L'objectif de ce travail est d'une part de comprendre et contrôler la formation de rides périodiques nanométriques produites par pulvérisation ionique de films minces diélectriques. D'autre part, ces surfaces nanostructurées sont utilisées pour guider la croissance et l'organisation de nanoparticules d'argent. Ces systèmes anisotropes sont caractérisés par une position spectrale de la résonance plasmon de surface dépendant de la polarisation de la lumière incidente. Nous étudions d'abord par AFM et GISAXS l'influence des conditions de pulvérisation (angle d'incidence et énergie des ions, température, flux, fluence) sur la morphologie des rides (période, amplitude, ordre, ...). Les paramètres pertinents pour le contrôle de la morphologie sont identifiés ainsi qu'une partie des mécanismes physiques mis en jeu. Ensuite, nous étudions par HAADF-STEM l'influence des conditions de croissance (angle d'incidence du flux métallique, degré d'organisation des rides) sur les propriétés structurales des nanoparticules d'argent. Nous montrons que la croissance préférentielle des nanoparticules le long des rides est favorisée par des effets d'ombrage, ce qui conduit à la formation de chaînes linéaires de même période que les rides sous-jacentes et au sein desquelles les nanoparticules sont plus ou moins alignées et allongées. Cela se traduit par une anisotropie optique en champ lointain variable due à la polydispersité des distances interparticules (inférieures à quelques nanomètres) ainsi que des phénomènes de couplage en champ proche plus ou moins importants. Ces structures peuvent trouver des applications en spectroscopie Raman exaltée de surface (SERS). / On the one hand, the aim of this work is to understand and control the formation of periodic nanometric ripples produced by ion sputtering of dielectric thin films. On the other hand, these nanostructured surfaces are used to guide the growth and organization of silver nanoparticles. These anisotropic systems are characterized by a surface plasmon resonance whose spectral postion is dependent on the polarization of the incident light. We first study the influence of different ion beam sputtering parameters (the ions incidence angle and energy, temperature, energy, flux, fluence) on the ripple morphology (period, amplitude, order, ...) by AFM and GISAXS. The relevant parameters for the control of the ripple morphology are identified as well as some of the physical mechanisms involved. Then, we study the influence of the growth conditions on the structural properties of the nanoparticles (metal deposition angle, ripples pattern quality) by HAADF-STEM. We show that the preferential growth along the ripples is promoted by shadowing effects, thus leading to the formation of linear chains with period similar to the underlying ripples and with more or less elongated and aligned nanoparticles. This results in a far-field tunable optical anisotropy arising from polydisperse interparticle gaps (less than a few nanometers) as well as from more or less strong near-field coupling phenomena. These structures could offer potential for surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) applications.

Cette thèse contribue à la compréhension fondamentale du phénomène de couplage fort de la lumière avec des molécules organiques en mettant en œuvre de nouveaux systèmes et de nouvelles techniques, afin d'étudier les modifications de propriétés de molécules couplées à des résonances photoniques. Nous présentons des techniques de nanofabrication avancées pour la création de grands réseaux de trous sur des métaux et de cavités de Fabry-Pérot (FP) nanofluidiques. Ces systèmes sont ensuite utilisés pour étudier, sous régime de couplage fort, les modifications des propriétés de surface et de volume de molécules organiques en phase solide et liquide. En particulier les transitions électroniques de molécules du colorant cyanine en solution liquide ont été couplées à des modes photoniques résonants de cavités FP nanofluidiques spécialement conçues. Leur couplage fort a conduit à une amélioration du rendement quantique d'émission, mettant en évidence la nature radiative des états polaritoniques. / This thesis contributes to the fundamental understanding of the phenomenon of strong coupling of light with organic molecules by implementing new systems and techniques in order to investigate property modifications of molecules coupled with photonic resonances. State-of-the-art nanofabrication techniques for the formation of large hole-array gratings in metals and nanofluidic Fabry-Perot (FP) cavities are presented. These systems were then invested to study, under strong coupling, surface and bulk properties modifications of organic molecules in the solid and liquid phase. In particular, electronic transitions of cyanine dye molecules in liquid solutions were coupled to resonant photonic modes of specially designed nanofluidic FP cavities. Their strong coupling has led to an enhancement of the emission quantum yield, highlighting the radiative nature of the associated polaritonic states.

