Rozprawy doktorskie na temat „Couches minces mésoporeux”

Ce travail de thèse évalue les potentialités du Silicium Poreux (SiP) nanostructuré comme substrat générateur de contraintes mécaniques pour modifier le paramètre de maille d’une fine couche de semiconducteur IV-IV (Si ou SiGe) qui lui est associée. Le but est soit d’ajuster les propriétés optoélectroniques de la couche en la contraignant, soit d’accorder son paramètre de maille à celui d’un autre matériau (Si1-xGex, Ge ou GaAs). Utilisée comme couche germe pour une reprise d’épitaxie, cette couche mince peut permettre l’obtention d’un matériau de bonne qualité cristalline. L’hétérostructure (couche mince) / (Si poreux) constitue ainsi un « pseudosubstrat accordable en paramètre de maille » fabriqué à partir d’un substrat peu onéreux, le Si Poreux. La mise au point d’une nouvelle technique dite de la “double plaque” a permis de franchir un verrou technologique majeur et d’obtenir des couches de semiconducteur IV-IV (Si ou SiGe), sans défauts structuraux, ultrafines et d’épaisseur rigoureusement constante (~50 nm), de grandes dimensions latérales (2"), et présentant une surface peu rugueuse et exempte de toute pollution. Cette couche ultrafine est facilement manipulable et sa dimension latérale n’est limitée que par les dimensions de la cellule d’anodisation utilisée. L’oxydation thermique à basse température du substrat de Si mésoporeux induit son expansion volumique et permet la déformation contrôlée des couches de Si et de SiGe. Le contrôle des paramètres du procédé permet d’atteindre des déformations importantes, excédant 1%, tout en évitant la formation des défauts structuraux. Cette technique a permis de rapprocher le paramètre de maille dans le plan du film de celui du Ge et du GaAs et donc de faire un pas en direction de leur intégration sur silicium
This work assesses the potentiality of Porous Silicon (PS) as a mechanical straining substrate for modifying the lattice parameter of IV-IV semiconductor thin films (Si or SiGe). The aim is either to tune the optoelectronic properties of the thin film, or to adapt the film lattice parameter to that of other materials like SiGe, Ge, or GaAs. Such a film can be used as a seed layer for the heteroepitaxial growth of lattice mismatched materials such as SiGe, Ge or GaAs on silicon with a high crystalline quality. In short, the (thin film) / (porous silicon) heterostructure constitutes a « lattice tunable virtual substrate » obtained from a low cost substrate, viz, the porous silicon. The development of a “two wafers technique” has been a true breakthrough as it made it possible to obtain a IV-IV semiconductor film as thin as 50 nm, with large lateral dimension (2"), strictly constant thickness, exempt of structural defects and with a perfectly smooth and clean surface. Moreover, this ultra-thin film can be easily handled and its lateral dimension is only dependant on the diameter of the anodization cell. Low temperature thermal oxidation of the bulk porous Si substrate induces its volume expansion, which leads to a straining of the thin film on top. The control of oxidation parameters allows obtaining highly strained (above 1%) films without any structural defects. The technique makes the film lattice in-plane parameter closer to that of Ge or GaAs, which is a step forward toward their integration on silicon

La croissance de l'industrie photovoltai͏̈que est aujourd'hui estimée à 15% par an, atteignant 530 MWc en 2002. L'essentiel de la production se base sur l'utilisation du silicium cristallin mais la croissance se heurte au problème du prix de revient de la cellule photovoltai͏̈que. Ainsi, pour répondre aux objectifs qui fixent à 3000 MWc la production mondiale en 2010, une diminution du prix de revient du watt crête de 2,5 à 1 Euro/Wc s'avère nécessaire. Pour cela, réduire la consommation de matériau silicium (40% du coût du produit fini) par watt crête produit représente une solution très intéressante. Ce travail s'inscrit dans le cadre du projet SUCCES (SUbstrats bas Coûts, report de Couches monocristallines et Epitaxie pour une filière Silicium photovoltai͏̈que en couches) qui