Encore jamais été observé, le rayonnement infrarouge moyen et lointain consécutif aux sprites a été prédit et serait lié à l’excitation des états vibrationnels de CO2. En sciences de l’atmosphère, la composition chimique peut être retrouvée par des méthodes de télédétection infrarouge. Pour la Défense, les émissions infrarouges naturelles peuvent causer de fausses alarmes à travers les systèmes de veille optronique satellitaires ou aéroportés. C’est pourquoi il est nécessaire de caractériser les émissions infrarouges des sprites. Pour cela, un modèle de cinétique plasma-vibrationnelle a été développé et couplé à un modèle de transfert radiatif atmosphérique. Celui-ci permet de simuler les effets énergétiques et chimiques consécutifs à la perturbation électrique des streamers, éléments constitutifs des sprites. Les signatures infrarouges évaluées devraient être détectables pour un observateur situé dans la stratosphère ou dans l’espace. Par ailleurs, les effets des incertitudes sur les principaux paramètres du modèle ont été quantifiés à travers une étude de sensibilité. Enfin, ces travaux ont permis de définir certaines spécifications instrumentales pour la mission HALESIS (High Altitude Luminous Events Studied by Infrared Spectro-imagery), qui aura pour but d’observer les sprites et autres phénomènes lumineux de moyenne atmosphère dans l’infrarouge. / Even if it hasn’t been observed yet, the existence of emissions in the middle and far infrared following a sprite is suspected and could be related to vibrational excitation of CO2. In atmospheric sciences, the chemical composition can be retrieved through different remote sensing methods. For the Defense, natural infrared emissions could cause false alarms through airborne and spaceborne optronic detection systems. That is why it is necessary to characterize the infrared emissions of sprites. To do so, a plasma-vibrational kinetic model has been developed and coupled to an atmospheric radiative transfer model. This model allows evaluating the energetic and chemical effects following the electrical perturbation caused by the propagation of streamers, main constituent elements of sprites. The evaluated signatures could be detectable for an observer situated in the stratosphere or in space. Otherwise, the effects of the uncertainties on the principal parameters of the model have been quantified through a sensitivity analysis. Finally, this work allowed defining instrumental specifications for the future mission HALESIS (High Altitude Luminous Events Studied by Infrared Spectro-imagery), which will record hyperspectral infrared images of sprites and other middle atmosphere luminous events.

Les carbohydrates font partie des trois grandes classes de biopolymères présents dans la nature. Ils représentent 75% de la biomasse. Les glycosaminoglycanes font partie des carbohydrates, ils sont présents à la surface des cellules et sont responsables de la signalisation cellulaire. Ils sont importants dans de nombreux processus biologiques. Vu leur importance en biologie et en santé, il est nécessaire de comprendre leur fonctionnement. Dans cette thèse nous avons étudié deux types de tétrasaccharides de glycosaminoglycanes (chondroïtine sulfate et dermatane sulfate) avec une nouvelle méthode qui couple la spectrométrie de masse à la spectroscopie vibrationnelle (MS/IR). Nous avons montré qu’avec cette méthode la signature de l’empreinte OH fonctionne pour les glycosaminoglycanes qui présentent des groupements Coo- et des groupements sulfate contrairement aux oses simples. Cette méthode a également validé la pertinence du séquençage pour l'élucidation de profils de sulfate et la nature de l’hexuronique dans les oligosaccharides de glycosaminoglycanes. L’approche du séquençage améliore considérablement la résolution structurelle par rapport à la simple analyse spectroscopique de l'ion précurseur. Elle permet d’avoir plus d’information sur les oligosaccharides. Et pour finir nous avons proposé un protocole pour l’analyse de mélanges afin de déterminer le ratio des différents éléments présents dans le mélange / Carbohydrates are among the three major classes of biopolymers found in nature. They represent 75% of the biomass. Glycosaminoglycans are carbohydrates, they are present on the surface of cells and are responsible for cell signaling. They are important in many biological processes. Given their importance in biology and health, it is necessary to understand their mechanism. In this thesis we studied two types of glycosaminoglycan tetrasaccharides (chondroitin sulfate and dermatan sulfate) with a new method that combines mass spectrometry with vibrational spectroscopy (MS / IR). We have shown that with this method the signature of the OH-fingerprint works for glycosaminoglycans which have COO- groups and sulfate groups in contrast to simple carbohydrates. This method also validated the relevance of sequencing for the elucidation of sulfate profiles and the nature of hexuronic in oligosaccharides of glycosaminoglycans. The sequencing approach significantly improves the structural resolution compared to the simple spectroscopic analysis of the precursor ion. It provides more information on oligosaccharides. And finally we proposed a protocol for the analysis of mixtures to determine the ratio of the different elements present in the mixture

