Dans cette thèse nous présentons différents motifs formés par auto-organisation de matériaux azopolymères soumis à un rayonnement lumineux. Nous avons montré que de nombreux réseaux de surface photoinduits, jusqu'à 10, peuvent êtreenregistrés sur la même zone d’un film azopolymère pourvu que la polarisation du faisceau d'écriture soit bien choisie. Cet effet a permis la création d'une grande variété de motifs complexes. Dans cette thèse, nous montrons de telles structures complexes formées à la surface de couches minces d'azopolymère via un ensemble de réseaux superposés (jusqu'à 16 sur la même zone). Nous créons ainsi des structures dites quasi-cristal à 2 dimensions. La surface d'azopolymère est alors utilisée comme un moule afin d'être répliquée avec un élastomère. La couche d’élastomère ainsi produite possède la même structure que le moule enazopolymère. Cette couche est flexible, transparente et étirable et nous l'avons utilisé pour le dépôt de nano-objets uniques. Les caractéristiques de deux surfaces photoinduites de deux azopolymères chiraux ont été comparées: une surface aléatoire de type gaussien et une surface avec des réseaux quasi-aléatoires. Ces motifs ont été obtenus avec une technique simple de type ‘bottom-up’ en éclairant la couche mince d'azopolymère avec un seul faisceau laser. La surface avec des réseaux quasi-aléatoires peut être utilisée pour le couplage de la lumière dans plusieurs directions dans un film ultra-mince. Ces deux surfaces ont été utilisées comme moule et répliquées sur un élastomère transparent. Elles montrent un très bon piégeage de la lumière. Plus précisément, le piégeage de la lumière est 20% meilleur avec les réseaux quasialéatoires qu'avec la surface aléatoire de type gaussien et il est de l'ordre de 40%. / In this thesis we present various patterns formed by self-organization of azopolymer materials subjected to light radiation. We have shown that many photoinduced surface gratings, up to 10, can be recorded on the same area of an azopolymer film, provided that the polarization of the writing beam is well chosen. This effect allowed the creation of a wide variety of complex patterns. In this thesis, we show such complexstructures formed on the surface of thin layers of azopolymer, via a set of superimposed networks (up to 16 on the same zone). We thus create so-called quasicrystal structures with 2 dimensions. The azopolymer surface is then used as a mold to be replicated with an elastomer. The elastomer layer produced has the same structure as the azopolymer mold. This layer is flexible, transparent and stretchable and we used it for the deposition of unique nano-objects. The characteristics of two photoinduced surfaces of two chiral azopolymers were compared: a Gaussian type random surface and a surface with quasi-random lattices. These patterns were obtained with a simple bottom-up technique, by illuminating the thin layer of azopolymer with a single laser beam. The surface with quasi-random lattices can be used for the coupling of light in several directions in an ultra-thin film. These two surfaces were used as molds and replicated on a transparent elastomer. They show a very good trapping of light. More precisely, the trapping of the light is 20% better with the quasi-random gratings than with the random surface of the Gaussian type and it is of the order of 40%.