vise à transférer des films minces de silicium monocristallin (50 æm) sur des substrats économiques. Ces derniers assurent le maintien mécanique de la cellule photovoltai͏̈que et l'emploi de silicium monocristallin permet de conserver un bon rendement avec une épaisseur réduite de la couche active. Cette technologie s'appuie sur l'utilisation d'une couche sacrificielle en silicium mésoporeux sur laquelle est épitaxiée la couche mince de silicium monocristallin. On réalise la cellule photovoltai͏̈que, avant de détacher le dispositif qui est ensuite transféré sur un substrat faible coût. Le substrat silicium de départ peut alors être réutilisé. L'élaboration de la couche mince de silicium monocristallin est réalisée par épitaxie en phase vapeur (VPE) à 1100ʿC sous pression atmosphérique. La croissance cristalline s'effectue dans un bâti d'épitaxie que nous avons installé, modifié et qualifié afin d'en optimiser les paramètres comme la concentration en gaz précurseur dichlorosilane SiH2Cl2 ou l'ajout de gaz dopant diborane B2H6. L'étude des propriétés structurales et électriques des épitaxies sur silicium massif a permis de valider la qualité de nos couches. La zone sacrificielle, élaborée par anodisation électrochimique, est constituée d'une bi-couche de silicium mésoporeux : une couche de faible porosité (20%) surmontant une couche de forte porosité (60%). Les caractéristiques du silicium poreux sont déterminées par la densité de courant et la concentration en acide fluorhydrique utilisées au cours de l'anodisation. Le recuit haute température sous hydrogène de la bi-couche provoque sa modification structurale qui se traduit par une coalescence des pores de la couche de faible porosité alors que les pores de la couche de forte porosité voient leur taille augmentée. Cette modification structurale autorise l'épitaxie d'une couche de silicium monocristallin puis le décrochage de la couche épitaxiée. Les caractéristiques satisfaisantes des couches monocristallines épitaxiées sur silicium poreux nous ont alors permis la réalisation de cellules photovoltai͏̈ques en couche mince, dont l'architecture est une structure monoface à contacts interdigités
Thin film solar cells by layer transfer process is a very promising way to reduce material cost in photovoltaïc industry. The aim of this study is to transfer thin silicon layers (50 µm) on cheap substrate. In order to warranty a highly conversion efficiency, monocrystalline silicon is required. Thin monocrystalline silicon film is grown on mesoporous silicon by vapor phase epitaxy. The porous silicon layer presents a double porosity structure and acts as both a seeding layer and a sacrificial layer. During hydrogen high temperature annealing, pores are coarsened in the low porosity layer and enlarged in the high porosity layer. These structural modifications allow the growth of the epitaxial silicon layer and its separation from the silicon substrate. As obtained thin silicon film serves as the active layer in an one side solar cell with interdigited contacts. Substrate can be then re-used for a novel thin silicon film

Ce travail de thèse a porté sur la synthèse et l’orientation de la porosité dans des films minces hybrides mésostructurés/mésoporeux. La synthèse des films est basée sur l’auto-organisation de tensioactifs qui permettent de structurer à l'échelle nanométrique un gel de silice. Si le dépôt est réalisé sur un substrat plan, les micelles/canaux de tensioactifs sont courbées dans le plan de la surface du substrat et adoptent une structure 2D hexagonale dans la direction aléatoire. L'utilisation d'un réseau de lignes nanométriques de silicium gravées sur de la silice nous a permis d'orienter les micelles/canaux dans les rainures du réseau. Pour étudier la morphologie des films et l'arrangement des micelles/canaux, nous avons utilisés l’AFM (la microscopie à force atomique) qui permet une observation directe de la surface des films et la diffusion de rayonnements X qui est une méthode de caractérisation indirecte. La méthode indirecte d'analyse de la porosité des films minces, basée sur l’analyse quantitative des courbes de la réflectivité