel du couplage ainsi que la topologie non-conservative du champ de force conduisent à une bifurcation et à une instabilité dynamique du nanofil. Cette nouvelle instabilité optomécanique est observée avec des forces optiques instantanées, qui suivent instantanément les variations d'intensités vues par le nanofil. En présence d'absorption, le cas plus général d'un champ de force partiellement retardé par les constantes de temps thermiques est également étudié, conduisant à un refroidissement, spécifique et accordable en position, des deux polarisations mécaniques. Enfin l'interaction lumière-matière entre le laser et le nanofil et la grande variété des propriétés optomécaniques accessibles à cette approche sont développés. Ces développements démontrent la possibilité d'observer et de contrôler optiquement des nanorésonateurs mécaniques de très grande sensibilité, proche de l'attonewton, pour des mesures vectorielles ultrasensibles de champ de force. / This thesis is related to the field of nano-optomechanics and the use of nanomechanical resonators as ultrasensitive force sensor to study their interaction with light. A silicon carbide nanowire is positioned in a tightly focused laser beam. This enables, by measuring the transmitted intensity fluctuations, to observe with great dynamics and with a sensitivity close to the standard quantum limit the Brownian motion of the nanoresonator. The huge force sensitivity of the nanowires, due to their ultra low mass, permits to study the measurement backaction, which is induced by the force exerted on the nanowire by the focused laser beam. The exploitation of the slight degeneracy observed between the two transverse mechanical polarizations enables to realize a vectorial bidimensional cartography of the optical force field, with a probe of sub-wavelength diameter. This measurement highlights the non-conservative feature of the light-matter interaction, a symbolic signature being the existence of vorticity in the measured force field. The latter shows strong spatial variations, which modify deeply the nanowire dynamics. This measurement backaction is responsible of a strong coupling between the two mechanical polarizations of the nanowire fundamental mode. The bidimensional feature of the coupling and the force field non-conservative topology lead to a bifurcation and to a dynamical instability of the nanowire. This new optomechanical instability is observed with instantaneous optical forces, which follows instantaneously the intensity variations seen by the nanowire. In presence of absorption, a more general case of a force field partially delayed by the thermal time constants is studied, leading to a cooling, specific and tunable with the position, of the two mechanical polarizations. Then, the light-matter interaction between a laser and the nanowire and the great variety of optomechanical properties accessible with this approach are developed. These developments demonstrate the ability to observe and control optically nanomechanical resonators with a huge sensitivity, close to the attonewton, for ultrasensitive measurements of vectorial force fields.

Un nanofil de carbure de silicium encastré à une de ses extrémités permet d'obtenir un résonateur mécanique réalisant un système modèle de poutre vibrante dans des régimes d'oscillation linéaire et non-linéaire. Les faibles masses et raideurs mécaniques des nanofils utilisés donnent lieu à une description des résonateurs où les forces électriques capacitives sont significatives. Si l'accordage en fréquence des résonateurs micro et nanométriques est une propriété usuelle liée aux forces électriques statiques, il sera montré que l'effet du couplage électromécanique dynamique introduit une dissipation associée aux courants électriques résultants de la vibration mécanique. Le rôle central du couplage électromécanique est mis en avant pour l'obtention d'un régime d'auto-oscillation. Lorsque le résonateur est parcouru par un courant d'émission de champ, une mise en vibration spontanée du résonateur autour de sa position d'équilibre est observée. L'introduction d'une excitation électrique alternative permet l'étude d'un régime de synchronisation externe où la dynamique de la phase de l'auto-oscillateur forcé présente un comportement remarquablement riche / When one end of a silicon carbide nanowire is clamped on a support, a mechanical resonator is obtained to achieve a model system of vibrating beam. The low weight and stiffness associated with mechanical dimensions of the micro and nanoscale wires lead to a regime where the capacitive electrical forces are significant for the dynamics of such resonators. If the frequency tuning of micro and nanoscale resonators is a usual property related to the static electrical forces, the effect of electromechanical dynamical coupling will also be considered to introduce a mechanical dissipation associated with electric currents driven by the vibration. The central role of the electromechanical coupling is put forward to obtain a self-oscillation regime. When the resonator is flowed by a field emission current, a spontaneous oscillation of the resonator around its equilibrium position is observed. The introduction of an electrical excitation allows the study of an external synchronization regime where the phase dynamics has a remarkable rich behavior