Le développement croissant des réseaux de télécommunication de fibre optiques nécessite la mise au point de systèmes optiques intégrés (amplificateurs, switch optique, WDM, DWDM, ...). La découverte de génération de second harmonique dans les verres ouvre de nouvelles perspectives d'application dans le domaine des télécoms. C'est dans ce contexte que nous avons débuté cette thèse par la recherche de nouveaux systèmes vitreux (Nb2O5 – P2O5 – CaO – B2O3 et TeO2 – PbO – P2O5), qui après un traitement de poling présentent une forte susceptibilité non linéaire d'ordre deux. L'étude a porté sur la synthèse, le traitement de poling et les caractérisations physico-chimiques (structurales et optiques) des verres. Une application aux couches minces a été entreprise.

Grand nombre des propriétés des alliages dépend de la structure et de la composition chimique des défauts. Dans ce contexte, nous avons étudié la ségrégation interfaciale d'un système présentant une forte démixtion en volume et une tendance à ségréger en surface (i.e. Cu/Ag), par simulations Monte Carlo avec déplacements et un modèle d'Ising effectif sur réseau rigide. Les interfaces considérées sont le joint de grains de flexion Sigma=5 (310) <001> ainsi que les surfaces (001) et (310). Les résultats obtenus en Monte Carlo pour le joint de grains montrent l'existence d un composé ordonné bi-dimensionnel dans le plan du joint... dans un système à tendance à la démixtion ! Pour la surface (001), nous montrons l'apparition d une surstructure cristallographique illustrant le couplage complexe entre ségrégation et modification structurale. L analyse par le modèle sur réseau rigide nous a permis de déterminer les forces motrices de ségrégation intergranulaire et superficielle. Le couplage des deux méthodes a mis en évidence le rôle important de l'entropie vibrationnelle dans la ségrégation intergranulaire, alors qu'elle peut être négligée pour la ségrégation superficielle. L'évaluation de l'entropie vibrationnelle de ségrégation doit tenir compte des couplages entre vibrateurs premiers voisins (le modèle d Einstein ne pouvant donc être utilisé) et de la dilatation thermique différentielle à proximité du joint de grains. Nous avons alors utilisé l'approche analytique pour déterminer les isothermes de ségrégation intergranulaire. Nous avons ainsi mis en évidence une transition de phase du premier ordre à caractère multicouche. Un comportement identique est obtenu pour la surface (310), les interactions inter-plan étant à l'origine de ces transitions. Cet aspect multicouche de la ségrégation intergranulaire a été confirmé par des simulations Monte Carlo montrant de plus l'apparition d un phénomène de mouillage, le joint de grains initial se scindant en deux interfaces séparées par une phase métastable.