des rayons X, a été développée. Complémentée par l'analyse des clichés GISAXS (Grazing Incidence Small Angle X-ray Scattering), elle a permis de déterminer la structure des films minces mésostructurés/mésoporeux. Par ailleurs, les pores de ces matériaux ont une dimension idéale pour étudier la condensation capillaire de l’eau. Lorsque l'eau se condense dans les pores on assiste à une forte diminution du contraste de densité électronique. Les techniques de la réflectivité des rayons X permettent de suivre les isothermes de condensation et de désorption de l'eau dans les pores. Ainsi la distribution de taille des pores et la porosité des films ont pu être obtenus. Une partie de ce travail a consisté à mettre en œuvre les conditions d'observation par méthode directe (AFM) de la surface des matériaux. En particulier nous avons établi une procédure permettant l'érosion par voie chimique de films minces de silice afin d'observer la structuration en profondeur de ces films. Cette méthode destructive a cependant le mérite de permettre une observation fine de l'orientation de la porosité. Elle est confrontée à la méthode indirecte des rayons X qui permet de suivre la mésostructure et le profil de densité électronique en profondeur dans le film. Pour permettre d'orienter la porosité nous avons utilisé un réseau gravé que nous avons caractérisé par AFM et par les techniques des rayons X (réflectivité spéculaire, réflectivité hors spéculaire et GISAXS). Cette thèse se conclut par l'étude du comportement de l'orientation de micelles de tensioactifs structurant de la silice lors du dépôt de films minces dans les interstices de ce réseau. La présence d'une surface structurée à une échelle comparable à celle des micelles/canaux est utilisée pour induire l'orientation des micelles/canaux. L'étude expérimentale de l'influence de l'épaisseur du film sur l'orientation des micelles/canaux a été menée
This work reports with the production of mesotructured/mesoporous silica thin films comprising micelles/pores aligned by confinement within the walls of a nanograting. . The mesostructured films were formed by the evaporation-induced self-assembly (EISA) route using a surfactant to template silica at the molecular scale. The device has potential for orientated nanowires, sensor arrays and optoelectronic devices. An important consideration for any optoelectronic device based on mesoporous materials is the change in electrical properties (e. G. Surface conductance) due to the adsorption of water. The mesoporous silica films facilitate the capillary condensation of water at ambient relative humidity. Thus, the interaction of water vapour on the walls of the mesoporous silica films was studied at room temperature between 20% and 70% relative humidity (RH). As the electron density contrast between the silica framework and pores decreases strongly when water infiltrates the pores, X-ray reflectometry was used to track the entry/exit of water in the network at high/low relative humidity, The pore size distribution and the porosity of the films were obtained. A grating with periods less than 500 nm was used to align the micelles. These particular gratings were produced by the Silicon-On-Insulator (SOI) technology whereby a silicon layer of nominal thickness of 55 nm was deposited on a 145 nm thick thermally grown silicon oxide. The gratings used in this work have a line spacing of 450nm with lines of 150nm width, grooves of 300nm width and a depth of 55nm. The scattering behavior of the substrate was studied in non coplanar geometry by grazing incidence small angle X-ray scattering (GISAXS). X-ray scattering techniques and atomic force microscopy (AFM) were used to charcterise the film within the grating to nanometric resolution. The p6m 2D hexagonal symmetry of the film was revealed by in-plane analysis using GISAXS. AFM operating in tapping mode was used to visualize the structure on the surface of the film. An important part of this work was to characterize the topography of the film. A protocol for chemically etching a film to reveal the morphology as a function of depth of these films was developed. The etching of mesoporous silica thin films was achieved by using an aqueous solution of 0. 1 mol dm-3 NaOH. The effect of the etching was monitored by X-ray reflectivity (XRR) and by atomic force microscopy. The etching procedure, although destructive, revealed the orientation of the mesochannels within the grating