Cette thèse présente les résultats théoriques et expérimentaux de l’interaction entre une onde plane et une monocouche de particules sub-microniques sphériques/non sphériques transparentes au champ optique. Un renforcement local du champ optique sous la particule peut être observé, menant à la formation d’une concentration d’énergie appelée «nanojet photonique». Une étude théorique de la répartition du champ électromagnétique sous les microparticules et le choix des conditions optimales, nous a permis d’exploiter ce nanojet comme un outil de micro-nano-structuration. Dans le cadre de cette thèse, une structuration périodique 2D d’un matériau photosensible à base de TiO2 déposé sur divers substrats a été effectuée par la technique de photolithographie colloïdale. En utilisant ce matériau, cette approche permet en une seule étape de conduire à une couche fonctionnelle, stable mécaniquement et chimiquement. Enfin, cette thèse présente quelques pistes d’exploitation et de perspectives de l’utilisation du phénomène de concentration d’une onde incidente par les microparticules. Plus précisément, cette microstructuration peut être utilisée pour des fonctions de piégeage optique, pour de la croissance localisée de matériaux fonctionnels ou encore pour augmenter l’activité de photocatalyse de couches actives / This PhD thesis presents the theoretical and experimental results of the interaction between a plane wave and a monolayer of spherical / non-spherical submicron particles that are transparent to the optical field. Local amplification of the optical field under the particle can be observed. This amplification of electromagnetic field is called "photonic nanojet". A theoretical study of nanojet under the microparticles and the choice of optimal conditions, allowed us to exploit this nanojet as a micro-nano-structuring tool. A 2D periodic structuring of a TiO2-based photosensitive material deposited on various substrates was carried out by the colloidal photolithography technique. By using this TiO2-based photosensitive material, this approach makes possible in a single step to produce a functional layer. Finally, this thesis presents some opportunities to exploit the phenomenon of concentration of an incident wave by the microparticles. More precisely, this microstructuration can be used for optical trapping functions, for the localized growth of functional materials or for increasing the photocatalytic activity of active layers

Les techniques de structuration et de fonctionnalisation de surfaces aux échelles micro- et nanométriques connaissent un intérêt croissant lié aux possibilités qu'elles offrent pour l'étude des phénomènes fondamentaux à faible échelles et aux avancées technologiques qu'elles permettent dans les domaines de l'électronique, de la photonique et de la bio-ingénierie. Parmi les nombreuses techniques qui ont été développées durant les dernières décennies, les méthodes reposant sur l'utilisation de microleviers pour le dépôt de faibles volumes de liquide offrent, entre autre, l'avantage d'être directes et parallélisées, et sont particulièrement adaptées aux applications biologiques. Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la conception et la réalisation d'un système de dépôt de gouttes micrométriques à l'aide de matrices de leviers en silicium. L'originalité de ce système, nommé Bioplume, repose sur l'intégration de capteurs de forces et sur l'utilisation de méthodes de dépôt assistées par champ ou par auto-assemblage pour contrôler in-situ la taille, l'uniformité et la composition des motifs réalisés. Le système fonctionne en boucle fermée afin d'automatiser la fabrication de micromatrices de spots tout en garantissant la correction des erreurs d'alignement et le contrôle de la force exercée et du temps de dépôt. Après avoir validé le chargement assisté par électromouillage et le dépôt de solutions biologiques, nous utilisons les phénomènes d'auto-organisation afin de créer directement, à partir de solutions de nanoparticules, des microspots cristallins. Enfin, à l'aide d'électrodes incorporées aux leviers, des réactions électrochimiques sont induites dans les volumes de liquides déposés (de l'ordre du picolitre), permettant l'électrodéposition de cuivre et l'éléctropolymérisation de pyrroles. Les nombreuses fonctionnalités apportées à ce système pendant cette thèse permettent d'étendre ses capacités, faisant de Bioplume une solution fiable et complémentaire au x techniques de jet d'encre et de dip-pen en terme de taille de motifs.

L'utilisation de nano-structures dans des dispositifs optiques ou électroniques est pressentie comme une solution aux limites des technologies micro-électroniques actuelles. Mais l'utilisation des propriétés physiques de ces nano-structures présuppose un contrôle collectif de la taille de la densité de ces objets. Ce travail étudie la possibilité d'organisation contrôlée de nano-structures par des champs élastiques périodiques. Ces champs élastiques sont induits par des réseaux de dislocations enterrés, créés par collage moléculaire Si/Si. Nous avons montré que l'organisation directe par épitaxie des nano-structures n'est pas possible, mais qu'en utilisant une gravure chimique sensible aux champs élastiques, il était possible de définir une surface structurée à l'échelle nanométrique de manière bien contrôlée. Ce nouveau type de surface a ensuite été utilisé comme gabarit pour la croissance de nano-structures de germanium, ce qui a montré son efficacité en termes d'organisation.

