Dissertations / Theses on the topic 'Faisceaux de nanoparticules'

Les lasers fibrés sont actuellement en passe de remplacer leurs homologues en raison de performances élevées liées à une architecture guidée, ayant pour impact direct une multitude d'application dans des domaines variés allant des télécommunications, au médical en passant par la sécurité ou encore les capteurs. Cependant cette technologie basée sur le dopage aux ions terres rares présente un inconvénient majeur qui ne permet pas de répondre au besoin croissant des nouvelles sources dites non conventionnelles en raison de la limitation de leur émission à quelques longueurs d'onde prédéfinies. Pour contourner cet obstacle, nous proposons dans le cadre de cette thèse d'utiliser un autre type de matériaux actifs que sont les nanoparticules semiconductrices connues sous le nom de quantum dots (QDs). Leurs propriétés optiques singulières sont fortement liées à leur taille et peuvent être contrôlées avec une grande précision pour couvrir une bande d'émission qui s'étend de l'ultraviolet à l'infrarouge moyen. Dans ce contexte, des nanoparticules ont été synthétisées par voie colloïdale dans le cadre de collaborations nationales et internationales et leurs propriétés ont été étudiées avant et après insertion dans les fibres optiques. Ainsi, l'émission de particules PbSe et CdSe/CdS a pu être observée puis guidée dans le coeur liquide des fibres par le mécanisme de réflexion totale interne. Fort de ces résultats, la simulation puis la réalisation expérimentale d'une cavité laser basée sur de telles fibres a été menée. Un effet laser a pu être déterminé théoriquement avec une efficacité proche de la limite quantique, associé à une démonstration expérimentale. En parallèle, des travaux complémentaires ont été entrepris afin de trouver de nouvelles voies d'incorporation des QDs dans les fibres optiques avec pour objectif à plus long terme d'améliorer la stabilité et la tenue au flux tout en réduisant les pertes du milieu hôte. Dans ce contexte, une étude importante a été consacrée à la réalisation de matériaux composites qui, après une phase de traitement thermique, ont montrés la formation de nanoparticules PbS de bonnes qualités constituant l'état de l'art du domaine. Enfin, des voies d'incorporation plus exotiques ont aussi été amorcées notamment avec l'idée de réaliser des structures actives guidantes dans l'air non disponibles actuellement. On peut citer le dépôt de mono-couches de nanoparticules dans les fibres creuses à cristal photonique ou encore la fonctionnalisation de l'aérogel.

Depuis les premiers travaux d’Ashkin sur les pinces optiques classiques, beaucoup d’efforts ont été fait pour piéger des nano particules. Néanmoins, elles peuvent difficilement piéger des particules inférieures à 200 nm à cause des limites imposées par la diffraction. Cette limite peut être dépassée grâce aux forces optiques de gradient provenant du champ évanescent généré et amplifié par des nano cavités photoniques. Cependant, cette approche est confrontée à deux verrous importants pour les applications : La surface de piégeage est très faible ce qui rend peu probable la capture d’une nanoparticule animée d’un mouvement brownien et pour les pinces « ultimes » de type nanoantenne où le mode est confiné dans des régions nanométriques, leur excitation en espace libre n’est pas très efficace. L’objectif de ce travail vise à lever ces deux verrous. Pour augmenter la surface de piégeage, nous présenterons d’abord une approche utilisant le mode de Bloch d’une cavité étendue à double période dans un cristal photonique fabriqué sur SOI. Nous montrerons que cette approche permet le piégeage de particules de 200, 100 et 75 nm sur une surface étendue de 5x5 µm² en utilisant un faisceau laser d’excitation en espace libre. Dans un deuxième temps, nous nous intéresserons à l’excitation optique en espace libre de structures nanométriques. Nous présenterons une structure hybride nano antenne – cristal photonique, où le cristal photonique joue le rôle de réservoir à photons pour la nano antenne. Cela permet ainsi un effet « entonnoir à photon» où la lumière issu d’un faisceau large (5µm) est concentrée dans la nanoantenne. Nous démontrerons la pertinence de cette approche par le piégeage particules de 100 nm
Since the first work on optical tweezers by Ashkin, a lot of efforts have been made to trap nanoparticles. However, optical tweezers are diffraction limited and can hardly trap particles below 200 nm. This limit can be overstepped using the optical gradient forces of an evanescent field generated and amplified by a photonic nano cavity. Nonetheless, this approach faces two major issues for applications: the trapping section is very small, making the capture of a Brownian motion animated particle very unlikely, and for the “ultimate” nano antennas with nanometric optical modes, their excitation from free space is not effective. The goal of this work is to overcome these two difficulties. To increase the trapping surface, we will first present a device using slow Bloch modes within a double period extended cavity designed in a photonic crystal made out of SOI. We will show that this approach allow for the trapping of 200, 100 and 75 nm particles on an extended surface of 5x5 µm² using a free space laser beam excitation. Secondly, we will investigate the free space excitation of nanometric structures. A photonic crystal – nano antenna mixed structure will be presented, where the photonic crystal is used as a photon pool for the nano antenna. This lead to a funnel effect where the light coming from a large free space laser beam (5µm wide) is focused into the nano antenna. The trapping of 100 nm particles will demonstrate the relevance of this approach

La luminescence se trouve totalement modifiée (inhibée ou exaltée) au voisinage de nanoparticules métalliques. Cette interaction entre luminophores et nanoparticules métalliques met en jeu de nombreux processus et dépend de paramètres dont le rôle est discuté. Dans le cadre de ce travail, nous avons étudié l’influence précise de la taille de nanoparticules d’or et d’argent et de la distance séparant ces nanoparticules des luminophores. Pour atteindre cet objectif, la géométrie des nanoparticules et la distance entre nanoparticules et luminophores ont été maîtrisées à l’échelle nanométrique à l’aide de la lithographie électronique et des techniques de dépôt moléculaire couche par couche. Au voisinage des nanoparticules d’argent, se manifeste une inhibition de luminescence qui tend à disparaître au fur et à mesure que la taille des nanoparticules augmente. S’agissant des nanoparticules d’or, l’inhibition, observée pour des dimensions inférieures à la centaine de nanomètres, cède la place à l’exaltation pour des diamètres supérieurs. En réalité, l’exaltation apparaît uniquement lorsque les positions des résonances plasmons sont décalées vers les grandes longueurs d’onde comparativement à la longueur d’onde d’émission du luminophore. L’exaltation de luminescence semble être corrélée à la désexcitation radiative de l’état plasmon excité par la luminescence des nanocristaux. Ce transfert d’énergie du luminophore vers les nanoparticules métalliques est également mis en évidence en faisant varier la distance entre les deux objets. L’inhibition et l’exaltation diminuent lorsque l’on s’éloigne des nanoparticules et suivent une loi caractéristique d’une interaction dipôle-dipôle
Luminescence can be modified (enhanced or quenched) by metal nanoparticles. The interplay between fluorescent dyes and metal nanoparticles involves numerous processes and depend on numerous parameters. Their influence on luminescence is still debated. In this study, we focus on nanoparticle size and distance between fluorescent species and nanoparticles. For this purpose, gold and silver nanoparticles are elaborated by electron beam lithography which offers the possibility to control the nanoparticle geometry. The distance between fluorescent dyes and metal nanoparticles is controlled by layer by layer deposition. Quenching is observed near silver nanoparticles but this phenomenon decreases when the nanoparticle size increases. Enhancement is observed near gold nanocylinder for the largest size. Enhancement occurs when the localized surface plasmon resonance of the nanoparticle is redshifted compared with fluorescent specie wavelength emission. Enhancement can be related to the excitation of localized surface plasmon resonance by fluorescence. This energy transfert from fluorescent species to metal nanoparticles is observed by increasing the distance between these objects. The enhancement and quenching phenomena decrease with the distance. This enhancement and quenching decrease can be related to a dipole-dipole coupling