Ce travail de thèse s'inscrit dans la problématique de la préparation et l'intégration des matériaux diélectriques poreux à très faible permittivité (ULK) dans les interconnexions des puces microélectroniques. Cette étude porte sur le développement de couches minces hydrophobes ULK à porosité organisée et isolée, préparées par voies sol-gel et PECVD. Elle vise une amélioration des propriétés mécaniques et une diminution de la diffusion de polluants au cœur des films. Des matériaux hydrophobes mésostructurés et ULK (k < 2,2) ont ainsi été obtenus par voie sol-gel, après retrait d'un porogène par traitement thermique, ou pour la première fois sous UV. Les caractéristiques mésostructurales et microstructurales des couches ont été reliées aux caractéristiques de porosité et aux propriétés mécaniques. Les mesures électriques et de perméation de gaz de ces matériaux sont également discutées en vue de leurs applications en tant que matériaux ULK ou comme membranes de séparation de gaz. En PECVD, des matériaux polymère plasma à base de styrène ont été synthétisés et également caractérisés en termes de propriétés mécaniques et de séparation de gaz
This thesis is dealing with the challenging preparation and integration of porous dielectric materials with ultra low permittivity (ULK) for interconnections in microelectronic devices. This study focuses on synthesis of hydrophobic ULK thin layers with ordered and isolated porosity obtained by sol-gel. An improvement in mechanical properties and a decrease of the impurities migration in the heart of the bulk are expected. Hydrophobic and mesostructured ULK (k < 2.2) materials have been obtained by sol-gel after removal of porogen mesophases by thermal treatment and for the first time under UV irradiation. Mesostructural and microstructural properties of the layers were discussed with regard to the porosity and mechanical properties. The electrical and gas permeation measurements were also discussed in the framework of their possible applications as ULK materials and gas separation membranes, respectively. Using PECVD, styrene-based polymers, have been synthesized and also characterized in terms of mechanical and gas separation properties

Le sujet de cette thèse porte sur l'élaboration du nouveau nanomatériau par la gravure électrochimique bipolaire (BEE) -- le Ge mésoporeux et sur l'analyse de ses propriétés physico-chimiques en vue de son utilisation dans des applications photovoltaïques. La formation du Ge mésoporeux par gravure électrochimique a été précédemment rapportée dans la littérature. Cependant, le verrou technologique important des procédés de fabrication existants consistait à obtenir des couches épaisses (supérieure à 500 nm ) du Ge mésoporeux à la morphologie parfaitement contrôlée. En effet, la caractérisation physico-chimique des couches minces est beaucoup plus compliquée et le nombre de leurs applications possibles est fortement limité. Nous avons développé un modèle électrochimique qui décrit les mécanismes principaux de formation des pores ce qui nous a permis de réaliser des structures épaisses du Ge mésoporeux (jusqu'au 10 ?m ) ayant la porosité ajustable dans une large gamme de 15% à 60%. En plus, la formation des nanostructures poreuses aux morphologies variables et bien contrôlées est désormais devenue possible. Enfin, la maîtrise de tous ces paramètres a ouvert la voie extrêmement prometteuse vers la réalisation des structures poreuses à multi-couches à base de Ge pour des nombreuses applications innovantes et multidisciplinaires grâce à la flexibilité technologique actuelle atteinte. En particulier, dans le cadre de cette thèse, les couches du Ge mesoporeux ont été optimisées dans le but de réaliser le procédé de transfert de couches minces d'une cellule solaire à triple jonctions via une couche sacrificielle en Ge poreux.

