Cette thèse a exploré comment, en introduisant des interfaces nanostructurées dans des systèmes supramoléculaires pour l'électronique, il est possible de moduler, ajouter et étudier les propriétés des nano-objets. Sur ces applications de fonctionnalisation auto-assemblée des limites, le contrôle thermique sur les propriétés intrinsèques, la modulation lumineuse des structures chimiques et physiques ont été trouvés comme étant des techniques adaptées pour affecter le système supramoléculaire fonctionnalisé nano-structuré pour l'électronique organique. Des nanoparticules d'or ont été utilisées pour générer des interfaces qui ont été fonctionnalisés afin d'étudier l'effet de transport de charge dans un transistor à couche mince organique. Par conséquent, cette approche a été intensifiée en employant des molécules photochromiques et par le contrôle du piégeage de charge par irradiation de lumière. Le même principe a été utilisé pour moduler l'injection de charge dans les transistors à haute performances, par fonctionnalisation des électrodes appropriées avec des diaryléthènes. Enfin, une approche différente pour contrôler le dépôt de flocons de graphène sur surface diélectrique a été employée avec succès pour concevoir de nouveaux éléments de mémoire par ajustement de l'alignement des niveaux énergétiques du graphène après recuit thermique. / This thesis explored how, by introducing nanostructured interfaces in supramolecular system for electronics, is possible to modulate, tune, add and study properties arising from nano-objects. On these purposes self-assembled functionalization of boundaries, thermal control on intrinsic properties, light modulation of chemical and physical structures have been found as tailored techniques to affect nano-structured functionalized supramolecular system for organic electronics. Gold nanoparticles have been used to generate interfaces that have been functionalized in order to study charge transport effect in organic thin film transistor. Therefore this approach has been stepped up employing photochromic molecules and controlling charge trapping with light irradiation. The same principle has been used to modulate charge injection in high performance transistors, by functionalizing electrodes with appropriate diarylethenes. Finally, a different approach of controlling deposition of graphene flakes on dielectric surface has been successfully employed to design new memory elements by tuning energetic level alignment of graphene with thermal annealing.

Des nanoparticules d'or dispersées dans un carbone mésoporeux CMK-n (n = 1,3 et 8) ont été obtenues par une méthode originale qui consiste à répliquer des silices mésoporeuses dans lesquelles les particules d'or ont été préalablement formées. La taille des particules d'or est plus petite lorsque la surface de la silice est fonctionnalisée par un thiol (MPTMS) (dAu ~ 2 nm) que par un ammonium (TPTAC) (dAu ~ 6 nm). La taille des particules d'or dans les répliques peut être contrôlée à la fois par la température de calcination du moule et par la température de pyrolyse de la source de carbone. Bien que les répliques carbonées soient beaucoup mieux dispersées dans le milieu réactionnel apolaire que les moules siliciques correspondants, elles sont moins actives dans les oxydations aérobies du cyclohexène et du trans-stilbène en phase liquide. Les meilleures performances dans l'oxydation de ces deux molécules ont été obtenues sur les répliques pyrolysées à 750°C et contenant des particules d'or de taille moyenne d'environ 2 nm. Les très petites particules sont moins actives, probablement parce qu'elles sont complètement enrobées par du carbone, donc inaccessibles. Les performances catalytiques de nos répliques ont été comparées avec celles d'un catalyseur Au/CMK-3 préparé par dépôt colloïdal sur un carbone mésoporeux pré-formé. Les résultats montrent que nos catalyseurs sont beaucoup moins actifs que celui préparé par dépôt colloïdal, car la majorité des particules dans nos répliques sont recouvertes par du carbone. L'inaccessibilité des particules aux gaz a été confirmée par une mesure de chimisorption d'hydrogène sur un catalyseur Pt/CMK-3 préparé par une méthode identique.