L'étude du couplage hybride entre les vibrations d'un résonateur mécanique et un degré de liberté quantique requiert une très grande sensibilité en force. Ceci a motivé le développement récent de nano-oscillateurs ultra-légers, qui constituent des sondes de force ultra-sensibles opérant désormais au niveau de l'attoNewton.Le premier volet de ce travail traite de l'habillage mécanique d'un nanofil suspendu de carbure de silicium, oscillant dans deux directions transverses. Son évolution Brownienne ou excitée dans un champ de force externe perturbe ses propriétés : fréquences et directions propres de vibration. Une technique de mesure optique des vibrations du nanofil en deux dimensions a été développée. Elle a permis, dans un premier temps, de cartographier un champ de force électrostatique, révélant une phénoménologie de l'habillage spécifique aux dimensions supérieures à un. En particulier, les composantes cisaillantes du champ induisent une rotation des directions propres de vibration. Dans un deuxième temps, la technique de mesure a été testée dans un champ de force optique, produit par un laser focalisé sur le nanofil, et qui contient une composante rotationnelle, non conservative. On rapporte l'observation d'une brisure de l'orthogonalité des modes propres, d'une distorsion et d'une amplification des spectres de mouvement Brownien, toutes en accord avec le modèle décrivant l'habillage mécanique du nanofil par ce champ de force externe non potentiel. A partir d'un protocole adapté à la multi-dimensionnalité du système, une déviation à la relation fluctuation-dissipation a également été mesurée : il s'agit d'une conséquence de la sortie de l'équilibre induite par la force optique non-conservative. L'étude des propriétés thermodynamiques du système suggère des corrections à la relation fluctuation-dissipation et prédit enfin un phénomène de compression du bruit thermique de l'oscillateur en champ de force rotationnel.Le deuxième volet de la thèse concerne le système hybride constitué d'un nanofil et d'un qubit de spin, un centre coloré NV du diamant attaché à son extrémité. Les propriétés optiques de cette source de photons uniques oscillante sont caractérisées à partir de la mesure de corrélations spatio-temporelles de la fluorescence du centre NV sur lesquelles les vibrations de l'oscillateur se retrouvent encodées. Nous avons ainsi développé un système de mesure du mouvement compatible avec de très faibles flux de photons, inférieurs en particulier au taux de décohérence mécanique. La dernière partie de ce manuscrit présente une étude préliminaire du couplage du spin-mécanique. Après l'observation d'un triplet de Mollow phononique, les développements expérimentaux de la première partie de la thèse ont été intégrés à une expérience hybride de seconde génération stabilisée amenant la mesure de force ultra-sensible à la portée du système hybride. / The study of the hybrid coupling between the vibrations of a mechanical resonator and a quantum degree of freedom requires extremely high force sensitivities. This was one of the motivations for the recent development of ultra-light nano-oscillators which are ultra-sensitive force probes now routinely operating at the attoNewton level.The first part of this work deals with the mechanical dressing of a silicon carbide suspended nanowire oscillating in two transverse directions. Its Brownian or driven evolution in an external force field modifies its mechanical properties: eigen-frequencies and eigen-directions of oscillation. An optical technique to measure the nanowire vibrations in two dimensions was developed. First, this technique enabled to map out an electrostatic force field, which revealed a dressing phenomenology specific to dimensions greater than one. In particular, shearing components of the force field are responsible for a rotation of the eigen-directions of vibration. Second, the measurement technique was tested in an optical force field applied by a laser focused on the nanowire. This field contains a rotational, non-conservative component. The reported experimental observations: eigenmodes orthogonality breaking, distorsion and amplification of Brownian motion spectra, are all in good agreement with the model of the mechanical dressing. Using a protocol adapted to the multidimensionality of the system, a deviation to the fluctuation-dissipation relation has also been measured, as a consequence of the non-conservative force bringing the system out of equilibrium. The study of this system's thermodynamic properties suggests corrections to the fluctuation-dissipation relation and predicts a squeezing of the oscillator's thermal noise in rotational force fields.The second part of the thesis concerns the hybrid system composed of a nanowire and a spin qubit: a colored NV center in diamond bound to its extremity. The optical properties of this oscillating single photon source are characterized through the measurement of space-time fluorescence correlations on which the oscillator's vibrations are encoded. We then developed a motion measurement technique compatible with very low photon fluxes, in particular inferior to the mechanical decoherence rate. The last part of the manuscript presents a preliminary study of the spin-mechanical coupling. After the observation of a phononic Mollow triplet, the experimental developments of the first part of the thesis were integrated in a second-generation stabilized hybrid experiment bringing the ultrasensitive force measurement within the reach of the hybrid system.