Les nanostructures de semiconducteurs sont des objets très intéressants pour de nombreuses applications en microélectronique ou en optoélectronique. Néanmoins, pour pouvoir les utili-ser, il est nécessaire de contrôler leur taille, leur densité et leur répartition spatiale. C'est pour-quoi de nombreux travaux de recherche ont été consacrés ces dernières années à la maîtrise de ces paramètres. La majorité des études porte sur la mise au point d'une méthode de croissance collective auto-organisée des nanostructures. Dans notre travail, nous avons choisi d'élaborer un substrat fonctionnel apte à provoquer l'auto-organisation latérale des nanostructures. Le moteur de l'organisation est le champ de contraintes induit en surface par un réseau de dislo-cations enterrées, obtenues par le collage et le transfert d'un film ultra-mince de silicium sur une plaque de silicium. Pour ce faire, nous avons mis au point des méthodes originales de contrôle des angles de collage. En menant de front procédé de réalisation et études structura-les, nous avons démontré que ces substrats organisent latéralement le dépôt de boîtes quanti-ques de silicium. Ces substrats pourraient donc être utilisés pour fabriquer de nouveaux com-posants pour la microélectronique ou l'optoélectronique tels que par exemple des nouveaux types de mémoires non volatiles.

Afin de poursuivre la tendance de réduction des dimensions des dispositifs optiques ou électroniques, les nanostructures sont pressenties comme une solution aux limites des technologies micro-électroniques actuelles. Néanmoins, leur exploitation n'est possible que si leur taille, leur densité et leur positionnement latéral sont précisément contrôlés. Pour un gain de temps, ces nano-objets sont réalisés par croissance collective, et l'ordre latéral n'apparaît en général que si la surface est préalablement préparée. Dans ce contexte, nous avons développé un substrat nanostructuré par la révélation d'un réseau régulier bidimensionnel de dislocations enterrées obtenu lors d'un collage par adhésion moléculaire de plaques de silicium (001). L'utilisation de gravure chimique préférentielle a été optimisée pour révéler les lignes de dislocations formant en surface un réseau carré de nano-plots de silicium séparés par des nano-tranchées plus ou moins profondes. Ce type de surface a été testé pour induire un ordre latéral d'îlots de Ge et de nanostructures métalliques (Ni, Au, Ag). Nous avons montré que l'auto-organisation de ces nanostructures n'était possible que si la barrière énergétique induite par les profondeurs de tranchées était suffisamment grande pour bloquer les effets cinétiques. Dans ces conditions, les îlots ordonnés de Ge ont été analysés par des techniques de rayons X et les nanostructures métalliques par des mesures de résonance plasmon.