Les sources d'atomes, la protection thermique pour la rentrée atmosphérique et la dépollution de l'air par couplage plasma-catalyseur voici quelques exemples d'applications pour lesquelles l'interaction plasma-surface joue un rôle principal. Les mécanismes des réactions hétérogènes dans les plasmas contenant les gaz atmosphériques N2/O2 sont encore peu compris. La précision et la capacité de prédiction des modèles cinétiques sont limitées par la connaissance des conditions de la surface. Dans la première partie de ce travail, nous avons étudié l'adsorption et les réactions chimiques des atomes O et N sur des surfaces de différents oxydes (silice, Pyrex, TiO2) sous exposition plasma. Nous avons utilisé la spectroscopie d'absorption par laser accordable, la spectroscopie d'absorption UV, la fluorescence induite par laser à deux photons (TALIF) et la spectrométrie de masse pour suivre l'interaction entre les espèces en phase gaz et les surfaces. L'analyse chimique de surface a été effectuée par spectrométrie photoélectronique X (XPS). Nous avons montré que des atomes stables Nads et Oads peuvent être chimisorbés sur la surface par plasma dans O2 et N2 à basse pression (~ 1 mbar). Leur densité et la réactivité ont été évaluées par réactions avec des molécules stables (NO, C2H2) et des radicaux (O, N) sur la surface prétraitée. Le rôle des atomes chimisorbés pour la recombinaison hétérogène d'atomes a été étudié en utilisant l'échange isotopique 15N ↔ 14Nads et 18O ↔ 16Oads sous exposition plasma. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons étudié la relaxation vibrationnelle des molécules de N2 sur des surfaces catalytiques par la technique de titrage infrarouge (IR). Des mélanges contenant 0,05 - 1% de CO2 (CO ou N2O) dans N2 à la pression p = 1,3 mbar ont été excités par une décharge dc pulsée. La cinétique de la relaxation vibrationnelle des traceurs IR dans la post-décharge a été mesurée par un laser à cascade quantique. Grace à un couplage très efficace entre N2 et CO2 (CO ou N2O), l'excitation vibrationnelle de CO2 (CO ou N2O) reflet l'excitation de N2. Un modèle numérique de la cinétique vibrationnelle a été développé afin d'interpréter les mesures de relaxation. La probabilité de perte d'un quanta vibrationnel de N2 sur la surface a été déterminée à partir du meilleur accord entre l'expérience et le modèle.

La compréhension des réactions biochimiques qui se déroulent au sein des protéines est un enjeu fondamental de la biologie actuelle. Dans ce travail, nous nous sommes principalement intéressés aux premières étapes de ces réactions, qui se produisent à l'échelle de la centaine de femtosecondes. Traditionnellement, l'étude de ces premières étapes se fait à l'aide d'impulsions ultracourtes dans le domaine visible ou ultraviolet : ces impulsions font passer la molécule sur un état électronique excité, ce qui permet de déclencher la réaction étudiée de manière ultrarapide et très efficace.<br />Dans ce travail, nous avons exploré une nouvelle voie d'excitation des molécules biologiques : nous avons utilisé des impulsions infrarouges, de manière à placer l'énergie directement dans les vibrations de la molécule. Cette technique permet théoriquement d'explorer la surface de potentiel de la protéine loin de sa région harmonique, et même d'approcher l'état de transition de la réaction catalysée par la protéine. Pour communiquer le plus d'énergie possible à la molécule, nous avons utilisé des impulsions infrarouges intenses et à dérive de fréquence qui permettent de gravir efficacement l'échelle vibrationnelle considérée.<br /><br />Dans une première étape, nous avons engendré des impulsions infrarouges intenses dont l'énergie est de quelques microjoules et le spectre s'étend sur 170 cm-1 environ. Nous avons ensuite caractérisé ces impulsions par diverses méthodes : nous avons notamment mesuré leur phase spectrale au moyen d'une technique de HOT SPIDER temporel, ce qui constitue la première mesure de phase spectrale autoréférencée pour des impulsions centrées autour de 10 µm. <br /><br />Dans une seconde étape, nous avons utilisé ces impulsions infrarouges pour exciter la vibration d'une molécule de CO liée à la myoglobine, puis à l'hémoglobine. Dans ce dernier cas, nous avons démontré l'ascension vibrationnelle de la molécule de CO jusqu'au 7ème niveau excité : nous avons ainsi réalisé la première expérience d'ascension vibrationnelle dans une molécule biologique ou plus généralement dans une macromolécule. Cette technique d'excitation nous a permis d'obtenir des données spectroscopiques nouvelles sur la carboxy-hémoglobine telles que la position et la largeur des raies d'absorption des différentes transitions vibrationnelles, les temps de vie des niveaux excités ainsi que la présence d'une anharmonicité électrique importante.