Une analyse détaillée des propriétés physico-chimiques des nanoparticules (NP) anthropogéniques est nécessaire pour comprendre à un niveau mécanistique leurs interactions/toxicité potentielle avec/envers les composants biotiques des systèmes aquatiques naturels. Une telle analyse est également requise pour réaliser une évaluation complète et une optimisation de la performance des méthodes d’(ultra)filtration développées pour circonscrire le relargage des NPs dans les milieux aquatiques. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse de doctorat était de déchiffrer les processus physico-chimiques fondamentaux régissant la capture de nanodendrimères carboxylés (PAMAM-COOH) - utilisés fréquemment dans des applications biomédicales – par des films multicouches du type (poly(diallyldiméthylammonium)chlorure-poly(acide acrylique))n ((PDADMAC-PAA)n) assemblés par déposition séquentielle des composantes polymériques cationique et anionique. À cette fin, une étude systématique des propriétés électrohydrodynamiques des NPs PAMAM-COOH a d'abord été effectuée en fonction du pH et de la concentration en sel monovalent du milieu. Sur la base de la théorie électrocinétique de particules molles ayant une fonctionnalité zwitterionique, il est démontré que les caractéristiques électriques interfaciales des NPs considérées sont déterminées à la fois par des contributions électrostatiques de surface et volumique des nanoparticules, lesquelles dependent de l’extension intraparticulaire de la double couche électrique. L’existence de ces deux types de contributions conduit à un changement remarquable de signe de la mobilité des NPs en modifiant la concentration du sel monovalent en solution et à une dépendance prononcé du point de zéro mobilité des NPs avec la concentration de l’électrolyte. En outre, une confrontation quantitative entre résultats expérimentaux et théorie souligne comment les modifications structurales des NPs induites par des changements de pH et de salinité affectent les caractéristiques électrocinétiques des dendrimères. Dans une deuxième partie, la structure, la morphologie et les propriétés mécaniques des films PDADMAC-PAA et leur évolution temporelle dans des conditions de vieillissement naturel ou après traitement thermique ont été déterminées par microscopie à force atomique (AFM) et analyses microspectroscopie Raman. Les résultats démontrent que les films multicouches PDADMAC-PAA de type exponentiel présentent des caractéristiques mécaniques et structurelles typiques de films polyélectrolytes multicouches à croissance linéaire. En particulier, leur relaxation lente vers un état d’équilibre est accélérée après traitement thermique à 60°C et se révèle être intimement liée à l'instabilité de domaines de films riches en PDADMAC, épuisés en eau (faits confirmés par la théorie de la fonctionnelle de la densité) et marqués par la présence de structures caractéristiques en forme de ‘donuts’. Dans une dernière partie, des résultats préliminaires sont donnés pour la dépendance de l'élasticité des films multicouches PDADMAC-PAA avec la concentration en solution de nanodendrimères. Les résultats suggèrent que ces films multicouches complexes constituent une option prometteuse pour la capture et l'élimination de nanodendrimères carboxylés présents en milieux aqueux / A detailed analysis of the physicochemical properties of engineered nanoparticles (NPs) is required to understand on a mechanistic level their interactions/potential toxicity with/towards biotic components of fresh water systems. Such an analysis is further mandatory to achieve a comprehensive evaluation and optimisation of the performance of (ultra)filtration methods developed to prevent NPs release into aquatic media. Within this context, the aim of this PhD thesis was to decipher the basic physico-chemical processes governing the loading of carboxylated-poly(amidoamine) (PAMAM-COOH) nanodendrimers -commonly employed in biomedical applications- into layer-by-layer assembled (poly(diallyl dimethyl ammonium) chloride-poly(acrylic acid))n ((PDADMAC-PAA)n) multilayer films. For that purpose, a systematic investigation of the electrohydrodynamic properties of PAMAM-COOH NPs was first performed as a function of pH and monovalent salt concentration in solution. On the basis of advanced electrokinetic theory for soft particles with zwitterionic functionality, it is demonstrated that the interfacial electrostatic features of the considered NPs are determined both by surface and bulk particle contributions to