Pas de résumé en français / Plasmonic circuitry is considered as a promising solution-effectivetechnology for miniaturizing and integrating the next generation ofoptical nano-devices. The realization of a practical plasmonic circuitry strongly depends on the complete understanding of the propagation properties of two key elements: surface plasmons and electrons. The critical part constituting the plasmonic circuitry is a waveguide which can sustain the two information-carriers simultaneously. Therefore, we present in this thesis the investigations on the propagation of surface plasmons and the co-propagation of surface plasmons and electrons in single crystalline metal nanowires. This thesis is therefore divided into two parts. In the first part, we investigate surface plasmons propagating in individual thick penta-twinned crystalline silver nanowires using dual-plane leakage radiation microscopy. The effective index and the losses of the mode are determined by measuring the wave vector content of the light emitted in the substrate. Surface plasmon mode is determined by numerical simulations and an analogy is drawn with molecular orbitals compound with similar symmetry. Leaky and bound modes selected by polarization inhomogeneity are demonstrated. We further investigate the effect of wire geometry (length, diameter) on the effective index and propagation losses. On the basis of the results obtained during the first part, we further investigate the effect of an electron flow on surface plasmon properties. We investigate to what extend surface plasmons and current-carrying electrons interfere in such a shared circuitry. By synchronously recording surface plasmons and electrical output characteristics of single crystalline silver and gold nanowires, we determine the limiting factors hindering the co-propagation of electrical current and surface plasmons in these nanoscale circuits. Analysis of wave vector distributions in Fourier images indicates that the effect of current flow on surface plasmons propagation is reflected by the morphological change during the electromigration process. We further investigate the possible crosstalk between co-propagating electrons and surface plasmons by applying alternating current bias

Le projet de recherche a été réalisé en collaboration avec Professeur Jean-François Masson du Département de Chimie de l'Université de Montréal. The research project was made in collaboration with Professor Jean-François Masson from the Chemistry department of University of Montreal. / L'objectif du projet de recherche est de développer une méthode de criblage d’inhibiteurs basée sur une technologie émergente, soit un dispositif portatif utilisant la résonance des plasmons de surface (SPR). La cible du criblage est la dihydrofolate réductase R67 (DHFR R67), une enzyme qui confère une résistance bactérienne à l'antibiotique triméthoprime. Ici, l'enzyme cible est immobilisée sur une surface d'or mince avec des propriétés plasmoniques (optiques) spécifiques qui varient en fonction de la masse des molécules se liant à cette surface. Cette technique permet de suivre les événements de liaison de molécules à la DHFR R67 immobilisée, et ainsi peut permettre l'identification d'inhibiteurs potentiels. Cependant, la masse molaire des inhibiteurs typiquement utilisés lors de criblages préliminaires (i.e. 500-1000 g/mol) est trop faible pour générer un signal SPR détectable. Afin de contrer cette lacune, ce mémoire a pour objet de développer un essai compétitif indirect qui mettra en jeu des molécules de masse supérieure. D’abord, une nanoparticule d'or portant un analogue de substrat se liera à la DHFR R67 immobilisée à la surface d’or, générant ainsi un signal SPR important en raison de la masse molaire élevée de la nanoparticule. Ensuite, lors du criblage d'inhibiteurs potentiels, les nanoparticules liées seront déplacées de l'enzyme cible si la molécule criblée fournit une affinité suffisante. Ainsi, il sera possible de suivre indirectement la liaison d'un inhibiteur à la cible. Ce projet vise donc à tester et à valider l'approche de criblage SPR appliquée à la DHFR R67. / The objective of the research project is to develop a method for inhibitor screening based on a portable Surface Plasmon Resonance (SPR) device, an emerging technology. The target is R67 dihydrofolate reductase (R67 DHFR), an enzyme that confers bacterial resistance to the antibiotic trimethoprim. Here, the target enzyme is linked to a thin gold surface having specific plasmonic (optical) properties that vary as a function of the mass of bound molecules. This allows monitoring binding to the surface-linked R67 DHFR, and thus permits identification of inhibitors. However, the mass of the low-affinity inhibitors typically identified in early stages of screening (i.e. 500-1000 g/mol) is too low to produce a significant SPR signal. To address this shortcoming, a competitive assay will be developed: a gold nanoparticle carrying a substrate analog will bind the surface-immobilized R67 DHFR, resulting in a strong SPR signal due to its high mass. Then, upon screening for potential inhibitors, the bound nanoparticle will be displaced from the target enzyme if a molecule provides sufficient affinity. By those means, it will be possible to indirectly monitor the binding of an inhibitor to the target. This goal of this project is to test and validate the SPR screening approach applied to R67 DHFR.