La matière extraterrestre dite primitive se caractérise par sa faible évolution chimique depuis sa formation. Elle se retrouve notamment comme un des constituants des fragments de petits corps du système Solaire, tels que les astéroïdes. L'étude d'échantillons en provenance de ces corps peut ainsi permettre de mieux comprendre son origine et son évolution.Dans cette thèse, mon travail s'est orienté autour de l'analyse de la matière primitive et plus particulièrement sur l'étude des chondrites carbonées ayant subi de l'altération aqueuse. La première partie de ma thèse s'oriente sur l'analyse des phases minérales et organiques au sein de chondrites CM de type pétrologique 2 grâce à des techniques de spectroscopie infrarouge et Raman ainsi que de la spectrométrie de masse à ionisation secondaire par temps de vol (TOF-SIMS). Ces techniques bénéficient d'une bonne complémentarité dans la caractérisation des différentes phases qui nous intéressent. Elles sont également couplées à l'imagerie, ce qui permet d'étudier le lien qu'il peut exister entre les différentes phases minérales et organiques. J'ai utilisé un nouveau processus non supervisé d'analyse des données hyperspectrales infrarouge, ce qui a permis de déterminer des paramètres spectraux caractérisant l'état d'avancement de l'altération aqueuse des échantillons, notamment de leur phase minérale, tout en les reliant à leur évolution chimique. La spectroscopie Raman a permis de mettre en évidence des différences de structure de la matière organique poly-aromatique au sein des différents échantillons. Enfin, le TOF-SIMS a également mis en évidence une différence de structure de la matière organique tout en confirmant et précisant les différences de co-localisation entre matière organique et phase minérale observées par l'imagerie hyperspectrale entre les échantillons.La seconde partie de ma thèse s'est orientée sur l'étude d'efficacité d'un nouvel accélérateur linéaire - Andromede (IJCLab) - comme source primaire pour le TOF-SIMS sur des analogues à la matière primitive des chondrites. J'ai produit ces analogues organiques en laboratoire afin de simuler la matière organique insoluble, la part majoritaire de la matière organique des chondrites. J'ai contrôlé les caractéristiques de ces analogues par des spectroscopies infrarouges, à rayon X et par TOF-SIMS. Ils demeurent différents de la matière organique des CM en termes de structure poly-aromatique, mais similaires en termes de composition élémentaire et caractère insoluble. J'ai produit des analogues minéraux à partir de roches terrestres similaires aux minéraux rencontrés dans les CM. Les mesures que j'ai réalisées sur ces analogues et sur des chondrites montrent à la fois le potentiel et les limites actuelles du TOF-SIMS couplé à Andromède, et suggèrent des pistes d'amélioration en vue d'en augmenter, notamment, la résolution en masse
So-called primitive extraterrestrial matter is characterized by its low chemical evolution since its formation. It is found in particular as one of the constituents of the fragments of small bodies of the Solar system, such as asteroids. The study of samples from these bodies can thus make it possible to better understand its origin and its evolution.In this thesis, my work focused on the analysis of primitive matter and more particularly on the study of carbonaceous chondrites having undergone aqueous alteration. The first part of my thesis focuses on the analysis of mineral and organic phases within petrological type 2 CM chondrites using infrared and Raman spectroscopy techniques as well as time-of-flight secondary ionization mass spectrometry. (TOF-SIMS). These techniques benefit from a good complementarity in the characterization of the different phases that interest us. They are also coupled with imagery, which makes it possible to study the link that may exist between the different mineral and organic phases. I used a new unsupervised process for analyzing infrared hyperspectral data, which made it possible to determine spectral parameters characterizing the state of progress of the aqueous alteration of the samples, in particular of their mineral phase, while relating to their chemical evolution. Raman spectroscopy made it possible to highlight differences in the structure of the polyaromatic organic matter within the different samples. Finally, the TOF-SIMS also highlighted a difference in the structure of the organic matter while confirming and clarifying the differences in co-localization between organic matter and mineral phase observed by hyperspectral imaging between the samples.The second part of my thesis focused on the study of the effectiveness of a new linear accelerator - Andromeda (IJCLab) - as a primary source for TOF-SIMS on analogues of primitive chondrite matter. I produced these organic analogues in the laboratory to simulate insoluble organic matter, the majority of organic matter in chondrites. I checked the characteristics of these analogues by infrared spectroscopy, X-ray spectroscopy and TOF-SIMS. They remain different from CM organic matter in terms of poly-aromatic structure, but similar in terms of elemental composition and insoluble character. I have produced mineral analogues from earth rocks similar to minerals found in CM chondrite. The measurements that I carried out on these analogues and on chondrites show both the potential and the current limits of TOF-SIMS coupled to Andromede, and suggest areas for improvement with a view to increasing, in particular, the masse resolution