Dans ce travail, les nanoparticles d'or supportées ont été étudiées en raison de leur fort potentiel dans les domaines de la catalyse. Des sphères de silice obtenues par la voie Stöber ont été synthétisées et utilisées comme supports des nanoparticules d'or. Les précurseurs d'or sont des solutions colloïdales possédant des nanoparticules d'or homogènes et de petite taille (environ 3 nm). Les matériaux préparés avec ou sans addition d'un nouvel élément ont été utilisés dans les réactions de l'oxydation du CO et une réaction inédite pour l'or: l'oxydation sélective de l'H2S.Les résultats indiquent que l'utilisation de colloïdes d'or comme précurseurs permet de contrôler la taille et la dispersion avant le dépôt et ceci est facilité par les propriétés optiques des nanoparticules de ce métal. Pour les propriétés catalytiques, outre la dispersion, on confirme très clairement par cette méthode de synthèse que l'interaction Au/Support joue un rôle majeur. L'addition d'un second métal augmente significativement l'activité des matériaux à base d'or. Les particules d'or et de Cu se rassemblent sous les conditions réactionnelles testées. Dans le cas de l'oxydation du CO, de petites quantités d'espèce d'or partiellement oxydée sont générées et forment une glue avec les espèces Cu2+ également formées au cours de la réaction et ceci permet de fixer les nanoparticules sur le support. Dans le cas de l'oxydation sélective de H2S, il a été montré que le système est résistant au soufre, y compris sur une longue durée de test. Les silices Stöber se sont avérées comme des supports catalytiques très intéressants car non poreux et formés de particules de petites tailles, ils sont aptes à exposer les phases actives de l'or aux réactifs, diminuant la pression de surface et facilitant le transfert thermique. Il a également été prouvé que ce matériau peut être mis en compétition avec les matériaux mésoporeux, ces derniers étant jugés indispensables pour obtenir de hautes activités en catalyse hétérogènes jusque là.

Ce travail porte sur l'étude in operando des nanoparticules d'or supportées sur TiO2(110) pendant la réaction d'oxydation du CO. Il s'inscrit dans l'objectif de comprendre les propriétés catalytiques de l'or qui apparaissent à l'échelle nanométrique. Les paramètres géométriques et structuraux des nanoparticules d'or ont été mesurés en présence de 20 mbar d'oxygène ou d'argon, de 0.1-0.2 mbar de CO et en conditions réactionnelles (oxygène + CO à 473 K), par GISAXS et par GIXD en suivant simultanément la composition des gaz par spectrométrie de masse. L'exposition au mélange réactionnel déclenche une évolution instantanée des nanoparticules avec une augmentation de leur taille moyenne qui varie de la même manière que l'activité catalytique. Par contre l'oxygène et le CO ne provoquent pas de changement et seule la température a un effet. Ces évolutions démontrent l'importance des mesures in operando pour déterminer le lien qui existe entre la taille et l'activité des nanoparticules. La variation de l'activité catalytique en fonction du diamètre présente un maximum pour des particules de 2 nm de diamètre et de 1.4 nm de hauteur. Au-dessus de ce maximum, elle suit une loi de puissance du diamètre, d-2.4 ± 0,3, comme attendu pour des sites actifs situés sur les atomes de basse coordinence. La diffraction X montre que, pendant la réaction, les nanoparticules conservent la structure CFC du cristal d'or, mais la distance inter-plan se contracte quand la taille des particules décroit ce qui intervient dans la baisse d'activité au dessous de 2 nm. Cependant d'autres paramètres peuvent aussi avoir un effet négatif sur la réactivité comme la forme des particules et le fait que plus elles sont petites plus elles s'agglomèrent sur les bords de marche du substrat. La similitude des tailles obtenues par GISAXS et par GIXD et de leur comportement sous gaz réactifs indique que les particules mesurées par ces deux techniques sont les mêmes. De plus, la forte corrélation entre la variation de l'activité et les évolutions observées par GISAXS montre que ce sont les particules actives qui sont sondés par les rayons x. La comparaison des résultats avec ceux déjà publiés indique que le comportement que nous avons décrit sur la dépendance de l'activité catalytique des nanoparticules d'or sur TiO2, pour l'oxydation du CO, est représentative des propriétés de ce système. Cependant, il est nécessaire de vérifier expérimentalement comment ces résultats obtenus à 473 K peuvent être extrapolés à température ambiante. L'installation dans notre dispositif d'une nouvelle chambre de réaction doit permettre de gagner un ordre de grandeur en sensibilité et rendre envisageable une telle étude. Mots clés : Catalyse, nanoparticules d'or, GISAXS, diffraction X, in operando, oxydation du CO.