an extent that depends on electrolyte concentration. This leads to a remarkable NPs mobility reversal with changing monovalent salt concentration and to a marked dependence of the point of zero NPs mobility on electrolyte content. In addition, confrontation between experiments and theory further highlights how pH- and salt-mediated modifications of the NP particle structure affect dendrimer electrokinetic features at large pH and/or low salt concentrations. In a second part, the structure, morphology and mechanical properties of PDADMAC-PAA films, and their evolution over time under natural aging conditions or after thermal treatment, were addressed from atomic force microscopy (AFM) and Raman microspectroscopy analyses. Results evidence that PDADMAC-PAA multilayer films of exponential type exhibit mechanical and structural features that are typical for polyelectrolyte multilayer films with linear growth. In particular, their slow relaxation to equilibrium is accelerated after heating treatment at 60°C and, in line with density functional theory computation, this relaxation dynamics is shown to be intimately connected to instability of film domains rich in PDADMAC, depleted in water and marked by the presence of characteristic donut-like structures. In a final part, the reported dependence of PDADMAC-PAA multilayer films elasticity on concentration of nanodendrimers in bulk solution suggests that these complex multilayer films constitute a promising option to be further investigated for the loading and removal of carboxylated nanodendrimers from aqueous environments

Dans cette thèse, nous étudions des systèmes nano-électro-mécaniques (NEMS) en conditions cryogéniques (de 30 mK à 30 K) sensibles à des conditions de fluctuations ou de désordre. Les phénomènes fondamentaux étudiés sont omniprésents dans la physique des NEMS, et pour certains vont même au-delà avec des analogies vers d’autres disciplines de la physique, comme les transitions de phase ou la RMN.Dans la première partie de cette thèse, nous nous intéressons ainsi au bruit d'amplitude du NEMS, fournissant un exemple de mouvement Brownien dans un potentiel de confinement. Du fait de la non-linéarité géométrique intrinsèque au système, l'anharmonicité du potentiel transduit le mouvement Brownien de chaque mode mécanique en fluctuations des fréquences propres de résonance. Ainsi, nous observons expérimentalement un phénomène de diffusion spectrale, se traduisant par un élargissement et un décalage de la raie de résonance non-triviaux rendant compte de la compétition entre la diffusion de la phase de la réponse du mode due à la transduction, et les mécanismes de relaxation du mode fluctuant. Une approche par intégrale de chemin de la diffusion capture l'effet analytiquement. Un tel mécanisme altère la résonance d'un mode mécanique sans influer sur les échanges d'énergie avec le bain thermodynamique du mode. En outre, l'introduction d'une forte excitation sinusoïdale agit en retour sur les fluctuations hors équilibre via la non-linéarité, ralentissant la dynamique du système et comprimant ses fluctuations pour certains points critiques de l'espace des paramètres, près du ou dans le régime de la réponse bistable permise par la non-linéarité. Enfin, des expériences-modèles ont été réalisées afin de comprendre en détail la décohérence mécanique classique à l’aide d’un bruit en fréquence extrinsèque, réalisé à l’aide d’une grille couplée au NEMS.La deuxième partie de cette thèse explore plus en détail certains mécanismes microscopiques de relaxation d'énergie ou du bruit en fréquence interne d’un mode mécanique, encore partiellement incompris pour les NEMS. Nous considérons d’abord le cas d’une contribution extérieure, mais universelle, qui a pour origine le transfert d’impulsion entre le NEMS et le gaz présent dans la cellule expérimentale, ici l’hélium 4. Dans la limite des faibles densités, la théorie cinétique décrit la dissipation dans le gaz ballistique. De façon inattendue, nous observons aux plus basses pressions atteignables une déviation à la théorie. Nous montrons pour plusieurs températures et plusieurs échantillons que cette déviation s’échelonne avec le rapport entre le libre parcours moyen des atomes dans le gaz et la hauteur du NEMS vis-à-vis du fond de l’échantillon. Ce résultat est justifié par un modèle phénoménologique prenant en compte la réflexion diffusive des atomes du gaz sur le mur du fond, qui présente à petite échelle une structure désordonnée. Cette réflexion résulte en une déviation