Le phénomène d'émission électronique est étudié dans de nombreux domaines fondamentaux de la physique et pose le principe de fonctionnement d'un grand nombre de dispositifs tels que les écrans à émission de champ, les propulseurs Hall, etc. Il est mieux compris pour les métaux. Cependant pour les matériaux isolants, il constitue un phénomène critique limitant la fiabilité des composants dans les applications spatiales où les phénomènes de décharge et de claquage sont entièrement contrôlés par l'émission électronique. Selon l'énergie des électrons incidents et les propriétés des diélectriques, les électrons peuvent être piégés au sein du matériau, et/ou être à l'origine de phénomènes d'émission électronique. Ce travail de thèse se situe à l'interface de trois domaines de recherche : le dépôt par plasma de couches minces nanocomposites, le piégeage et le transport de charges électriques dans les diélectriques, et la caractérisation des matériaux sous irradiation en milieu spatial. Il explore l'effet des nanoparticules d'argent (AgNPs) enterrées dans des couches minces de silice, sur les mécanismes physiques (injection, piégeage, transport de charges et émission électronique secondaire) responsables du chargement diélectrique et des émissions d'électrons, afin de moduler ces phénomènes. Les couches minces nanostructurées de silice contenant un plan d'AgNPs ont été élaborées par procédé plasma combinant dans un même réacteur la pulvérisation d'une cible métallique et le dépôt chimique en phase vapeur activé par plasma (PECVD). La caractérisation structurale des échantillons a permis de déterminer la composition chimique de la matrice de silice plasma, la taille, la forme, la densité et la distribution des AgNPs ainsi que l'épaisseur totale de la structure. Ces analyses ont permis de corréler les paramètres structurels avec la réponse des couches diélectriques nanostructurées réalisées sous contrainte électrique et irradiation électronique. Il a été constaté que pour des électrons primaires de faible énergie (< 2keV), le rendement total d'émission d'électrons (TEEY) des couches minces de silice sans AgNPs présente une forme atypique avec un minimum local situé à environ 1 keV. Afin de mieux comprendre ce comportement, un modèle de TEEY a été développé. Il est basé sur le modèle de Dionne, et adapté aux diélectriques. Il considère le champ électrique interne résultant de l'accumulation de charges électriques dans la couche diélectrique. [...]
Electron emission phenomenon is intensively studied in many fundamental areas in physics and lays down the principle of operation of a large number of devices such as field emission display devices, Hall thrusters, etc. It is better described for metals. However, when originating from insulating materials it becomes a critical phenomenon involved in reliability issues of components in space applications where surface flashover phenomena and vacuum breakdown are entirely controlled by the electron emission from solids. Depending on the energy of impinging electrons and the dielectric properties, the electrons can be trapped within the dielectric bulk, and/or be responsible of electron emission phenomena. This PhD work, carried out at the interface of three research domains: plasma deposition of thin nanocomposite layers, dielectric charging and charge transport in thin dielectrics, and characterization of materials under irradiation in space environment, aims to explore the effect of metal inclusions (silver nanoparticles, AgNPs), embedded in thin dielectric silica layers, on the physical mechanisms (charge injection, trapping, transport and secondary electron emission from the surface) responsible of the dielectric charging and electron emission from dielectrics, in order to modulate them. Nanostructured thin dielectric silica layers containing a single plan of AgNPs have been elaborated by plasma process successfully combining in the same reactor sputtering of a metallic target and plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). Structural characterization of the resulting samples has been performed to determine the chemical composition of the plasma silica matrix as well as to obtain the AgNPs size, shape, density and distribution and the total thickness of the structure. These analyses allowed correlation of the structural parameters with the response of the obtained nanostructured dielectric layers under electrical stress and electronic irradiation. It was found that for low energy of the incident electrons (< 2keV) the total electron emission yield (TEEY) from thin silica layers without AgNPs presents an atypical shape with local minimum situated at around 1keV. To get closer to the description of this behavior a model for the TEEY was developed. It is based on Dionne's model, but adapted to dielectrics. It considers the internal electric field resulting from dielectric charging phenomenon.[...]

L’objectif de cette thèse a été de réaliser et de caractériser des nanocapteurs d’espèces biologiques et chimiques basés sur la résonance de plasmons de surface localisés sur des nanoparticules métalliques. Nous avons utilisé la technique de lithographie électronique pour fabriquer ces nanocapteurs (nanoparticules métalliques). Cette technique permet de contrôler parfaitement la résonance plasmon de nanoparticules métalliques en jouant sur différents paramètres comme la taille, la forme et la distance entre nanoparticules. Le principe de la détection de molécules biologiques et chimiques repose sur le décalage de la résonance plasmon après adsorption de ces molécules. Pour caractériser ce décalage spectral de la résonance plasmon, nous avons utilisé la spectroscopie d’extinction. De plus, nous avons également utilisé un microscope en champ proche optique (SNOM) pour observer la détection de molécules sur une nanoparticule métallique individuelle. Cette observation est basée sur la diminution du contraste optique obtenue sur des images optiques SNOM après chaque adsorption des molécules. Nous avons obtenu des résultats intéressants en termes de sensibilité et de sélectivité sur une zone sondée de 30x30um² et également sur une nanoparticule isolée
The objective of this Ph-D thesis was to carry out and characterize biochemical nanosensors based on localized surface plasmon resonance on metallic nanoparticles. We used the Electron beam lithography to realize these nanosensors (metallic nanoparticles). This technique enables to control perfectly Plasmon resonance of metallic nanoparticles while exploiting various parameters as the size, the shape and the distance between nanoparticles. The principle of the detection of biological and chemical molecules rests on the shift of plasmon resonance after adsorption of these molecules. To characterize this localized surface Plasmon resonance shift, we used the extinction spectroscopy. Moreover, we also used a scanning near-field optical microscope (SNOM) to observe the detection of molecules on an individual metallic nanoparticule. This observation is based on the reduction in optical contrast obtained on SNOM images after each adsorption of molecules. We obtained interesting results in term of sensitivity and selectivity on a probed zone of 30x30um² and also on an isolated nanoparticule

Les expériences menées en spectroscopie Raman en champ proche optique restent rares du fait de la faiblesse intrinsèque du processus de diffusion Raman. Une partie de cette thèse s’est donc orientée vers l’étude de l’effet Raman exaltée de surface (SERS), technique permettant de détecter de très faibles concentrations de molécules adsorbées à la surface de substrats métalliques rugueux, pour, à terme, enregistrer des spectres Raman en champ proche. Nous avons, dans un premier temps, en utilisant des réseaux de nanoparticules métalliques réalisés par lithographie électronique, étudié différents paramètres (forme, taille, arrangement) permettant d’accorder la résonance plasmon de surface localisé. Nous nous sommes alors intéressés à la relation entre la position de cette résonance et l’intensité du signal SERS. Nous avons observé que l’obtention de la meilleure exaltation dépend non seulement de la position spectrale de la résonnance plasmon, mais également de la géométrie des structures métalliques sur lesquelles sont localisées ces résonances. Parallèlement nous avons développé un microscope en champ proche optique à sonde sans ouverture associé à un éclairage par un continuum de lumière blanche, obtenu en couplant une fibre à cristaux photoniques à un laser pulsé Ti:Sa. Ce dispositif a permis d’étudier la réponse optique de réseaux de particules métalliques, à différentes longueurs d’ondes d’excitation. Nous avons ensuite mis en œuvre un système de comptage de photons pour enregistrer, directement, des spectres « d’extinction » en champ proche
The intrinsic weakness of the Raman process makes its application in a near field optical experiment rather difficult. Thus, as a first step towards near field Raman spectroscopy, we studied Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS), a technique that enables the detection of very low concentration of molecules adsorbed on rough metallic surfaces. For the purpose of the near field experiments, these SERS-active samples have to be reproducible and yield good enhancement factors. By designing metallic nanoparticle grating through electron beam lithography, we manage to vary the shape, size and arrangement of the particles, hence enabling a fine tuning of the Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR) over the whole visible spectrum. We then investigate the relationship between the spectral position of the LSPR and the SERS intensity. The enhancement factor turned out to depend not only on the spectral position of the LSPR, but also on the shape of the metallic nanoparticles on which the surface plasmon is localized. In the same time, we build up an Apertureless Scanning Near Field Optical Microscope (ASNPM) set-up. The microscope is based on an atomic force microscope and a confocal detection coupled to a spectrometer. The near field/far field discrimination is achieved through the use of a lock-in detection of a photon counting device. Using this set-up along with a white light continuum, generated by coupling a Photonic Crystal Fiber to a Ti:Sa laser, made it possible to investigate the near field optical response of metallic nanoparticle gratings at different excitation wavelengths. A photon counting scheme was then used to directly record near field “extinction” spectra