La photo-isomérisation de l’azopolymère cause des mouvements de masse permettant d'inscrire des figures d'interférences à la surface de films minces. Les films sont répliqués sur un substrat en PDMS transparente t étirable. Il forme des réseaux de phase. Les figures de diffraction décrivent les surfaces, elles sont utilisées pour modéliser numériquement les réseaux, quelles que soient les contraintes.Le projet WOLF vise à fabriquer des nano lasers blancs à colorants organiques. Un montage complexe de caractérisation est développé. Le module d’excitation permet d’illuminer les nanotubes un à un. Le pompage tente de maximiser l’émission laser d’un unique nano objet. La collection du signal repose pricipalement sur l’utilisation d’une fibre optique ouvrant la porte de la microscopie confocale. La spectroscopie associée au montage révèle la formation de cavités au sein des nano bâtonnets organiques. Malgré la faible puissance du signal, les modes sont étudiés,mettant en évidence des nano-cavités. Les nano-objets sont parfois étudiés dans des liquide. La micro-fluidique est développée au laboratoire. Sans salle blanche une méthode photolithographique est développée à bas coûts. Les puces nouvellement créées sont testées dans le mélange de deux fluides et lors de la caractérisation de nanoparticules en suspension par leur mouvement Brownien. Cette thèse à permis de mettre en place les outils d’observation de nano-objets uniques / Azopolymer photo-isomerization causes matter motion. This phenomena is responsible for the inscription of the interference pattern on surface of thin films. The films are replicated by pouring PDMS on it. PDMS is a transparent and stretchable polymer. The diffraction pattern of these gratings describes the surface. These informations are used to numerically simulate the surface irrespective of the mechanical constraints.The WOLF project try to synthetize white lightorganic nanolasers. For that purpose, a complex setup has been realised. The excitation part of the setup illuminates a single nano-laser or a few. The pump source is designed to optimise the amplified emission of the nanolasers. The collection of the signal is based on an optical fiber.This fibre has given us the chance to use confocal microscopy. Spectroscopy combined with our setup show the existence of nanocavities among nanotubes. In spite of the low signal power, the emitting modes are studied and show the cavity effect of these lasers. In another context, nano-objets are sometimes studied in solution. For that reason, a new experiment has been setup, namely, microfluidic. Without the use of a clean room, a low cost photolithograpic method is developped. The microfluidic chips are tested during the mixing of to liquids and during the obsevation of the brownian motion of particules. This PhD thesis has given the tools needed for the characterization of single nano-objects.

L'intégration de nano-objets dans des systèmes fonctionnels à l'échelle nanométrique est un sérieux challenge à relever pour les applications qui exploitent leurs propriétés uniques. Ces objets peuvent être de natures diverses et variées, des nano-particules, des protéines, des molécules. De nombreuses problématiques visent à assembler sous forme 2D ou 3D ces nano-objets en suspension dans un liquide sur des surfaces solides. Leur intégration depuis cette phase liquide sur une surface solide, demeure une opération sensible. Une attention toute particulière est alors mise sur l'assemblage de biomolécules ou de nano-particules pour des applications tournées vers l'analyse biologique et le diagnostic médical, mais aussi vers la fabrication de systèmes micro-nano systèmes électromécaniques spécialisés. Le travail présenté dans cette thèse s'inscrit dans cette problématique, il consiste à étudier, comprendre et modéliser les mécanismes physiques mis en jeu dans la technique d'assemblage dirigé par capillarité (mouillabilité, piégeage de la ligne triple sur des motifs artificiels, flux convectifs au sein de la solution). Pour cela nous avons conçu et assemblé un système expérimental d'assemblage capillaire. Un volet technologique a également été développé afin de créer des motifs de piégeage par des méthodes de nanolithographie. Le dernier volet du travail de recherche que nous avons effectué est de nature plus applicative, nous montrons comment un tel procédé peut être utilisé afin d'assembler des nano-objets d'intérêt, autres que des nanosphères parfaites. Nous avons en particulier étudié l'assemblage de brins d'ADN permettant leur peignage organisé sur une surface ainsi que l'assemblage de nanotubes de carbone.

La structuration de surface et la reprise d'épitaxie sont des technologies clé pour le développement des (nano)dispositifs optoélectroniques avancés. Nos travaux de thèse ont visé la préparation de surfaces GaAs micro et nanostructurées pour l'épitaxie et l'étude de la croissance dirigée de boîtes quantiques InAs sur ces surfaces. La lithographie électronique a été retenue pour structurer la résine en surface et une attaque chimique pour le transfert du motif dans le semiconducteur. La décontamination de la surface par plasma micro-onde O2 : SF6 a été démontrée. Sa rugosité a été supprimée par désoxydation in-situ à basse température avec un plasma d'hydrogène. L'influence de l'orientation et de l'échelle des motifs sur l'épitaxie de GaAs a été précisée. Des boîtes quantiques d'InAs ont été réalisées sur ces surfaces recouvertes d'un puits de GaInAs et leur organisation obtenue. Cette méthode de préparation convient aussi pour l'épitaxie sélective de GaAs sur des surfaces structurées par des motifs de Si3N4.

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.