Le mercure est un élément reconnu pour sa toxicité pour les êtres humains, pouvant être notamment la cause de maladies neurologiques ou rénales une fois absorbé dans l'organisme. Il est rejeté dans l'environnement, et en particulier dans les eaux de surface, par des phénomènes naturels comme le volcanisme, mais également par le biais des activités humaines liées à l'industrie. Une fois rejeté, il est ingéré par la faune et la flore marine et bioaccumule tout le long de la chaîne alimentaire. Il est alors présent dans les espèces marines prédatrices dans des proportions importantes, mettant en danger la santé de ces espèces animales et exposant les êtres humains à des quantités importantes de mercure dans l'alimentation. La législation Européenne est très stricte en ce qui concerne les taux de mercure autorisés dans les eaux et se base sur des valeurs relevant de la trace voir de l'ultra trace. Les techniques actuelles permettant de détecter de si faibles doses sont efficaces mais possèdent de nombreux inconvénients tel que leur coût ou l'impossibilité de faire des mesures in situ. Les capteurs électrochimiques sont actuellement l'une des alternatives les plus prometteuses pour la détection de ce métal lourd en solution. L'objectif de ces travaux a donc été de mettre au point un capteur électrochimique basé sur la fonctionnalisation d'une électrode en carbone vitreux par des couches organiques et des nanoparticules d'or pour la détection du mercure. Deux types de couches organiques ont été utilisées et les interfaces ainsi développées caractérisées par voltammétrie cyclique et Microscopie Électronique à Balayage. Deux protocoles d'activation des nanoparticules ont été testés. Les performances des interfaces ont été évaluées au regard de la détection de traces de mercure, ainsi que leur stabilité au stockage. / Mercury is known for its toxicity on human beings, causing neurological and kidney diseases when absorbed in the body. It is rejected in the environment, and especially in surface waters, through natural processes like volcanism and human industrial activities. When present in water, it is ingested by marine plants and wildlife and bioaccumulates all along the food chain. It is then present in high proportions in marine predators, jeopardizing their health and exposing human beings to important mercury quantities in the food supply. The European legislation is very strict regarding to allowed mercury levels in waters, and is based on very low values, from traces to ultra traces. Current techniques able to detect such small doses are efficient but suffer from numerous drawbacks like their cost or the impossibility to use them for in situ measurements. Electrochemical sensors appear to be one of the most interesting alternatives for detection of this heavy metal in aqueous solution. The aim of this work was then to develop an electrochemical sensor based on the functionalization of a glassy carbon electrode with organic layers and gold nanoparticles for mercury detection. Two types of organic layers were used and the interfaces were characterised by using cyclic voltammetry and Scanning Electron Microscopy. Two different gold nanoparticles activation processes were tested. The interfaces performances were evaluated for detection of traces of mercury, as well as their storage stability.