Environ 50% des patients recevant un traitement contre le cancer bénéficient de la radiothérapie. La radiothérapie conventionnelle consiste à utiliser des rayons X de haute énergie capables de traverser les tissus et de traiter des tumeurs situées en profondeur de façon non-invasive. Malheureusement, les rayons X ne font pas la distinction entre les tumeurs et les tissus sains, qui peuvent donc être endommagés. Cette non-sélectivité est à l’origine de graves effets secondaires, voire du développement de cancers secondaires. Par conséquent, l’amplification des effets radiatifs au sein de la tumeur par rapport aux tissus environnants représente un défi majeur.L’hadronthérapie (traitement par faisceaux de protons ou d’ions carbone) est considérée comme l’une des techniques les plus prometteuses car, contrairement aux rayons X, la quantité d’énergie déposée atteint son maximum en fin de trajectoire. Lorsque le faisceau est réglé de manière à ce que ce maximum atteigne la tumeur, aucun dommage n’est causé aux tissus situés au-delà. Un autre avantage majeur est que les ions lourds sont plus efficaces pour traiter les tumeurs radiorésistantes. L’utilisation de cette technique est cependant restreinte du fait des dommages – plus faibles mais néanmoins significatifs – causés aux tissus normaux situés sur la trajectoire du faisceau d’ions en amont de la tumeur. Afin d’améliorer les performances de l’hadronthérapie, l’équipe a développé à l’ISMO une nouvelle stratégie combinant l’utilisation de nanoparticules (NPs) métalliques avec l’irradiation par faisceaux d’ions. L’utilisation de NPs a pour but non seulement d’amplifier les effets des rayonnements dans la tumeur mais également d’améliorer l'imagerie médicale à l’aide des mêmes agents (théranostic). Les NPs possèdent une chimie de surface permettant leur fonctionnalisation avec des ligands capable d’améliorer la biocompatibilité, la stabilité ainsi que la circulation sanguine et l’accumulation dans la tumeur. L’équipe a déjà démontré que les petites NPs d’or et de platine (≈ 3 nm) avaient la capacité d’amplifier les effets causés par les faisceaux d’ions carbone médicaux en présence d’oxygène. Cependant, les tumeurs radiorésistantes sont susceptibles de contenir des régions hypoxiques. Il est donc urgent de quantifier et de caractériser l’influence de l’oxygène sur l’effet radio-amplificateur. Le but de ma thèse était d’étudier l’influence de l’oxygène lors d’irradiations par des faisceaux d’ions médicaux en présence de NPs d’or et de platine. Pour cela, deux lignes de cellules cancéreuses humaines radiorésistantes ont été testées: HeLa (col de l’utérus) et BxPC-3 (pancréas). Plusieurs techniques d’irradiation ont été utilisées : des faisceaux d’ions carbone et hélium générés par « passive scattering » et des faisceaux d’ions carbone générés par « pencil beam scanning ». Les principaux résultats de cette étude sont les suivants. En condition oxique (concentration d’O₂ = 20%), une amplification des effets radiatifs a été observée pour les deux types de NPs (à concentration de métal égale). Ce phénomène se réduit à mesure que la concentration d’oxygène diminue mais reste significatif jusqu’à 0.5%. Aucune différence significative n’a été observée entre les deux lignes cellulaires. Il est intéressant de noter que la dépendance à l’oxygène varie en fonction de la technique d’irradiation utilisée. Une tentative d’explication de l’influence de l’oxygène par des processus moléculaires est proposée. Des perspectives de développements ultérieurs sont suggérées
About 50% of the cancer patients who are treated benefit from radiation therapy. Conventional radiotherapy consists of high energy X-rays traveling through the tissues, so that deeply sited tumors are treated in a non-invasive way. Unfortunately, X-rays are not tumor selective and healthy tissues may be damaged. This lack of selectivity is responsible for severe side effects and/or secondary cancers. Hence, improving the differential of radiation effects between the tumor and surrounding tissues remains a major challenge. Particle therapy (treatment by protons or carbon ion beams) is considered as one of the most promising technique because, by opposition to X-rays, the energy deposition of ions is maximum at the end of their tracks. When the beam is tuned so that the maximum reaches the tumor, there is no damage induced in tissues siting after the tumor. Another important added value is that heavy ions are more efficient to treat radioresistant tumors. The use of this modality is however restricted by the low but significant damage that is induced to normal tissues located at the entrance of the track prior to reaching the tumor. To improve the performance of particle therapy, a new strategy based on the combination of high-Z nanoparticles with ion beam radiation has been developed by the group at ISMO. This approach aims at using nano-agents not only to increase radiation effects in the tumor but also to improve medical imaging with the same agent (theranostic). Nanoparticles present a remarkable surface chemistry, which allows functionalization with ligands able to improve biocompatibility, stability as well as blood circulation and accumulation in tumors. The group already demonstrated the efficiency of small (≈ 3 nm) gold and platinum nanoparticles to amplify the effects of medical carbon ions in normoxic conditions (in the presence of oxygen). However, radioresistant tumors may host hypoxic regions. It is thus urgent to quantify and characterize the influence of oxygen on the radio-enhancement effect. The goal of my thesis was to study the influence of oxygen on medical ion radiation effects in the presence of gold and platinum nanoparticles. This was performed using two radioresistant human cancer cell lines: HeLa (uterine cervix) and BxPC-3 (pancreas). Different radiation modalities were used: carbon and helium ion beams delivered by a passive scattering delivery system and carbon ion beams delivered by a pencil beam scanning system. The major results of this work are the following. In oxic conditions (O₂ concentration = 20%), an enhancement of ion radiation effects was observed for the two nanoparticles (at the same concentration in metal). This effect decreased with the oxygen concentration but remained significant for a concentration of 0.5%. No significant difference was found between the cell lines. Interestingly, the oxygen-dependence varied with the type of radiation. An attempt to explain the effect of oxygen by molecular processes is proposed. Perspectives of further developments are suggested

Nous avons fabriqué des nanoparticules métalliques de symétrie C3v d’une taille caractéristique de 160 nm. Bien qu’exclusivement en or, leur forme non centrosymétrique permet la génération de seconde harmonique. Leur taille a été déterminée pour profiter de la résonance plasmon et, simultanément, d’optimiser leur réponse non linéaire. Des nano-étoiles avec cette symétrie ont été fabriquées par lithographie à faisceau d’électrons. La distance entre deux nano-étoiles est suffisamment grande pour collecter l’émission SHG de particule individuelle. Les χ(2) effectifs de nano-étoiles (44 pm/V hors résonance, 580 pm/V à résonance), de triangles (33 pm/V hors résonance, 370 pm/V à résonance) ainsi que de cylindres (7 pm/V hors résonance, 25 pm/V à résonance) montrent le rôle important de la forme du contour de la nanoparticule dans l'efficacité de SHG. Une analyse en polarisation a permis de caractériser précisément la réponse SHG. Plusieurs modèles dans lesquels des dipôles non linéaires sont situés à l’extrémité de chaque branche d’étoile ont été développés. La symétrie (exacte ou approchée) y est incluse, ainsi que l’incidence de la taille de l’étoile. Ces modèles sont en très bon accord avec les résultats expérimentaux. L’efficacité de la SHG en fonction de la longueur d’onde a été étudiée
We made metallic nanoparticles with C3v symmetry properties of 160 nm typical size. Although they are made only with gold, their non centrosymmetrical shape permit second harmonic generation. Their size has been optimized for plasmon resonance and non linear response. Gold nanostars have been made by electron beam lithography. The inter-distance is sufficiently large to allow collecting the SHG emission of individual particle. The effective χ(2) values of nanostars (44 pm/V off-resonance second order susceptibility, 480 pm/V at resonance), triangles (33 pm/V offresonance, 370 pm/V) and cylinders (7 pm/V off-resonance, 25 pm/V at resonance) point out the leading role of contour shape for significant efficiencies. The SHG response has been precisely assessed with a polarization analysis. We developed several models for the SHG response in which the nonlinear induced dipoles sources are located at the tip of star arms. The (exact or approximative) symmetry and the size of the star were taken into account. Our models show a very good agreement with experimental results. Efficiency of SHG has been measured according to pump wavelength