Au cours des dernières années, les matériaux énergétiques, tels que le 2,4,6-trinitrotoluène (TNT) et le 1,3,5-trinitro perhydro-1,3,5-triazine (RDX), ont été utilisés lors des activités d’entrainement militaire, ayant un impact potentiel sur l’environnement, les bases militaires, la population environnante, la faune et la flore. Sur les champs de tir, les sols à proximité des cibles et autour des positions de tir nécessitent une surveillance particulière, puisqu’il est possible de trouver une importante quantité de résidus d’explosif qui peuvent être transportés vers les eaux de surface et des eaux souterraines avec les précipitations. Toutefois, la procédure actuelle pour détecter des matériaux énergétiques dans l'eau naturelle est complexe, longue, nécessite un personnel hautement spécialisé et augmente le risque de contamination croisée. Par conséquent, il est difficile d'assurer un contrôle rapide et continu des contaminants. En fait, l'objectif des travaux présentés dans ce mémoire est de développer une technique pour identifier et quantifier les explosifs et leurs produits de dégradation dans les eaux naturelles. En outre, ce test doit être in situ, en continu, peu coûteux et rapide. La résonance des plasmons de surface (SPR) a été donc utilisée pour quantifier les matériaux énergétiques. Une matrice de bis-aniline réticulée avec des nanoparticules d’or (AuNPs) est utilisée en tant que polymère à empreinte moléculaire (MIP) sur le film d'or pour capturer sélectivement le composé d’intérêt. L'association de la molécule d’intérêt, tel que le TNT ou RDX, au MIP par interactions π-donneur-accepteur permet la détection d'explosifs suite aux changements d’indice de réfraction sur la sonde. Le couplage entre les plasmons des AuNPs et de la couche d'or peut également augmenter les signaux SPR. Le test optimisé a ensuite été utilisé sur une base militaire canadienne. L'utilisation de cet essai à base de MIP fournit un outil pour l'extraction et la pré-concentration de TNT ou RDX à la surface d’une sonde SPR et permet leur détection en continu de faibles concentrations dans les eaux naturelles. / Over the last few years, energetic materials such as 2,4,6-trinitrotoluene (TNT), 1,3,5-trinitroperhydro-1,3,5-triazine (RDX) and octahydro-1,3,5,7-tetranitro-1,3,5,7-tetrazocine (HMX) have been used and show a probable environmental impact on military bases, the surrounding population, fauna and flora, caused by military training involving munitions. On shooting ranges, soils near the firing positions and around targets require special monitoring, since the quantities of explosives residues found can be significant, and these compounds can be transported to surface water and groundwater by precipitation. However, the current procedure to detect energetic materials in natural water is complex, long and poorly adapted to. These operations require highly specialized personnel and increase the risk of cross contamination. Therefore, it is difficult to ensure a fast and continuous monitoring of the contaminants. Here, the objective is to develop a technique for identifying and quantifying explosives and their degradation products in natural water. Also, this test has to be in-situ, inexpensive and fast. Surface plasmon resonance (SPR) has been proposed to probe energetic materials. A bis-aniline-cross-linked gold nanoparticles (AuNPs) matrix is used as a molecular imprinted polymer (MIP) on gold film to selectively capture the target compound. The association of the target such as TNT or RDX to the MIP with π-donor-acceptor interactions have allow the detection of explosives by following SPR refractive changes. Plasmon coupling effects between the AuNPs and the gold film could also increase the SPR signals. The optimal sensor was then used on site to detect RDX in underground water of a Canadian military base. The utilisation of MIP based assay will provide a tool for the extraction and pre-concentration of TNT or RDX on the detector’s surface and will allow the detection of lower concentrations in natural water.