L’argent associé aux colloïdes de titane est connu depuis longtemps pour produire un effet photochrome réversible. Le changement de couleur est dû à la réduction des sels d’argent en nanoparticules métalliques sous lumière UV et à l’oxydation de ces dernières sous lumière visible. Récemment, une nouvelle fonctionnalité induisant du photochromisme multicolore a été rapportée dans des matériaux nanocomposites constitués de nanoparticules d’argent introduites dans des films nanoporeux d’oxyde de titane. Dans cette thèse, nous étudions l’influence d’une matrice mésoporeuse d’oxyde de titane avec des tailles de pores contrôlées sur le comportement photochrome de tels films. Nous montrons que la porosité des films permet de contrôler la taille des particules formées sous insolations UV et qu’il est possible de blanchir les motifs photo-induits avec une lumière monochromatique visible bien qu’habituellement ce type d’insolation colore le film. L’utilisation de ces matériaux permet aussi d’améliorer sensiblement la stabilité temporelle des inscriptions photo-induites, ce qui permet de les utiliser comme support de données reconfigurables. Nous démontrons aussi qu’au-delà d’un seuil en intensité, il est possible d’inscrire des motifs permanents avec une lumière UV ou visible, ce qui permet l’utilisation de ces films comme support de données permanentes. Enfin, dans une dernière partie, nous montrons qu’il est possible de photo-inscrire en lumière visible des couleurs dichroïques fortement réfléchissantes sans aucune réduction préalable des sels d’argent
Silver species adsorbed on colloidal titania have been known for a long time to exhibit photochromism. The color change is due to the reduction of silver salts from metallic nanoparticles under UV illumination and oxidation of these latters under visible illumination. Recently, a new functionality inducing multicolor photochromism has been reported in nanocomposite materials constituted by silver nanoparticles introduced in nanoporous titania film. In this dissertation, we study the influence of mesoporous titania matrix with controlled pores sizes on the photochromisrn behavior of such films. We show that the films porosity allows to control the formed particles under UV illumination and that is possible to bleach the photo-induced patterns with a monochromatic visible light although usually this type of illumination color the film. The utilization of these materials allows also to sensibly improve the temporal stability of photo-induced inscriptions, which allows to use them as rewritable data carriers. We demonstrate also that above an intensity threshold, it is possible to inscribe permanent pattern with an UV or visible illumination, which allows to use these films like permanent data carriers. Finally, in the last part, we show that it is possible to photo-induce in visible light dichroic color highly reflective without prior reduction of silver salts

Les biofilms bactériens sont composés d’organismes unicellulaires vivants au sein d’une matrice protectrice, formée de macromolécules naturelles. Des biofilms non désirés peuvent avoir un certain nombre de conséquences néfastes, par exemple la diminution du transfert de chaleur dans les échangeurs de chaleurs, l’obstruction de membranes poreuses, la contamination des surfaces coques de navires, etc. Par ailleurs, les bactéries pathogènes qui prolifèrent dans un biofilm posent également un danger pour la santé s’ils croissent sur des surfaces médicales synthétiques comme des implants biomédicaux, cathéters ou des lentilles de vue. De plus, la croissance sur le tissu naturel par certaines souches des bactéries peut être fatale, comme Pseudomonas aeruginosa dans les poumons. Cependant, la présence de biofilms reste difficile à traiter, car les bactéries sont protégées par une matrice extracellulaire. Pour tenter de remédier à ces problèmes, nous proposons de développer une surface antisalissure (antifouling) qui libère sur demande des agents antimicrobiens. La proximité et la disposition du système de relargage placé sous le biofilm, assureront une utilisation plus efficace des molécules antimicrobiennes et minimiseront les effets secondaires de ces dernières. Pour ce faire, nous envisageons l’utilisation d’une couche de particules de silice mésoporeuses comme agents de livraison d’agents antimicrobiens. Les nanoparticules de silice mésoporeuses (MSNs) ont démontré un fort potentiel pour la livraison ciblée d’agents thérapeutiques et bioactifs. Leur utilisation en nano médecine découle de leurs propriétés de porosité intéressantes, de la taille et de la forme ajustable de ces particules, de la chimie de leur surface et leur biocompatibilité. Ces propriétés offrent une flexibilité pour diverses applications. De plus, il est possible de les charger avec différentes molécules ou biomolécules (de tailles variées, allant de l’ibuprofène à l’ARN) et d’exercer un contrôle précis des paramètres d’adsorption et des cinétiques de relargage (désorption). Mots Clés : biofilms, nanoparticules de silice mésoporeuses, microfluidique, surface antisalissure.