Les infections bactériennes lorsqu’elles se développent à partir d’implants sont très difficiles à traiter, l’issue courante étant un retrait pur et simple de l’implant incriminé. Dans ce cadre, les revêtements des biomatériaux ont un rôle important à jouer pour, d’une part, prévenir l’adhésion bactérienne et d’autre part, éliminer les bactéries présentes. Ces revêtements antibactériens doivent par ailleurs permettre une intégration tissulaire des biomatériaux aux cellules rencontrées sur le site de l’implantation. Dans ce travail une nouvelle famille de revêtements antibactériens a été développée. Ils contiennent et libèrent de manière contrôlée un agent bioactif. Ils sont constitués de multicouches de polymère plasma d'anhydride maléique déposées à la surface de fibres de polypropylène tressées et constituant le matériau à implanter. Entre chaque dépôt de polymère plasma (agissant comme couche barrière), des nanoparticules d'argent sont piégées formant ainsi des réservoirs d’agent antibactérien. En raison des différences de propriétés mécaniques entre les films minces plasma et le substrat massique élastique (i.e. tissu de fibre de polypropylène), la résistance à la traction génère des fissures dans les couches polymère plasma, qui sont utilisées comme canaux de diffusion pour les substances bioactives (dans notre cas les ions argent). Avant étirement, la libération spontanée des ions argent par simple diffusion aux travers des couches barrières peut être contrôlée en jouant sur le taux de réticulation des couches plasma. Au cours de l'étirement, le contrôle réversible de l'ouverture des fissures permet une libération maîtrisée des ions argent. Dans le domaine des textiles et d'autres biomatériaux souples, cette stratégie est prometteuse en raison des contraintes mécaniques qui se produisent naturellement sur le site de l'implantation.L'impact de différents types de procédures de stérilisation couramment utilisés (autoclave et irradiation par faisceau d’électrons) sur les propriétés du matériau développé a également été étudié. En particulier, l’incidence sur la chimie de surface, la dispersion des nanoparticules d'argent et la formation de fissures sous étirement a été regardée. La méthode de stérilisation par faisceau d’électrons permet de conserver les propriétés finales recherchées. Enfin, les propriétés antibactériennes du nouveau matériau ont été étudiées. L'effet du relargage des ions argent sur des bactéries Escherichia coli planctoniques, l'adhésion bactérienne et la formation de biofilm sur le système étiré et non-étiré a été évalué. L’intégrité membranaire des bactéries adhérées et des bactéries dans les biofilms a été suivie au cours de l'étude comme indicateur de l’état physiologique des bactéries. Les résultats ont suggéré que la sensibilité des bactéries aux concentrations faibles d'ions d'argent libérés aboutit à la formation de différents types de structures de biofilms sur les matériaux étudiés. L’ensemble des résultats obtenus donne une base solide pour le développement de matériaux intelligents capables de contrôler la libération du principe actif sur le site de l'infection. Nos résultats montrent qu’une faible dose d’argent peut suffire à contrôler l’infection en agissant sur la structure des biofilms formés
Despite strict operative procedures to minimize microbial contaminations, bacterial infection of implants significantly raises postoperative complications of surgical procedures. One of the promising approaches is to adjust and control antimicrobial properties of the implant surface. New types of antibacterial coatings prepared via plasma polymer functionalization step have been developed. These coatings contain and release in a control way a bioactive agent. Controlled release was achieved by the fabrication of plasma polymer multilayer systems, which consist of two layers of Maleic Anhydride Plasma Polymer deposited on the surface of Polypropylene made surgical mesh. In between plasma polymer layers, silver nanoparticles are trapped as an antibacterial agent reservoir. Owing to differences between mechanical properties of the plasma-polymer thin films and the elastic bulk substrates, tensile strengths generate cracks within the plasma polymer, which might be used as diffusive channels for bioactive substances, here silver ions. The cracks can be controlled mechanically in a reversible way. The tailoring of the spontaneous release of bioactive agent is achieved by the modification of the second plasma polymer deposition conditions. In addition, during mechanical stimulation of the designed material, control over silver ion release is achieved through an elongation-dependent releasing process allowed by the reversible control of the cracks. In the field of textiles and other soft biomaterials, this strategy is promising due to the mechanical stresses that naturally occur at the implant location. In regard of possible application of the developed system as a future biomaterial, the impact of different types of commonly used sterilization procedures on the properties of developed material was studied. The effects of autoclaving and electron beam sterilization methods on the surface chemistry, the dispersion of embedded silver nanoparticles in the plasma polymer and the cracks formation of the developed material was verified. Results showed the compatibility of the developed system with electron beam sterilization method. The antibacterial properties of the new material have been evaluated. The effect of developed system on planktonic bacteria, bacterial adhesion and biofilm formation on stretched and unstretched system was studied. The membrane integrity of the adhered bacteria and bacteria in biofilms was followed during the study as an indicator of the physiologic state of bacteria. Results suggested that the sensitivity of bacteria to low concentrations of released silver ions resulted in the formation of different types of structures of the biofilms on the studied materials. The results give a strong base on the future of intelligent, silver containing materials that control the release at the site of infection. Our results show that low doses of silver may be sufficient to control infection by acting on the structure of bacterial biofilms