L’objectif principal de ces travaux de thèse était de comprendre l’impact de la chimie de surface de NPs lors de leur interaction avec des interfaces biologiques. Deux sortes de NPs cœurs-coquilles ont été étudiées : des NPs sphériques de silice mésoporeuse Fe3O4@MSN de 100 nm de diamètre, contenant un cœur magnétique et des NPs composées d’analogues de bleu de Prusse (ABP) de formes cubiques (BP), cuboïdes (FeNi), ou polyédriques Au@BP contenant un cœur d’or, de tailles comprises entre 47 et 67 nm. Ces NPs différent par leur taille, leur composition chimique et leur forme. Les NPs de silice mésoporeuse, particulièrement étudiées ces dernières années pour leurs potentielles applications médicales, ont été choisies pour estimer la pertinence du recours à des modèles membranaires supportés pour l’évaluation de la sécurité biologique de nanomatériaux pour la santé. Les NPs Fe3O4@MSN ont été synthétisées de façon homogène et reproductible. Ces NPs ont ensuite été fonctionnalisées, par greffage de groupements PEG sur la silice, ou recouvertes avec une bicouche lipidique. L’influence des propriétés de surface sur la stabilité en suspension de ces NPs a été caractérisée dans différents milieux. Les effets de ces NPs sur la viabilité cellulaire et la cinétique d’internalisation ont été suivis sur une lignée cellulaire d’hépato-carcinome humain HepG2. Afin d’appréhender la relation entre les propriétés de surface des NPs et leurs effets sur les cellules, l’interaction des NPs avec des modèles membranaires a été étudiée. Les interactions des NPs avec des modèles membranaires ont été suivies par microbalance à quartz (QCM-D) et résonance plasmonique de surface (RPS). Les NPs fonctionnalisées sont plus rapidement internalisées que les NPs natives, en particulier les NPs recouvertes de bicouches lipidiques, mais sont moins toxiques pour les cellules HepG2. La présence de protéines de sérum de veau fœtal induit la formation d’une couronne de protéines qui influence l’interaction des NPs natives avec les membranes. Par contre, les groupements PEG ou le recouvrement lipidique forment un encombrement stérique limitant l’adhésion des protéines à la surface, qui n’influencent donc pas l’interaction des NPs avec les membranes. D’autre part, les NPs d’ABP ont été recouvertes avec des bicouches lipidiques. Les NPs polyédrique Au@BP contiennent un cœur d’or pour leur conférer des propriétés plasmoniques. La forme des NPs, sphériques, cubiques, cuboïdes ou polyédriques, n’influence pas le recouvrement lipidique. Ces différentes NPs, agrégées à 150 mM de NaCl, sont stabilisées en suspension par la formation d’une bicouche lipidique supportée en surface. L’influence de la forme sur la sécurité biologique des NPs peut ainsi être étudiée, celles-ci ayant des propriétés de surface communes mais différentes formes. / This work is a part of a multidisciplinary project focused on the safety of nanoparticles (NPs) developed for theranostic applications. The goal of this thesis is to investigate the role of surface chemistry of NPs at the biological interface. Two types of core-shell NPs have been studied: spherical mesoporous silica Fe3O4@MSN, with a diameter of 100 nm and a magnetic core, and cubic, cuboid and polyhedral NPs composed of Prussian blue analogous, presenting sizes comprised between 47 and 67 nm. The polyhedral Prussian blue NPs Au@BP contain a gold core. The NPs present different sizes, shapes and chemical compositions. Mesoporous silica NPs (MSN), particularly studied for their potential medical applications, have been used to evidence the relevance of model membranes to investigate NPs safety. First, Fe3O4@MSN were homogeneously synthesized, in reproducible 100 mg batches. These NPs have been functionalized by PEG grafting and lipid coating. The influence of the surface properties on the NPs stability have been characterized in various media. A human hepatocarcinoma cell line HepG2 have been used to measure the cell viability and observe the uptake kinetics when the cells are incubated with Fe3O4@MSN. To rely the surface properties of the NPs to their cell effects, the interaction of NPs with membrane models have been studied. Quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D) and surface plasmon resonance (RPS) were used to follow NPs-model membrane interactions. Functionalized NPs were uptaken faster than the bare ones, in particular lipid coated NPs, but were less cytotoxic for HepG2 cells. The presence of fetal calf serum proteins reduces the interaction of bare Fe3O4@MSN with model membranes, due to the protein corona that formed around the NPs. However, the presence of proteins doesn’t change NPs-model membranes interactions when NPs are functionalized by PEG grafting or coated with a lipid bilayer. The PEG groups and the lipid bilayers constitute a steric barrier which reduces the protein adhesion at the NPs surfaces. On the other hand, Prussian blue analogous NPs were also coated with lipid bilayers. The golden core of the polyhedral one’s confers localized plasmon properties. The lipid bilayer coating is equally performed on spherical, cubic, cuboid or polyhedral shapes of the various NPs. These different NPs are aggregated in high ionic strength conditions, with 150 mM NaCl, but dispersed when coated by lipid bilayer. The influence of the shape on the safety of the NPs may be compared, using these NPs with common surface coating but various shapes.