à la Maxwellienne près du fond, et donc en l’établissement d’un gradient de densité du gaz sur une longueur de l’ordre du libre parcours moyen, qui renormalise le taux de relaxation d’énergie mécanique. Ainsi, le NEMS agit comme une sonde non-invasive d’un milieu hors équilibre du fait de ses très petites dimensions transverses. Enfin, nous mesurons la dissipation intrinsèque du NEMS jusqu’à 30 milliKelvin. Nous mettons en évidence le rôle des excitations de basse énergie couplées à la déformation du NEMS dans la relaxation d’énergie mécanique. Ces excitations, permises par la structure désordonnée des matériaux constitutifs du NEMS, sont modélisées comme des atomes se déplaçant par effet tunnel entre deux positions équivalentes du réseau atomique (TLS). Nous obtenons également le bruit en fréquence intrinsèque en développant une nouvelle technique de mesure utilisant la non-linéarité du NEMS. L’étude poussée nous permet de lier phénoménologiquement les deux phénomènes. / In this thesis we address cryogenic nano-electro-mechanical systems (NEMS) from 30 mK to 30 K sensitive to conditions involving fluctuations or disorder. The fundamental aspects studied are ubiquitous in NEMS physics, and for some of them go beyond, with possible analogies with phase transitions or NMR.In the first part of this work we focus on the NEMS position noise, which is a good example of Brownian motion within a confinement potential. Owing to the system’s intrinsic geometric nonlinearity, the potential anharmonicity translates each mode’s Brownian motion into fluctuations of the structure’s resonance eigenfrequencies. As a result we observe experimentally a spectral diffusion phenomenon that manifests through a linewidth broadening and a frequency shift of the resonance line: they account non-trivially for the competition between the probed mode’s response’s phase diffusion due to the transduction mechanism and the fluctuating modes relaxation mechanisms. A path integral approach to diffusion encompasses analytically the effect. Such a mechanism alters a mechanical mode’s resonance without changing energy transfers to the mode’s thermal bath. Furthermore, adding a strong sinusoidal excitation acts back on the out-of-equilibrium fluctuations through the nonlinearity: the system dynamics is slowed down, with its fluctuations squeezed, in peculiar points of the parameters space, near or within the non-linearity induced bistable regime. Finally, model experiments are realized so as to understand classical mechanical decoherence, through the use of an extrinsic frequency noise, artificially crafted thanks to a gate electrode coupled to the NEMS.In a second part, some microscopic mechanisms leading to mechanical damping and internal frequency noise of a mechanical mode are investigated, as they are still elusive to date for NEMS. We first consider the case of an external but universal source of damping, which originates from the momentum transfer between the NEMS and the gas flowing in the experimental cell, here Helium 4. In the rarefied limit, dissipation in a ballistic gas is well described by kinetic theory. Yet, unexpectedly, we observe at our lowest pressures a discrepancy between our measurements and theory. We show for several temperatures and samples that this deviation scales with the ratio between the gas atoms mean free path and the gap between the NEMS and the sample’s bottom trench. This result is modelled phenomenologically as arising from diffusive scattering of gas atoms at the bottom’s wall, which at small lengthscales has a disordered landscape. Diffusive scattering results in a deviation to the Maxwellian distribution, leading to a gas density gradient in the vicinity of the wall, established over a distance comparable with the mean free path, and which renormalizes the mechanical energy relaxation rate. Therefore, the NEMS acts as a non-invasive probe in a nonequilibrium medium due to its small cross-section. Finally, we investigate the NEMS intrinsic dissipation down to 30 milliKelvin. We highlight the role of low-energy excitations coupled to the NEMS deformation in damping mechanisms. These excitations, allowed by the disordered structure of the NEMS constitutive materials, are modelled as atoms tunneling between two equivalent positions of the atomic lattice (also referred to as TLS). Using a new technique which relies on the NEMS non-linearity, we measure the intrinsic frequency noise, and we show that it can be linked phenomenologically to the damping due to the TLS.