Les aciers appelés ODS (pour Oxide Dispersion Strengthened), renforcés par une dispersion homogène de nano-oxydes, sont des matériaux de structure avancés pour les futurs réacteurs nucléaires de fusion et de fission. En effet ces nano-oxydes, à base d’Y et Ti, servent comme centres de recombinaison de défauts ponctuels et d'obstacles aux mouvements des dislocations, améliorant de ce fait leur résistance aux radiations et aux températures élevées. La fabrication conventionnelle des aciers ODS est réalisée par broyage mécanique suivi de traitements thermo-mécaniques, et ne permet pas facilement de comprendre les mécanismes physiques conduisant à la précipitation des nano-oxydes, ce qui serait potentiellement utile pour optimiser leur production. La cinétique de formation de ces nano-oxydes peut être étudiée en utilisant une technique alternative, à savoir la synthèse par faisceaux d’ions, qui présente de nombreux avantages, notamment le contrôle précis des paramètres expérimentaux et la possibilité de décorréler divers facteurs contribuant à la cinétique de précipitation. Au cours de cette thèse, cette technique a été utilisée pour étudier la coprécipitation d'ions métalliques (Y et/ou Ti) et d'oxygène implantés dans un alliage modèle Fe-Cr de composition proche de celle typique des aciers ODS commerciaux. Des ions de Y, Ti et O à basse énergie ont été implantés dans des échantillons d'alliage Fe10wt%Cr de haute pureté à température ambiante. Les échantillons implantés ont ensuite été recuits à diverses températures entre 600 à 1100°C pour favoriser la précipitation de nano-oxydes, conformément au principe de cette technique. La microscopie électronique à transmission a été utilisée pour caractériser la structure cristallographique et la composition chimique des nano-oxydes formés lors de trois séries d'expériences. Tout d'abord, l'implantation séquentielle d'ions Ti et O a été mise en œuvre. Un recuit ultérieur a révélé qu’il n’y avait pas de précipitation d'oxyde de titane jusqu’à des températures inférieures à 1000°C, mais la présence de nano-oxydes riches en chrome avec une structure hexagonale de type corundum, qui contiennent une certaine quantité de Ti à des températures suffisamment élevées. Ce n’est qu’après le recuit à 1100°C que des nano-oxydes d’un autre type à cœur enrichi en Ti et coquille enrichie en Cr ont également été observés. Deuxièmement, l'implantation séquentielle d’ions Y et O a entraîné la formation à 800°C de nano-oxydes probablement riches en yttrium. Le recuit à 1100°C a favorisé la croissance des particules identifiées comme étant des nano-oxydes d’yttrium avec une coquille enrichie en Cr. Enfin, une implantation ionique séquentielle de deux ions métalliques (Y et Ti) a été réalisée, suivie d'une implantation d’O. L'ordre d'implantation des ions métalliques s'est révélé crucial pour la précipitation de nano-oxydes lors du recuit ultérieur. Lors de la séquence avec une implantation de Ti en premier, une précipitation d'oxyde riche en chrome de structure corundum hexagonale a été observée, très similaire au cas de l'implantation d’ions Ti et O. En revanche, la séquence avec une implantation d’ions Y en premier a produit des nano-oxydes d'yttrium-titane qui possèdent une structure non identifiable. En résumé, l’étude a démontré la faisabilité de la formation de nano-oxydes de Y, Ti et (Y, Ti) par implantation ionique. La thèse présente la caractérisation détaillée de ces nano-oxydes, ainsi que certaines de leurs caractéristiques spécifiques, telles que la présence de relations d'orientation entre les nano-oxydes et la matrice FeCr, qui ont été observées même dans le cas de nano-oxydes de type corundum riches en Cr. Enfin, les résultats obtenus, combinées avec les données de la littérature, sont discutées pour une meilleure compréhension des mécanismes impliqués dans la formation des nano-oxydes dans les aciers ODS
Oxide Dispersion Strengthened (ODS) steels, that is steels reinforced with a homogeneous distribution of (Y,Ti) oxide nano-particles, are advanced structural materials for nuclear applications. The oxide particles serve as point defect recombination centres and obstacles to dislocation motion thereby improving radiation resistance and high-temperature strength of these steels making them perfect candidate materials for future fusion and fission nuclear reactors. The conventional fabrication of ODS steels is achieved by mechanical alloying followed by thermomechanical heat treatments. This way of ODS steel production seems complicated to understand the physical mechanisms leading to the precipitation of nano-oxide particles. The kinetics of nanoparticle formation can be much better studied using an alternative technique of nanoparticle growth, namely Ion Beam Synthesis (IBS). This approach has many advantages including the precise control of experimental parameters and the ability to de-correlate various factors contributing to precipitation kinetics. A better knowledge gained in this way would be potentially helpful for optimization of ODS steel production routines. In the course of this PhD study, the IBS approach was applied to investigate the co-precipitation of metal (Y and/or Ti) and oxygen ions implanted into a model Fe-Cr alloy with the composition close to those typical for commercial ODS steels. Following the standard IBS schedule, consisting of ion implantation followed by high-temperature heat treatment, ions of Y, Ti and O at low energies were implanted into high-purity Fe10wt%Cr alloy samples at room temperature. The implanted samples were then annealed at various temperatures ranging from 600 to 1100°C to promote the precipitation of nano-oxide particles. A range of Transmission Electron Microscopy techniques were used to characterize the crystallographic structure and chemical composition of the nanoparticles. The study has been performed following three sets of experiments. First of all, the sequential implantation of Ti and O ions was implemented. Subsequent annealing at temperatures below 1000°C revealed that precipitation of titanium oxide was suppressed. Instead, chromium-rich nano-oxide particles with corundum hexagonal structure were found to precipitate. At sufficiently high temperatures these corundum particles were found to contain certain amount of Ti. Only after annealing at the highest temperature of 1100°C, particles of another type with Ti enriched core and Cr enriched shell were additionally fixed. Secondly, sequential Y and O ion implantation resulted in the formation of probable yttrium-rich oxides at 800°C. Annealing at 1100°C promoted their growth to larger sized yttria (Y₂O₃) particles with a Cr enriched shell. Finally, sequential ion implantation of both metal ions (Y and Ti) was performed, followed by O implantation. The order of metal ion implantation has been found to be crucial for subsequent oxide precipitation at the annealing stage. With the Ti implantation first in the sequence, the precipitation of corundum hexagonal chromium-rich oxide was observed, very similar to the case of Ti and O implantation. In contrast, implantation starting with Y produced yttrium-titanium oxide particles with unidentifiable structure. Summing up, the study has demonstrated the feasibility of the formation of Y, Ti and (Y,Ti) oxides by ion implantation. The thesis presents the detailed characterization of the nanoparticles, as well as the discovered specific features of precipitated particles, such as the presence of orientation relationships between the particles and the FeCr matrix, which was observed even for the case of Cr-rich corundum particles. Finally, the implications of the obtained results, in conjunction with the already known data from the existing literature, for the better understanding of the mechanisms involved in the formation of nano-oxide particles in ODS steels are discussed

Cette thèse présente la réalisation d’un piège optique dans une configuration originale, le piston optique, où le contrôle sur la phase de l’interférence d’un faisceau incident avec sa réflexion sur un miroir permet de réaliser différents types d’expériences. Nous avons d’abord étudié les propriétés thermodynamiques d’une compression progressive du piston qui fait passer la dynamique de la particule piégée d’une région de stabilité vers une région de bistabilité mécanique. Dans le contexte de la résonance stochastique où une force extérieure périodique est appliquée sur cette dynamique bistable, une approche exploitant le facteur de Mandel ainsi qu’une analyse des délais entre les transitions d’états métastables se révèle efficace pour interpréter nos mesures dans différents régimes de forçage. Nous montrons également comment des nanoparticules métalliques peuvent être piégées aisément dans un tel piston optique et nous exploitons notre configuration pour mesurer de faibles effets de forces optiques. Enfin, nous piégeons des nano-objets chiraux uniques et nous montrons comment la configuration de notre piston permet de réaliser des expériences de reconnaissance chirale par polarimétrie différentielle
This thesis describes the experimental realization of an original optical trap, the optical piston, where controlling the phase of the interference of an incident beam with its reflection on a mirror allows achieving various experiments. We have first looked into the thermodynamics associated with a progressive compression of the piston leading the dynamics of a trapped particle from a region of stability to a region of mechanical bistability. In the context of stochastic resonance where a periodic external force is applied on this bistable dynamics, an approach exploiting the Mandel factor and a time-delay analysis on the hopping events between metastable states have proven efficient in interpreting the different results acquired in different regimes of drive. We have also shown how metallic nanoparticles can be trapped fairly easily in this kind of optical piston and we exploit our configuration to measure weak optical forces. Finally, we trap unique chiral nano-objects and we show how the configuration of our piston allows the realization of chiral recognition experiments by differential polarimetry