Dans ce travail, les nanoparticles d’or supportées ont été étudiées en raison de leur fort potentiel dans les domaines de la catalyse. Des sphères de silice obtenues par la voie Stöber ont été synthétisées et utilisées comme supports des nanoparticules d’or. Les précurseurs d’or sont des solutions colloïdales possédant des nanoparticules d’or homogènes et de petite taille (environ 3 nm). Les matériaux préparés avec ou sans addition d’un nouvel élément ont été utilisés dans les réactions de l’oxydation du CO et une réaction inédite pour l’or: l’oxydation sélective de l’H2S.Les résultats indiquent que l’utilisation de colloïdes d’or comme précurseurs permet de contrôler la taille et la dispersion avant le dépôt et ceci est facilité par les propriétés optiques des nanoparticules de ce métal. Pour les propriétés catalytiques, outre la dispersion, on confirme très clairement par cette méthode de synthèse que l’interaction Au/Support joue un rôle majeur. L’addition d’un second métal augmente significativement l’activité des matériaux à base d’or. Les particules d’or et de Cu se rassemblent sous les conditions réactionnelles testées. Dans le cas de l’oxydation du CO, de petites quantités d’espèce d’or partiellement oxydée sont générées et forment une glue avec les espèces Cu2+ également formées au cours de la réaction et ceci permet de fixer les nanoparticules sur le support. Dans le cas de l’oxydation sélective de H2S, il a été montré que le système est résistant au soufre, y compris sur une longue durée de test. Les silices Stöber se sont avérées comme des supports catalytiques très intéressants car non poreux et formés de particules de petites tailles, ils sont aptes à exposer les phases actives de l’or aux réactifs, diminuant la pression de surface et facilitant le transfert thermique. Il a également été prouvé que ce matériau peut être mis en compétition avec les matériaux mésoporeux, ces derniers étant jugés indispensables pour obtenir de hautes activités en catalyse hétérogènes jusque là. / Supported gold nanoparticles have been focused on due to their high efficiency in the catalysis field. In this work, Stöber silica consisted by globules were synthesized and used as support for gold nanoparticles. The gold colloids with homogeneous and small nanoparticles (about 3 nm) were applied as gold precursor. The prepared materials with further metal addition were used to active the CO oxidation and another very special reaction- selective oxidation of H2S.The results suggested that by using the gold colloid as precursor the sizes of nanoparticles could be controlled before loading onto silica under the help of its optical properties. The results for catalytic reactions indicated that the interaction between Au-support is another essential factor impacting the activity beyond the size effect. The additions of metal largely enhance the activity of gold materials. The gold and copper (oxide) particles go through reassembling during the reactions. In the CO oxidation, small amounts of partially oxidized gold species were generated and “glued” strongly by the new formed Cu2+ species to the support. While in the selective H2S oxidation, it was found that the material is sulfur-resistant during long time reaction. The Stöber silica is proved to be a very promising support, which is non-porous but beneficial to expose active sites of gold nanoparticles to the reactants, lower the pressure drop, and facilitate the heat transformation. It was proved even can be matched with the well-know mesoporous materials that is claimed to be indispensable for the high activity.

Cette thèse présente la synthèse et la caractérisation de nanoparticules d’or bi-fonctionnelles. Plusieurs voies de synthèse de nanoparticules d’or sphériques sont présentées afin d’obtenir des nanoparticules de 2 nm, 5 nm, 15 nm ou 35 nm de diamètre. La couronne de ligands peut être rendue bi-fonctionnelle par deux procédés : les synthèses bi-ligands ou les échanges de ligands. Dans les deux cas, la composition de la couronne de ligands est étudiée par résonance magnétique nucléaire et elle s’avère être systématiquement différente de la composition du milieu réactionnel, chaque ligand introduisant des interactions intermoléculaires particulières qui lui confèrent des propriétés de complexation propres vis-à-vis de la surface d’or. La ségrégation des ligands en surface est étudiée par nucléation hétérogène et régiosélective de silice et aboutit à la formation de nanostructures or/silice asymétriques, révélant une séparation de phase des ligands sous forme de patches dans certains cas. Enfin, une influence particulière des ligands aromatiques sur les propriétés optiques des nanoparticules d’or est observée, se traduisant par un fort décalage de la position de la bande plasmon de surface localisé vers les grandes longueurs d’onde. Une étude théorique montre l’influence de ces ligands sur les transitions interbandes de l’or au sein des nanoparticules. / This thesis shows the synthesis and the characterization of bi-functional gold nanoparticles. Several synthesis of spherical gold nanoparticles are presented in order to obtain nanoparticles with a diameter of 2 nm, 5 nm, 15 nm or 35 nm. The ligand shell can become bi-functional from two processes: bi-ligand synthesis or ligand exchange. In both cases, the composition of the ligand shell is studied by nuclear magnetic resonance and is shown to be systematically different from the reaction medium’s composition, each ligand introducing particular intermolecular interactions which provide it proper complexing abilities against the gold surface. The ligand segregation on the surface is studied thanks to regioselective heterogeneous nucleation of silica, leading to the formation of asymmetric gold/silica nanostructures, thus revealing a phase separation of the ligands in certain cases. Then, a particular influence of aromatic ligands on the optical properties of the gold nanoparticles is observed, showing a strong shift of the localized surface plasmon band to higher wavelengths. A theorical study shows the influence of this kind of ligands on the gold interband transitions in the nanoparticles.Keywords: gold nanoparticles, functionnalization, ligand exchange, segregation, gold/silica hybrid nanostructures, plasmonics, nuclear magnetic resonance.