Le graphène possède un gaz bidimensionnel de porteurs de charge stable et exposé à l'environnement sans aucune protection. Par conséquent, ses performances électriques sont extrêmement sensibles aux conditions environnementales, notamment aux impuretés chargées et aux corrugations imposées par le substrat sous-jacent. Ces éléments ont une contribution majeure dans la dégradation des propriétés de transport électronique du matériau.L'objectif de cette thèse est d'explorer par diverses techniques des méthodes pour atténuer ces effets par optimisation de son environnement direct.La première méthode consiste à reporter le graphènesur une couche neutre d'un cristal de nitrure de bore hexagonal (BN). Diverses techniques de fabrication d'empilement de Graphène sur BN sont présentées, notamment la croissance directe de graphène sur un cristal de BN exfolié sur un substrat catalytique qui aboutit à la formation d'empilements de structure bien contrôlée. Les échantillons sont mesurés à très basse température. Les effets de localisation faible mesurés par magnéto-transport montrent une amélioration nette des performances notamment de la longueur de cohérence et de la mobilité électronique par rapport à un échantillon de référence constitué du même ruban de graphène déposé sur substrat conventionnel de silicium oxydé.La deuxième technique consiste à isoler le graphène de son support par surgravure de la silice et suspension du graphène sous la forme d'une membrane autosupportée et tenue par ses extrémités. Après avoir introduit des techniques de fabrication spécifiques, les mesures de transport et le couplage à des modes de vibration mécanique sont étudiés température variable. Ces données permettent notamment une mesure du coefficient d'expansion thermique du graphène. / Charge carriers in graphene form stable two-dimensional gases which are fully exposed to the environment. As a consequence, the electrical performance of graphene is strongly affected by surface charged impurities as well as topographic perturbations inherited from the underlying substrate.This thesis addresses several methods to circumvent that issue.The first method consists in embedding graphene in an optimized environment by depositing graphene onto some neutral and crystalline material. Novel 2D insulating materials such as hexagonal boron nitride buffer layer (BN) appears as ideal substrates to get rid of detrimental effect of interfacial charges and corrugation. Several fabrication schemes of Graphene/BN stacks are shown including some direct in-situ growth of graphene on BN crystal using an innovative proximity-driven chemical vapour growth based on BN exfoliation on copper. In order to explore the effects of the improved substrate on the transport properties of graphene, we have performed low temperature magneto-transport studies on these stacks. We present a direct comparison of weak localization signals with those acquired on a graphene/silica reference device. A clear increase of the coherence length is shown on Graphene/BN stacks together with improved electronic mobility and charge neutrality.Removing the substrate and suspending graphene is another approach for optimization of the graphene environment which forms the second topic covered in this thesis. After introducing an improved recipe for preserving the quality of graphene throughout an elaborate fabrication process, we probe the room- and low-temperature performance of the nano-electro-mechanical devices based on doubly clamped suspended graphene ribbons. The obtained data are used for characterizing the thermal expansion of CVD graphene.