Afin de développer des capteurs ultrasensibles des substrats fiables pour la diffusion Raman exaltée de surface (SERS) ont été fabriqués. Les deux meilleurs candidats de matériaux constituant les nanoparticules pour des substrats SERS sont l’argent et l’or. L’argent présente un meilleur facteur d’exaltation de l'intensité Raman et l’or est stable dans les milieux biologiques. C’est pourquoi la combinaison de ces deux métaux dans des nanostructures bimétalliques semble être une approche prometteuse qui combine les propriétés de surface de l’or et d’exaltation de l’argent. Le recuit thermique des couches métalliques minces est utilisé comme une technique simple et peu coûteuse. Cette dernière permet d’élaborer des substrats homogènes et reproductibles de nanoparticules bimétalliques or-argent ayant un facteur d’exaltation importante. Ces nanoparticules gardent leurs propriétés d’exaltation même après une année de fabrication. En jouant sur la composition de nanoparticules bimétalliques il est possible d’avoir une résonance de plasmons de surface localisés (LSPR) sur tout le spectre visible. Ces substrats sont caractérisés par une exaltation SERS supérieure lorsque la résonance plasmon est plus proche de la longueur d'onde d'excitation Raman. En outre, les nanoparticules bimétalliques de différentes tailles, compositions ont été réalisés par lithographie électronique. L’étude systématique de leurs propriétés plasmoniques et de leur exaltation SERS a révélé une conservation du lien entre résonance plasmon et signal SERS
Driven by the interest in finding ultrasensitive sensors devices, reliable surface enhanced Raman scattering (SERS) based substrates are fabricated. Silver and gold nanoparticles are two of the best candidates for SERS substrates where Ag nanoparticles exhibit large enhancing ability in Raman intensity while Au nanostructures are stable in biological systems. Hence, combining the two metals in bimetallic nanostructures appeared to be a promising approach in order to sum the merits of Au surface properties and Ag enhancing ability. Thermal annealing of thin metallic films is used as a simple and relatively inexpensive technique to elaborate homogenous and reproducible Ag/Au bimetallic nanoparticles SERS substrates with high enhancing ability. The fabricated nanoparticles proved their enhancing stability even after one year of fabrication. Manipulating the composition of Ag/Au bimetallic NPs resulted in tuning the Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR) over the whole visible spectrum, where the substrates are characterized with higher SERS enhancement when they exhibit LSPR closer to the Raman excitation wavelength. Additionally, bimetallic nanoparticles patterns with different size, composition and lattice constants have been conducted by electron beam lithography. The systematic study of their interesting plasmonic and SERS enhancing properties revealed maintenance in the LSPR-SERS relation by changing the nanoparticle size

Une combinaison entre l’assemblage de monocouches au sommet de nano-cristaux d’or et la microscopie à sonde locale permet d’explorer l’interaction entre les molécules actives et son milieu, mais aussi démontrer expérimentalement une diode moléculaire peut travailler à haute fréquence. La fabrication des nanocristaux d’or par lithographie électronique rapide nous a permis leur caractérisation par des techniques nécessitant des surfaces millimétrique, mais également par des techniques en champ proche. La détection electrochimique d’un petit nombre de molécules par nanocrystal prévoit d’intéressantes recherches futures sur l’attache et la détection de molécules uniques sur la nano-particule d’or. D’un côté, cette étude confirme une théorie récente: les effets coopératifs entre les molécules ont un effet d’asymétrie sur « la courbe d’histogramme de conductance ». D’un autre côté, des théories d’électrochimie ont été utilisées pour investiguer les effets d’interaction entre molécules avec groupe redox et l’écart-type de l’énergie moléculaire. Cette étude nous a permis d’extraire des gammes d’énergie de couplage entre molécules, un premier pas vers une estimation quantitative expérimentale de ce paramètre clé pour les applications en électronique organique. A l’aide d’un AFM couplé à un système de mesure en hyperfréquences, nous mesurons les propriétés électroniques à l’échelle nanométrique. Nous prouvons une diode moléculaire à 18 GHz avec un ratio de redressement de 12 dB (facteur 4) à cette fréquence. Des petites capacitances, dans la gamme de l’aF ont en particulier permis d’observer ce comportement à hautes fréquences
An attractive combination of self-assembled monolayers on top of “Au” single crystal Nanoparticles (AuNp) and Scanning Probe Microscopies permits to explore the interaction between active molecules in the junction, as well as with the media. At the same time, we demonstrate the experimental proof of a molecular rectifying diode working at gigahertz frequency. Device fabrication by fast e-beam lithography allows their characterization by techniques that may need millimeter scale surfaces as well as by near field Scanning Probe Microscopies. Detection of a little number of molecules per AuNP promises interesting future research in the challenge of grafting and detecting single molecules per nanoparticle. On the one hand, this investigation confirms a recent theoretical prediction that cooperative effects between molecules may have an effect on the asymmetry of the conductance histogram line shape. On the other hand, established electrochemical theories are exploited to investigate similar factors such as interaction between redox molecules and the modification of the energy level of molecular orbitals. This study permits extracting a range of coupling energies between molecules that may be a first step towards the quantitative experimental estimation of this key parameter in molecular electronics. Thanks to an AFM connected to Network analyzer, we characterize a molecular diode operating at high frequency to 18 GHz with a rectification ratio of 12 dB (factor 4) at this frequency. Small capacitances in the order of few aF permit to see this behavior at high frequencies