Bacterial biofilms are composed of single-cell organisms living within a protective matrix formed from natural macromolecules. Unwanted biofilms may have a number of adverse consequences such as reducing heat transfer in heat exchangers, obstruction of porous membranes, surface contamination ships hulls etc. In addition, pathogenic bacteria growing in a biofilm also pose a health hazard when this kind of film is found attached to biomedical implants, catheters, or on contact lenses. The presence of biofilms is difficult to treat because the bacteria are highly resistant to antimicrobial agents. In an attempt to address these problems, we propose to develop an antifouling surface which releases on demand antimicrobial agents in the presence of a biofilm. The proximity and the positioning of the delivery system of bioactive agents under the biofilm will ensure a more efficient use of antimicrobial molecules and minimize side effects of the latter. To do this, we consider the use of layers of colloidal particles of meso-porous silica as delivery agents of antimicrobial agents. Mesoporous silica nanoparticles (NPS Ms) have demonstrated a strong potential for targeted delivery of therapeutic and bioactive agents. Their use in nanomedicine stems from their interesting properties of porosity, the size and the adjustable shape of these particles, their surface chemistry providing a great flexibility for various functionalizations. Moreover, it is possible to load them with various molecules or biomolecules (of various sizes, ranging from ibuprofen to RNA), and exert fine control of the adsorption parameters and release kinetics (desorption). These particles also demonstrate excellent biocompatibility in vitro and in vivo. Keywords : biofilm, mesoporous nanosilica particles, microfluidics, antifouling surfaces.

La recherche scientifique contemporaine en matière de matériaux est largement orientée autour de l’optimisation et l’élaboration de nouveaux matériaux poly-fontionnels, multi-structurés et aux dimensions réduites. De tels matériaux conduisent à s’intéresser à la problématique des comportements spécifiques résultant des différentes interfaces mises en jeu ; il peut s’agir d’interfaces physiques entre différents milieux (états différents, compositions chimiques différentes …) ou des interfaces entre différentes propriétés. Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés aux corrélations pouvant exister entre les propriétés de luminescence et la réactivité de surface de films mésoporeux d’oxyde métalliques dopés avec des ions EuIII. Ces deux propriétés étant fortement dépendantes de la structure des matériaux, une grande partie de notre travail a été dédiée à la caractérisation de cette dernière. Un intérêt particulier a été porté à l’étude des conséquences de la présence des ions EuIII et à la localisation de ces derniers au sein des matrices étudiées. Finalement, il est apparu que la luminescence des ions EuIII au sein des films mésoporeux à base de TiO2 peut permettre de suivre les réactions redox se produisant au sein des pores, comme par exemple la photo-dégradation de composés organiques ou la photo-réduction de sels métalliques. La photo-réduction in situ permet la formation de réseaux périodiques de nanoparticules métalliques. Ces matériaux offrent donc de nombreuses perspectives d’applications dans des domaines aussi variés que les télécommunications optiques, la photonique, la photocatalyse…
Materials contemporary scientific research is largely devoted to the optimization and the elaboration of new poly-functional, multi-structured and size-reduced materials. Then, specific behaviors due to the different interfacial aspects of those materials – physical interfaces between different matter states, different chemical phases… or properties interfaces – have become a major issue requiring further investigations. In this context, our work deals with correlations that could be established between luminescence properties and surface reactivity of EuIII-doped metal oxide mesoporous thin films. As properties can be linked to materials structure, an important part of our work has been dedicated to structural characterization. EuIII ions incorporation specific effects and ions location within film walls have been particularly studied. Finally, it appeared that EuIII ions luminescence could provide a mean to follow redox reactions occurring within pores, such as organic compounds photo-degradation or metallic salts photo-reduction. In situ photo-reduction can lead to periodic arrays of metallic nanoparticles. La photo-réduction in situ permet la formation de réseaux périodiques de nanoparticules métalliques. Those materials can open up the way in many applications such as optical telecommunication, photonics, photocatalysis…