Many studies have demonstrated a connection between the fibrillin matrix and TGFβ signalling, but at present the mechanistic basis for this link is unclear. An interaction between the C-terminus of Latent TGFβ Binding Protein 1 (LTBP1) and the N-terminus of fibrillin1 has previously been identified, and may have the potential to directly link the fibrillin matrix to TGFβ signalling. To investigate the structural basis for this interaction, several multi-domain fragments of fibrillin1 and LTBP1 were expressed prokaryotically and refolded in vitro. After initial characterisation to confirm folding, the structure, dynamics, and interdomain interactions of these fragments were investigated in more detail using NMR techniques. Domains in both LTBP1 and fibrillin1 appear to demonstrate folds consistent with homologous structures, and while the LTBP1 C-terminal cbEGF14-TB3-EGF3-cbEGF15 region contains many flexible linkers and few interdomain interactions, the fibrillin1 EGF2-EGF3-hyb1-cbEGF1 region appears rigid, with interfaces forming between all domains present. SPR studies were used to demonstrate binding between distinct LTBP1 and fibrillin fragments, suggesting interactions between multiple domains are involved in the LTBP1-fibrillin1 interaction. The binding sites involved were then mapped to specific residues using HSQC titration studies, and structural models for the LTBP1-fibrillin1 interaction were generated based on these data. Predictions from these models were used to target residues for site-directed mutagenesis, based on their potential involvement in salt bridges, and when certain residues were replaced with those of opposite charge, reductions in binding could be seen in the SPR assay. These key residues were consistent with a particular model of the LTBP1-fibrillin1 interaction, as derived from the HSQC titration data. The conservation of potential binding site residues through deuterostome evolution also supports an important biological role for the LTBP-fibrillin interaction.

La matrice extracellulaire est composée d’environ 300 protéines et protéoglycanes qui constituent le matrisome et de 800 protéines associées (Naba et al., 2012a) et glycosaminoglycanes. C’est un protéome sous-exploré qui est modifié dans de nombreuses pathologies. Les fragments bioactifs issus de la matrice extracellulaire (matricryptines) sont capables de réguler des processus physiopathologiques et notamment l’angiogenèse et les pathologies cérébrales (Ricard-Blum and Salza, 2014). Environ 90 % des patients atteints de la maladie d’Alzheimer (MA) ont une angiopathie amyloïde cérébrale. L’angiogenèse contribue au déroulement de la MA. Nous nous sommes intéressés à l’endostatine (ES), une matricryptine du collagène XVIII qui possède des activités anti-angiogéniques, anti-tumorales et est également présente dans les plaques amyloïdes chez les patients atteints de la MA. Elle est libérée par les neurones et est capable de former des fibrilles amyloïdes in vitro (Kranenburg et al., 2003). Elle pourrait donc avoir une implication dans la MA. Nous avons montré que l'ES est présente dans le liquide céphalorachidien et que le rapport de sa concentration à celle des marqueurs classiques de la MA permet d’améliorer le diagnostic des patients atteint de démence fronto-temporale (DFT) et de discriminer les patients atteints de MA de ceux atteint de DFT et de pathologie nonMA/nonDFT. Nous avons établi les répertoires d’interactions extracellulaire du peptide -amyloïde (1-42) sous formes monomérique, oligomérique, fibrillaire ou agrégée et montré que l’oligomérisation et la fibrillogenèse augmentent la capacité d’interaction du peptide -amyloïde. Nous avons établi le réseau d’interaction global de l’endostatine par résonance plasmonique de surface en mode imagerie et identifiés 21 nouveaux partenaires de cette matricryptine. Nous avons plus particulièrement caractérisé son interaction avec la Procollagen C-Proteinase Enhancer-1, une protéine dont nous avons montré qu’elle donne naissance à une matricryptine anti-angiogénique. Nous avons enfin construit les réseaux d’interactions extracellulaires spécifiques de l’angiogenèse et de la maladie d’Alzheimer et des processus amyloïdes pour identifier les protéines connectant ces deux processus qui sont des cibles thérapeutiques potentielles. Ces réseaux d’interactions ont été créés à l’aide de 239 interactions que nous avons identifiées expérimentalement et des interactions décrites dans la littérature. Ces données seront à terme disponibles dans la base de données spécifique des interactions extracellulaires créée au laboratoire, MatrixDB, dans la nouvelle version à laquelle nous avons contribué. / The extracellular matrix include approximately 300 proteins