La compréhension des réactions biochimiques qui se d'eroulent au sein des protéines est un enjeu fondamental de la biologie actuelle. Dans ce travail, nous nous sommes principalement intéressés aux premières étapes de ces réactions, qui se produisent à l'échelle de la centaine de femtosecondes. Traditionnellement, l'étude de ces premières étapes se fait à l'aide d'impulsions ultracourtes dans le domaine visible ou ultraviolet : ces impulsions font passer la molécule sur un état électronique excité, ce qui permet de déclencher la réaction étudiée de manière ultrarapide et très efficace. Dans ce travail, nous avons exploré une nouvelle voie d'excitation des molécules biologiques : nous avons utilisé des impulsions infrarouges, de manière à placer l'énergie directement dans les vibrations de la molécule. Cette technique permet théoriquement d'explorer la surface de potentiel de la protéine loin de sa région harmonique, et même d'approcher l'état de transition de la réaction catalysée par la protéine. Pour communiquer le plus d'énergie possible à la molécule, nous avons utilisé des impulsions infrarouges intenses et à dérive de fréquence qui permettent de gravir efficacement l'échelle vibrationnelle considérée. Dans une première étape, nous avons engendré des impulsions infrarouges intenses dont l'énergie est de quelques microjoules et le spectre s'étend sur 170 cm−1 environ. Nous avons ensuite caractérisé ces impulsions par diverses méthodes : nous avons notamment mesuré leur phase spectrale au moyen d'une technique HOT SPIDER, ce qui constitue la première mesure de phase spectrale autoréférencée pour des impulsions centrées autour de 10 μm. Dans une seconde étape, nous avons utilisé ces impulsions infrarouges pour exciter la vibration d'une molécule de CO liée à la myoglobine, puis à l'hémoglobine. Dans ce dernier cas, nous avons démontré l'ascension vibrationnelle de la molécule de CO jusqu'au 7ème niveau excité : nous avons ainsi réalisé la première expérience d'ascension vibrationnelle dans une molécule biologique ou plus généralement dans une macromolécule. Cette technique d'excitation nous a permis d'obtenir des données spectroscopiques nouvelles sur la carboxy-hémoglobine telles que la position et la largeur des raies d'absorption des différentes transitions vibrationnelles, les temps de vie des niveaux excités ainsi que la presence d'une anharmonicité électrique importante.

Dans ce travail théorique, nous présentons une étude de la dynamique vibrationnelle multi-quanta des réseaux quantiques non linéaires. Ces réseaux présentent une distribution périodique de modes de vibration haute fréquence dont la dynamique est le fruit de la compétition entre les phénomènes suivants:<br />Les couplages dipolaires favorisent la délocalisation des vibrations donnant naissance à la propagation d'excitons vibrationnels : les vibrons.<br />L'anharmonicité intramoléculaire favorise une interaction attractive entre les vibrons et entraîne l'apparition d'états liés. Caractérisés par une localisation de l'interdistance vibronique, les états liés sont l'équivalent quantique d'objets non linéaires tels que les solitons.<br />L'interaction vibron-phonon modifie la nature des états à travers le mécanisme d'habillage qui traduit la création de polarons qui sont des vibrons habillés par une déformation du réseau. Ce mécanisme diminue la capacité de délocalisation des polarons et correspond à une seconde source de non linéarité.<br /><br />Notre formalisme, appliqué aux hélices-alpha et aux nanostructures moléculaires, révèle les points suivants:<br />A température biologique, une hélice-alpha, bien représentée par un modèle 1D, est le siège de deux états liés dont la présence a été observée expérimentalement. A basse température, la nature des états polaroniques reflète le caractère 3D des hélices.<br />Dans un nanofil de taille finie, la singularité du mécanisme d'habillage entraîne l'apparition d'états localisés.<br />Les non linéarités locale et non locale permettent un transport énergétique cohérent véhiculé par des états liés liés spécifiques.

Le document décrit différentes techniques expérimentales et numérique de spectroscopie vibrationnelle. Plusieurs exemples sont présentés, dans lesquels la spectroscopie vibrationnelle a eu un apport dans la compréhension d'une transition de phase ou d'une dynamique spécifique : transfert de proton dans des cristaux moléculaires, anharmonicité de verres fragiles, solidification inverse d'une solution de beta-cyclodextrine/4-methyl pyridine, dynamique des protéines.