Dans ce travail de thèse nous avons étudié les propriétés de fluorescence de films minces d’or dopés avec des molécules organiques Nous avons montré par imagerie électroniques MEB et TEM qu’ils sont structurés en agglomérats de nanocristaux (5 à 10nm) recouverts de molécules formant un gap nanométrique. Dans les spectres d’extinction nous avons observé la présence de la résonance plasmon du métal ainsi que d’une autre résonance à 600nm que nous attribuons au plasmon de gap.Les spectres d’émission et d’excitation de fluorescence ont confirmé que ces films dopés fluorescents avec une composante venant de la fluorescence de l’or, et une autre caractéristique de la présence des molécules fluorescentes. Les décalages spectraux en excitation et en émission à la fois de l’or et des molécules sont les signes d’un couplage fort entre leurs états électroniques, ce qui serait en accord avec la très forte concentration de molécules dans le film (1/100 molaire)L’observation non intuitive de la fluorescence des molécules insérées dans la couche d’or aurait pour origine l’augmentation considérable de leur taux radiatifs qui a été récemment observé dans les nanogaps. / In this thesis work we studied the fluorescence properties of gold thin films doped with organic molecules. We have shown by electronic imaging SEM and TEM that they are structured in agglomerates of nanocrystals (5 to 10 nm) covered with molecules forming a nanometric gap. In the quenching spectra we observed the presence of the plasmon resonance of the metal as well as another resonance at 600nm that we attribute to the gap plasmon.The fluorescence emission and excitation spectra confirmed that these fluorescent doped films with a component coming from the fluorescence of gold, and another characteristic of the presence of fluorescent molecules. The spectral shifts in excitation and in emission of both the gold and the molecules are the signs of a strong coupling between their electronic states, which would be in agreement with the very high concentration of molecules in the film (1/100 molar)The non-intuitive observation of the fluorescence of the molecules inserted into the gold layer is due to the considerable increase in their radiative levels that has recently been observed in nanogaps.

Cette thèse développe la synthèse contrôlée et la purification de nanoparticules d’or hybrides, AuNPs stabilisées par des thiols organiques modulant leurs propriétés de surface. Les applications visent la catalyse et le domaine biomédical, impliquant un contrôle poussé des nanoobjets introduits. Les synthèses des AuNPs organiques sont développées à partir de la méthode de Brust, avec le 4-hydroxythiophénol et le 4-méthylthiophénol. Elles conduisent à des nanoparticules hybrides stables d’environ 2 nm. Les fractions de purifications sont analysées par MET, UV-visible, RMN et ATG, caractérisant le cœur d’or, la couche de ligands et leurs interactions. Il apparaît que les AuNPs hybrides présentent un assemblage de thiols en monocouche ou en multicouche. Une nouvelle voie de synthèse directe en phase aqueuse d’AuNPs d’environ 4 nm, stabilisées par le 4-hydroxythiophénol, est ensuite développée. Ces AuNPs sont purifiées par dialyse et caractérisées par MET, UV-visible, RMN et ATG. Les fractions d’AuNPs organiques, présentant différents états de surface, sont imprégnées dans la silice mésoporeuse SBA-15. Les isothermes d’adsorption et la manométrie sous diazote indiquent une bonne dispersion des AuNPs et une insertion dans les canaux. Nous introduisons l’exploration d’applications ciblées. L’utilisation des AuNPs organiques lors de l'oxydation d’alcènes tend à améliorer la sélectivité du sel de manganèse catalytique. Pour le domaine biomédical, les AuNPs aqueuses présentent une bonne dispersibilité en milieux aqueux biocompatibles. Les premiers tests in-vitro sur des cellules de sarcomes humains montrent une faible cytotoxicité et une bonne pénétration intracellulaire. / This Ph.D. work developed the controlled synthesis and purification of hybrid gold nanoparticles AuNPs, stabilized by organic thiols that are tuning their surface properties. The targeted applications are the catalysis and in the biomedical field, requiring a thorough control of the introduced nanoobjects. Syntheses of the organic AuNPs were developed from the Brust method, using 4-hydroxymercaptophenol or 4-methylmercaptophenol, leading to stable hybrid gold nanoparticles of size 2 nm. Purified fractions were