and proteoglycans which constitute the matrisome and 800 associated proteins (Naba et al., 2012a) and glycosaminoglycans. It is an under-explored proteome which is modified in many diseases. Extracellular matrix bioactives fragments (matricryptins) are able to regulate physiopathological process like angiogenesis and cerebral disorders (Ricard-Blum and Salza, 2014). About 90 % of patients with Alzheimer's disease (AD) have cerebral amyloid angiopathy. Angiogenesis contributes to the development of AD. We are studying endostatin (ES), a matricryptin of collagen XVIII which has anti-angiogenic and anti-tumoral activities and is also present in amyloid plaques in AD patients. ES is released by neurons and is able to form amyloid fibrils in vitro (Kranenburg et al., 2003). This anti-angiogenic matricryptin could therefore be involved in AD. We have shown that ES is present in the cerebrospinal fluid of AD patients and the ratio of its concentrations to conventional markers of AD improves the diagnosis of patients with frontotemporal dementia (FTD) and discriminate AD patients from those suffering from FTD and pathology noAD/noDFT. We have established the extracellular interactions repertoires of the -amyloid peptide (1-42) in monomeric, oligomeric, fibrillar or aggregated forms and showed that the oligomerization and fibrillogenesis increase the interaction capacity of the -amyloid peptide. We have established the global interaction network of endostatin by surface plasmon resonance imaging and identified 21 new partners of this matricryptin. Specifically, we characterized its interaction with the Procollagen C-Proteinase Enhancer-1, a protein which gives rise to an anti-angiogenic matricryptin. We finally built networks of specific extracellular interactions of angiogenesis and of Alzheimer's disease and amyloid process to identify proteins connecting these two processes that are potential therapeutic targets. These interaction networks have been built using 239 interactions including those we have identified experimentally and those described in the literature. This data will be available in the database specific of extracellular interactions created in the laboratory, MatrixDB, in the new version of which we contributed.

Ce travail est consacré à l’étude de la dynamique ultrarapide d’électrons chauds photo-excité dans des structures plasmonique. L’intérêt particulier de ce domaine réside dans le fait que les SPs, en raison de leurs caractéristiques spatio-temporelles spécifique, offrent un nouvel attrait technologique pour les processus de transport d’information ultra-rapide aux nano-échelles. Dans ce contexte, ce manuscrit offre une compréhension et une exploitation de l’une des principales limitations des technologies à base de SP : les pertes par effet Joule. Nous exploitons le fait que le mécanisme d’absorption des plasmons dans les métaux est suivi par la génération d’électrons chauds à l’échelle femtoseconde, ainsi les pertes peuvent être considrées comme une conversion d’énergie plasmon-électrons chauds. Cette conversion d’énergie est mesurée à l’aide d’une technique pompe-sonde laser femtoseconde. Nous lançons des impulsions SP que nous sondons sur des centaines de femtosecondes grace aux variations de permittivité diélectrique induites par le gaz d’électrons chaud accompagnant la propagation de SP. Le profil de température électronique est par conséquent une image de la distribution de densité de puissance de plasmon (absorption) non élargi spatialement et temporellement par diffusion de porteurs d’énergie. Nous avons pu démontrer la capacité de relier la mesure de température électronique à l’absorption du SP, révélant une absorption anormale autour d’une fente nanométrique. Les résultats expérimentaux sont en accord quantitatif avec les prédictions théoriques de la distribution de densité de puissance. Dans une seconde partie, nous avons étudié les pertes plasmoniques et leurs caractéristiques lors de sa propagation sur un film métallique semi-infini. Nous avons déterminé la vitesse de l’onde thermique électronique et son atténuation. Dans la dernière partie, nous utilisons une structure en pointe pour guider adiabatiquement et focaliser le plasmon à l’extrémité. Nous avons démontré ainsi la génération d’un point chaud nanométrique et avons mis en évidence un retard dans l’échauffement des électrons à l’extrémité de la pointe. Les perspectives et les questions ouvertes sont également discutées. / In this work we explored the ultrafast dynamics of photo-excited hot electrons in plasmonic structures. The particular interest of this field resides on the fact surface plasmons (SP), because of their unrivaled temporal and spatial characteristics, provide a technological