Cette thèse traite de la fonctionnalisation de surface des résonateurs plasmonique à base de semi-conducteur III-V en utilisant de l’acide phosphonique pour la spectroscopie vibrationnelle exaltée permettant d'identifier des quantités infimes de molécules. Le premier chapitre décrit les fondements théoriques de la spectroscopie vibrationnelle exaltée. En comparant les propriétés plasmoniques du semi-conducteur dégénéré InAs(Sb):Si et des métaux, ici l’or et le gallium, on trouve que l’InAs(Sb):Si est particulièrement adapté à la spectroscopie infrarouge exaltée (SEIRA) et que le gallium est adapté à la spectroscopie Raman exaltée (SERS). Les deux matériaux plasmoniques alternatifs surpassent théoriquement l'or dans leurs gammes spectrales respectives. Néanmoins, l'or et son inertie chimique restent intéressants pour permettre la spectroscopie vibrationnelle exaltée dans différents environnements chimiques.Dans le deuxième chapitre on démontre que l’InAs(Sb):Si est chimiquement stable dans l'eau, contrairement au GaSb. Une structure en couches composites de GaSb/InAsSb:Si a été utilisée pour montrer que la déplétion de l'antimoine et l'incorporation d'oxygène à l'interface GaSb-eau transforment, en un peu moins de 14 h, 50 nm de GaSb cristallin en un oxyde de gallium. Cet oxyde de gallium a un indice de réfraction moyen-IR de l'ordre de n=1,6 ce qui est environ la moitié de la valeur de l'indice de réfraction du GaSb dans le moyen-IR.Dans le troisième chapitre, on démontre que cette modification de l'indice de réfraction lors de l'oxydation peut être exploitée pour décaler la résonance plasmonique localisée des réseaux InAsSb:Si sur des substrats GaSb dans la plage de 5 µm à 20 µm par formation d’un piédestal.Dans le chapitre 4 est présenté le contrôle de la liaison chimique des molécules organiques avec la fine couche d'oxyde natif à la surface du semi-conducteur III-V. L’attachement de ces molécules sur l’oxyde de surface ouvre la voie à des applications bio-photoniques utilisant des semi-conducteurs améliorés par des résonateurs plasmoniques.Dans le chapitre 5 est décrit deux stratégies différentes pour combiner des résonateurs plasmoniques à base de III-V avec des circuits micro-fluidiques. Ces résultats démontrent que des applications lab-on-the-chip basées sur des semi-conducteurs III-V sont possibles.Enfin, la possibilité d'intégrer des nanoparticules de Gallium plasmoniques sur des semi-conducteurs III-V pour combiner les méthodes SEIRA et SERS est présentée au chapitre 6. / This thesis deals with the surface functionalization of nanostructured plasmonic III-V semiconductors for surface-enhanced vibrational spectroscopy relevant to identify minute amounts of analyte molecules.The first chapter outlines the theoretical foundations of surface-enhanced vibrational spectroscopy based on plasmonics. Comparing the plasmonic properties of the degenerate semiconductor InAs(Sb):Si and of metals, here gold and gallium, it is found that the degenerate semiconductor is especially suited for surface-enhanced infrared (SEIRA) spectroscopy and that gallium with its plasmonic potential in the UV-VIS range is apt for surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS). Both alternative plasmonic materials theoretically outperform gold in their respective spectral ranges. Nevertheless, gold and its chemical inertness remain interesting for enabling plasmonic enhanced vibrational spectroscopy in different chemical environments. The influence of aqueous environments on the material properties of III-V semiconductors is addressed in the second and in the third chapter. It is found that InAs(Sb):Si is chemical stable in water, but GaSb is not. A GaSb/InAsSb:Si compound layer structure was used to demonstrate that the depletion of antimony and the incorporation of oxygen at the GaSb-water interface transform 50 nm of crystalline GaSb to a gallium oxide in less than 14 hours. The gallium oxide has a mid-IR refractive index in the order of n=1.6 and thus less than half of the value of the mid-IR refractive index of GaSb. This change in refractive index upon oxidation can be exploited to blue-shift the localized plasmonic resonance of InAsSb:Si gratings on GaSb-substrates in the range from 5 µm to 20 µm by pedestal formation.In Chapter 4, the controlled chemical bonding of organic molecules to the approximately 3 nm thin native oxide layer of III-V semiconductor surfaces by phosphonic acid chemistry is presented. This paves the way for plasmonic enhanced all-semiconductor mid-IR biophotonic applications. In chapter 5, two different, but equally successful strategies to combine III-V based plasmonic resonators with microfluidic circuits are described. These results demonstrate that lab-on-the-chip applications based on III-V semiconductors are possible. Finally, the possibility to integrate plasmonic Gallium nanoparticles onto the III-V material platform for a potential combination of SEIRA and SERS applications is presented in chapter 6.