characterized using TEM, UV-visible, NMR and TG analysis, issuing key data about the gold core, the organic layer and their interactions. Among the different fractions of AuNPs, the organic thiol ligands appeared to be assembled either as a monolayer or a multilayer pattern. A new direct route for synthesis of aqueous AuNPs of size 4 nm, stabilized by 4-hydroxymercaptophenol, has been developed. The AuNPs were purified using dialysis and characterized by TEM, UV-visible, NMR and TG analysis. Organic AuNPs, exhibiting different surface properties, were impregnated into SBA-15 mesoporous silica. Adsorption isotherms and nitrogen adsorption/desorption studies were in good agreement with the homogeneous distribution of AuNPs and the significant incorporation into the porosity. Finally, exploration of the targeted applications was started. The use of organic AuNPs for alkene oxidation tends to improve the selectivity of manganese salt catalyst. In the biomedical field, the aqueous AuNPs exhibited good dispersibility into biocompatible aqueous solvents. First in-vitro assays involving human sarcoma cells line showed limited cytotoxicity and good cellular uptake.

Si la microscopie de fluorescence est la plus couramment utilisée pour détecter des nano-objets individuels, les méthodes d’absorption permettent de s’affranchir de la photostabilité imparfaite des objets luminescents et d’accéder à d’autres objets en ne se limitant pas aux espèces luminescentes. Au cours de ce travail de thèse, nous avons cherché à pousser les limites des méthodes basées sur l’absorption existantes en termes de sensibilité et de caractère quantitatif. La microscopie photothermique hétérodyne permet de détecter une grande variété de nano-objets absorbants sur fond noir. Nous présentons une nouvelle implémentation de cette technique permettant d’exalter la réponse photothermique de nanoparticules d’or individuelles autour de la transition de phase du milieu les entourant. Un gain d’un facteur 10 a été obtenu par rapport à un milieu classique. Afin de déterminer l’absorption de petits nano-objets à fort rapport d’aspect, comme les nanotubes de carbone, la détection directe est en revanche plus quantitative. En développant une méthode d’absorption à modulation spatiale optimisée, nous avons déterminé pour la première fois la valeur de la section efficace d’absorption de nanotubes de carbone (6,5) de manière absolue. Finalement, nous avons mis au point un protocole de préparation et de tri en longueur de nanotubes de carbone ultracourts. Les longueurs obtenues ont été caractérisées par spectroscopie, microscopies optique et à force atomique. Dans le futur, ces nanotubes pourront être utilisés comme sondes biologiques détectées par le dispositif photothermique. Les nanotubes possèdent en effet des résonances optiques dans le proche infrarouge correspondant à la plage de transparence des tissus biologiques. / Absorption methods can overcome the limited photostability of luminescent nano-objects and allow for detection of non-luminescent ones, making it a desirable alternative to commonly used fluorescence microscopy for single particle detection. During this project, we optimized the sensitivity of existing absorption based methods and developed their use for quantitative applications. Photothermal heterodyne microscopy is a highly sensitive, “background-free” detection method that can be applied to a large variety of individual absorbing nano-objects. We implement a new version of this technique that enhances the photothermal response of single gold nanoparticles by using a phase transition in their surrounding environment. Compared to a standard medium, we demonstrate a 10 fold enhancement of the signal to noise ratio. On the other hand, for measurement of the absorption cross section of small, and high aspect ratio nano-objects, such as carbon nanotubes, direct detection is more quantitative. In pursuit of this goal, we developed an optimized modulated absorption method and used it to directly measure the absolute absorption cross section of (6,5) carbon nanotubes for the first time. Finally, we set up a protocol to prepare ultrashort carbon nanotubes and sort them by length. As they exhibit strong optical resonances in the near infrared corresponding to a transparency window in biological tissues, they will be useful as photothermally detected biological probes. These nanotubes were characterized spectroscopically, and by optical and atomic force microscopy.