route for ultrafast information processes at the nanoscale. In this context, this manuscript provides a comprehension and the harnessing of one of the major limitation of the SP-based technologies : absorption losses by Joule heating. We exploit the fact that the mechanism of plasmon absorption in metals is followed by generation of hot electrons at femtosecond time scale, thus losses can be seen as a plasmon-to-hot-electron energy conversion. This energy conversion is measured with femtosecond pump-probe technique. Femtosecond SP pulses are launched and probed over hundred femtoseconds through the permittivity variations induced by the hot-electron gas and which accompany the SP propagation. The measured electron temperature profile is therefore an image of plasmon power density distribution (absorption) not broadened spatially and temporally by energy carrier diffusion. As an important result we demonstrated the capability to link the electronic temperature measurement to the plasmonic absorption, revealing an anomalous light absorption for a sub- slit surroundings, in quantitative agreement with predictions of the power density distribution. In a second part we studied plasmon losses and their characteristics when they propagate on semi-infinite metal film. We determined the electronic thermal wave velocity and damping. In the last part we used a focusing taper-structure to adiabatically guide and focus the plasmon at the apex. Was demonstrated the generation of a nanoscale hot spot and put in evidence a delayed electron heating at the taper apex. Perspectives and the remaining open questions are also discussed.

La microscopie SEEC (Surface Enhanced Ellipsometric Contrast) est une technique inventée au mans, il y a une dizaine d’années. Elle permet de visualiser des objets de taille nanoscopique entre polariseur et analyseur croisés en utilisant les propriétés non dépolarisantes de surfaces multicouches. Jusqu’au début de la thèse, seules des observations à l’air étaient possibles. Le but de cette thèse a consisté à adapter cette technique à l’observation in-situ d’objets en immersion dans l’eau.Pour cela, il a fallu inventer de nouvelles surfaces propres à ce nouveau milieu. Les calculs ont montrés que des surfaces fines d’or révélaient un bon contraste pour des objets de 1 nm en immersion dans l’eau. Expérimentalement, nous avons montré que pour exploiter au maximum le contraste SEEC, il est nécessaire de modifier l’éclairage. En parallèle de ces travaux expérimentaux, de nouveaux calculs ont montrés que l’utilisation d’épaisseurs encore plus fines permettait de visualiser ces objets avec un bon contraste et sans aucune modification de l’éclairage. Nous avons appelé cette nouvelle technique : la microscopie CONE. Nous avons découvert deux modes de mesure. Après avoir réalisé des fonctionnalisations homogènes et hétérogènes des surfaces d’or. Ces surfaces ont été utilisées en résonance plasmonique de surface (SPR) pour l’étude de fixation de protéine (adsorption et immobilisation) puis d’interaction protéine/protéine. Ces expériences ont ensuite servies de référence pour évaluer les microscopies SEEC et CONE. Par cela, nous avons prouvé que ces microscopies présentent de forts intérêts pour la détection in-situ de protéines avec un faible coût. / This thesis was supported by National Agency for Research with the project: ANR PNANO-07 SEEC. The Surface Enhanced Ellipsometric Contrast (SEEC) microscopy has invented in 2000 at Le Mans (France). This technique allows the visualization of nanoscopic object between crossed analyzer and polarizer. It’s possible if some special multilayer surfaces are used. There surfaces must have the particularity to not change the polarization of light during the reflection. Until the beginning of the project the SEEC microscopy was useful only for air observations. The goal of the thesis was to adapt this technique to observe on gold surfaces immerged in water and to compare the performance of the SEEC microscopy with Surface Plasmonique Resonance (SPR) in that configuration. The SPR is a biomolecular interaction study reference technique. SEEC microscopy lateral resolution was evaluate by fluorescence microscopy. Next, we realize two model experiments monitor in parallel by SEEC microscopy and by SPR: BSA immobilization and biotinylated IgG fixation by immobilized streptavidine. To compare measurements efficiently we did a huge preparation work (surface functionalizations and microfluidic) to have exactly same conditions in both techniques.Our results show SEEC microscopy cannot replace SPR for biomolecular interaction studies but it can be used as cheap immunological diagnostic technique. This work gives the path to follow on that direction.