La microscopie à force atomique exploite les interactions entre une sonde et un échantillon. Les nanotubes de carbone représentent la sonde idéale, ils sont: fins, robustes, peu réactifs et ont un haut rapport d'aspect. L'utilisation à grande échelle des sondes à nanotubes de carbone passe par l'étude de leur comportement mécanique en contact avec une surface. Nous étudions deux types de sondes: les sondes avec nanotubes multiparois et les sondes avec nanotubes monoparois. Pour les nanotubes multiparois nous avons utilisé trois mode de fonctionnement AFM différents que sont les modes contact, modulation de fréquence et bruit thermique. Les résultats expérimentaux sont comparés à des modèles mécaniques que nous avons développés. Les études des nanotubes monoparois ont été réalisées à partir d'un AFM interférométrique. Ces mesures nous ont permis de déterminer l'énergie d'adhésion par unité de longueur d'un nanotube monoparoi sur des surfaces de graphite et mica.Enfin nous présentons deux applications des sondes AFM avec nanotube multiparoi. La première est un projet de sondes électrochimiques pour lesquelles un nanotube multiparoi sert de nanolocalisateur. La seconde est une étude par AFM d'une interface air-liquide de fluides complexes. / Atomic force microscopy exploits interactions between a probe and a sample. Carbon nanotubes represent the ideal probe; they are thin with a high aspect ratio, robustes and few reactive. The widespread use of carbon nanotube probes needs the study of their mechanical behavior in contact with a surface. We study two types of probes: probes with multiwalled nanotubes and probes with singlewalled nanotubes. For multiwalled nanotubes, we used three differents AFM modes that are contact, frequency modulation and thermalnoise. The experimental results are compared with mechanical models that we developed. Studies of singlewalled nanotubes have been produced from an interferometric AFM. These measures have enabled us to determine the adhesion energy per unit length of singlewalled nanotubes on graphite and mica surfaces.Finally we present two applications of AFM probes with multiwall nanotubes. The first is a project of electrochemical sensors for which a multiwall nanotube is used as a nanolocalisator. The second is a study by AFM of air-liquid interface of complex fluids.

En raison des enjeux écologiques actuels, l'utilisation de ressources lignocellulosiques dans l'élaboration de matériaux composites suscite actuellement un intérêt grandissant. Au-delà des applications traditionnelles (papier, panneaux composites, textiles…), les ressources lignocellulosiques constituent une alternative durable aux ressources fossiles pour la production de biocarburant ou d'agrocomposites à base de fibres végétales. Ainsi, si l'on souhaite optimiser les performances de ces nouveaux composites, il est nécessaire de mieux connaitre les propriétés de la fibre et par conséquent réaliser une étude multi-échelle des propriétés physicochimiques et mécaniques des fibres, des polymères constitutifs et de leurs interactions. Dans ce cadre, le premier objectif de la thèse a été de mesurer à l'échelle nanométrique le gradient de propriétés mécaniques et physicochimiques de coupes de fibres végétales par l'intermédiaire de deux techniques utilisant le microscope à force atomique (AFM) visant à cartographier les propriétés nanomécaniques et les caractéristiques spectrales en IR. Puis, pour mieux comprendre le rôle des polymères et de leurs interactions sur les propriétés de la fibre, des systèmes bioinspirés, composés des trois principales classes de polymères pariétaux et de complexité croissante ont été élaborés en veillant à introduire des interactions covalentes et non covalentes entre les polymères, et plus particulièrement entre la lignine et les polysaccharides (cellulose, hémicelluloses). / Due to environmental context, the exploitation of lignocellulosic ressources in the elaboration of composite materials has currently a growing interest. Beside traditional uses (paper, textiles…), lignocellulosic ressources constitute a sustainable alternative to fossils ressources for the production of biofuels and fiber-based agrocomposites. However, optimization of the performance of fiber composites requires a multi-scale study of the physicochemical and mechanical properties of the fibers and of their constitutive polymers and their interactions. To this end, the first goal of the thesis is to measure at nanometric scale, the gradient of the mechanical and physicochemical properties of plant fibers using two AFM-based techniques aiming at the mapping of nanomechanical and IR spectral properties. Then, in order to better understand the role of the polymers and of their interactions on the fibers' properties, bioinspired systems have been designed with three main lignocellulosic polymers while achieving in covalent and non-covalent interactions between the polymers (especially between polysaccharides and lignin).