Les particules de suies émissent lors de la combustion incomplète de carburants fossiles et biosourcés sont reconnues comme étant un problème environnemental et sanitaire majeur. Il est essentiel d'acquérir une compréhension fondamentale de leur formation, dont l'étape de nucléation donnant naissance aux premières particules de suie, les nucléis, afin de développer des modèles capable de prédire leur formation et d'aider à la conception de dispositifs de combustion plus efficaces et plus propres. Ce travail démontre en combinant différentes techniques expérimentales: incandescence induite par laser (LII), granulométres SMPS et de microscopie à faisceau d'ions d’hélium (HIM) que ces nucléis ont une taille comprise entre 2 et 4 nm et sont capable d’émettre un rayonnement de type corps noir. Ces nucléis ont été étudiés dans des flammes prémélangées dites de nucléation dans lesquelles les particules de suie sont formées par nucléation, sans croissance de surface et standard où ces nucléis subissent les processus de croissance. Les résultats obtenus offrent une base de données expérimentale utile à l’amélioration des modèles cinétique de formation des suies notamment sur la phase de nucléation dans diffèrent carburants: n-butane et un mélange de n-butane et n-propylbenzene. Pour chaque carburant une flamme de nucléation et une flamme standard sont étudiées. La base de donnée comprend des profils d’espèces obtenus par chromatographie, profils de température mesurés par fluorescence induite par laser sur NO, les profils de fractions volumique de suies mesurés par LII et calibrés par extinction multi passage et les distributions de taille des particules de suies obtenus par SMPS et HIM
Emission of soot formed from incomplete combustion of fossil fuels, biofuels and biomass is a serious concern due to soot’s harmful impact on human health, environment and its radiative forcing on climate. Gaining fundamental understanding of soot formation, particularly the nucleation step leading to the formation of the nascent soot particles, is critical to develop reliable predictive soot models and to help the design of more efficient and cleaner combustion devices. This work demonstrates that nascent soot particles in the size range of 2-4 nm are able to emit a black body radiation by combined Laser Induced Incandescence (LII), scanning mobility particle sizer (SMPS) and helium-ion microscopy (HIM). These nascent soot particles are investigated in nucleation premixed flames in which soot particles are essentially formed by nucleation, without growth by soot surface processes and in standard sooting premixed flames in which growth processes occur. This work provides an extensive database for improvement of kinetics modelling of sooting flames with a focus on the soot nucleation in flames. Two kinds of fuels have been selected: n-butane and mixture of n-butane and n-propylbenzene. For each fuels two flames have been studied: a nucleation and a standard sooting flames. The database consist of species profiles obtained by online gas chromatography, temperature profiles measured by Laser induced fluorescence thermometry, soot volume fraction profiles obtained by LII calibrated by cavity ring-down extinction and particles size distributions obtained in n-butane flames by SMPS and HIM. From this database effect of equivalence ratio and fuel composition is analyzed

Ce travail de thèse s'inscrit dans les efforts actuellement réalisés, pour améliorer l'efficacité des pinces optiques conventionnelles qui permettent de manipuler sans contact des objets de quelques dizaines de nanomètres à quelques dizaines de micromètres avec une extrême précision et trouvent de nombreuses applications en biophysique et sciences de colloïdes.L'objectif de cette thèse a été d'explorer une nouvelle approche pour la réalisation de Nanopinces Optiques. Elle s'appuie sur l'utilisation de cavités à cristaux photoniques à modes de Bloch lents. Ces cavités peuvent être efficacement et facilement excitées par un faisceau Gaussien à incidence normale. Contrairement aux pinces optiques conventionnelles, des objectifs à faibles ouvertures numériques peuvent être utilisés. Les performances attendues en termes de piégeage vont bien au-delà de limitations imposées par la limite de diffraction pour les pinces conventionnelles. Ce travail démontre expérimentalement l'efficacité de l'approche. Cette thèse comporte deux parties principales. Dans un premier temps, il a fallu monter un banc expérimental pour mener nos études. Nous avons construit un banc optique, interfacé les instruments, et développé des applications logicielles pour analyser les données. Deux éléments importants ont présidé à sa construction : - Le développement d'un système optique permettant d'exciter les nanostructures photoniques - la conception d'un système d'imagerie pour suivre les nanoparticules. La seconde partie de ce travail a porté sur la mise en évidence du piégeage optique à l'aide de nanostructure à base de cristaux photonique. Nous avons d'abord montré que même des cavités possédant des coefficients de qualités modérés (quelques centaines) permettait d'obtenir des pièges optiques dont l'efficacité est d'un ordre de grandeur supérieur à celui de pinces conventionnels. Fort de ce résultat, nous avons exploré un nouveau type de cavité à cristaux photoniques s'appuyant sur une approche originale : des structures bi-périodiques. Nous avons montré qu'à l'aide de cette approche des facteurs de qualités de l'ordre de plusieurs milliers étaient facilement atteignable. A l'aide de ces nouvelles structures, nous sommes arrivés aux résultats le plus important de ce travail : le piégeage de nanoparticules de 250nm de rayon avec une puissance optique incidente de l'ordre du milliwatt. Une analyse fine du mouvement de la nanoparticule, nous a permis de trouver la signature du mode de Bloch lent.

Ce travail a porté sur la caractérisation et la quantification en 3D de la répartition de charges de différents types (nanoparticules, nanotubes, etc.) dans des matrices polymères. Nous nous focalisons sur les techniques de tomographie en microscopie électronique. Une approche multiple en tomographie électronique a été réalisée : la tomographie en FIB/MEB (faisceau d’ions focalisé/microscope électronique à balayage), la tomographie en MEB et la tomographie en MET (microscope électronique en transmission). Les nanocomposites polymère sont généralement élaborés aux fins d’améliorer les propriétés physiques (mécanique, électrique, etc.) du matériau polymère constituant la matrice, grâce à une addition contrôlée de charges nanométriques. La caractérisation de tels matériaux, et l’établissement de corrélations précises entre la microstructure et les propriétés d’usage, requièrent une approche tri-dimensionnelle. En raison de la taille nanométrique des charges, la microscopie électronique est incontournable. Deux systèmes de nanocomposite polymère ont été étudiés par une approche multiple de tomographie électronique : P(BuA-stat-S)/MWNTs (copolymère statistique poly (styrène-co-acrylate de butyl) renforcé par des nanotubes de carbone multi-parois), et P(BuA-stat-MMA)/SiO2 (copolymère statistique poly(butyl acrylate-co-methyl methacrylate) renforcé par des nanoparticules de silice). Par combinaison de divers techniques, la caractérisation et la quantification des nanocharges ont été possibles. En particulier, la taille, la fraction volumique et la distribution des charges ont été mesurées. Cette étude a ainsi fourni des informations en 3D qui contribuent à mieux comprendre les propriétés des nanocomposites. Une attention particulière a été portée aux artefacts et causes d’erreur possibles durant l’étape de traitement 3D. Nous avons également essayé de comparer les différentes techniques utilisées du point de vue de leurs avantages et inconvénients respectifs, en dégageant des possibilités d’amélioration future
This work is focused on the characterization and quantification of the 3D distribution of different types of fillers (nanoparticles, nanotubes, etc.) in polymer matrices. We have essentially used tomography techniques in electron microscopy. Multiple approaches to electron tomography were performed: FIB-SEM (focused ion beam/scanning electron microscope) tomography, SEM tomography and TEM (transmission electron microscope) tomography. Polymer nanocomposites are basically synthesized in order to improve the physical properties (mechanical, electric, etc.) of the pure polymer constituting the matrix, by a controlled addition of fillers at the nanoscale. The characterization of such materials and the establishment of accurate correlations between the microstructure and the modified properties require a three-dimensional approach. According to the nanometric size of the fillers, electron microscopy techniques are needed. Two systems of polymer nanocomposites have been studied by multiple electron tomography approaches: P(BuA-stat-S)/MWNTs (statistical copolymer poly(styrene-co-butyl acrylate) reinforced by multi-walled carbon nanotubes) and P(BuA-stat-MMA)/SiO2 (statistical copolymer poly(butyl acrylate-co-methyl methacrylate) reinforced by silica nanoparticles). By combining various techniques, the characterization and the quantification of nanofillers were possible. In particular, statistics about size, distribution and volume fraction of the fillers were measured. This study has then provided 3D information, which contributes to a better understanding of properties of the nanocomposites. Attention has been paid to analyze carefully original data, and artifacts and causes of errors or inaccuracy were considered in the 3D treatments. We also attempted to compare benefits and drawbacks of all techniques employed in this study, and perspectives for future improvements have been proposed