Le sujet de cette thèse porte sur l’élaboration du nouveau nanomatériau par la gravure électrochimique bipolaire (BEE) — le Ge mésoporeux et sur l’analyse de ses propriétés physico-chimiques en vue de son utilisation dans des applications photovoltaïques. La formation du Ge mésoporeux par gravure électrochimique a été précédemment rapportée dans la littérature. Cependant, le verrou technologique important des procédés de fabrication existants consistait à obtenir des couches épaisses (supérieure à 500 nm) du Ge mésoporeux à la morphologie parfaitement contrôlée. En effet, la caractérisation physico-chimique des couches minces est beaucoup plus compliquée et le nombre de leurs applications possibles est fortement limité. Nous avons développé un modèle électrochimique qui décrit les mécanismes principaux de formation des pores ce qui nous a permis de réaliser des structures épaisses du Ge mésoporeux (jusqu’au 10 um) ayant la porosité ajustable dans une large gamme de 15% à 60%. En plus, la formation des nanostructures poreuses aux morphologies variables et bien contrôlées est désormais devenue possible. Enfin, la maitrise de tous ces paramètres a ouvert la voie extrêmement prometteuse vers la réalisation des structures poreuses à multi-couches à base de Ge pour des nombreuses applications innovantes et multidisciplinaires grâce à la flexibilité technologique actuelle atteinte. En particulier, dans le cadre de cette thèse, les couches du Ge mesoporeux ont été optimisées dans le but de réaliser le procédé de transfert de couches minces d’une cellule solaire à triple jonctions via une couche sacrificielle en Ge poreux
The subject of this thesis is the development of the new nanomaterial by bipolar electrochemical etching (BEE) - the mesoporous Ge and analysis of its physico-chemical properties for use in photovoltaic applications. The formation of mesoporous Ge by electrochemical etching has been previously reported in the literature. However, the important technological barrier of existing manufacturing processes was to obtain thick layers (above 500 nm) of the mesoporous Ge with perfectly controlled morphology. Indeed, the physico-chemical characterization of thin layers is much more complicated and the number of possible applications is very limited. We have developed an electrochemical model that describes the main mechanisms of formation of pores which allowed us to produce thick mesoporous structures of Ge (up to 10 um) with adjustable porosity in a range of 15% to 60% . In addition, the formation of porous nanostructures with well-controlled variable morphologies has now become possible. Finally, the mastery of these parametres has opened the extremely promising path towards the realization of porous multilayer structures based on Ge for many innovative and multidisciplinary applications. In particular, in the context of this thesis, the mesoporous layers of Ge were optimized for the purpose of performing a layer transfer process of a triple-junction solar cell via a sacrificial layer of porous Ge

Ce travail est consacré à la préparation de matériaux mésoporeux à partir de cristaux liquides formés avec des tensioactifs fluorés selon le mécanisme transcriptif LCT. Les paramètres de synthèse ont été optimisés pour la préparation de silices mésostructurées à partir de la phase hexagonale du système eau/C8F17C2H4(OCH2CH2)9OH. Les résultats montrent une corrélation entre le diamètre des pores des matériaux et les diamètres hydrophobes mesurés dans les cristaux liquides. L'incorporation de TiO2 dans une matrice silicatée selon la méthode de coprécipitation a été réalisée en utilisant soit des micelles (mécanisme d'auto-assemblage coopératif CTM), soit la phase hexagonale du système C8F17C2H4(OCH2CH2)9OH/eau (mécanisme transcriptif LCT). Dans les deux cas, l'incorporation de titane conduit à une perte de la structure et à une diminution de la surface spécifique. L'utilisation du mécanisme CTM favorise la formation de TiO2 anatase en surface du matériau, tandis que pour le mécanisme LCT, la substitution du silicium par le titane au coeur du matériau a été mise en évidence. Des films minces mésostructurés à base de TiO2 ont été réalisés à partir de la méthode EISA. Les analyses par diffraction des rayons X à incidence rasante couplées à des mesures de réflectivité ont permis de mettre en évidence la structure des films et de déterminer les épaisseurs des couches qui constituent les films. Enfin, une méthode originale de synthèse de matériaux mésoporeux organisés à base de TiO2 a été développée. La précipitation de TiO2 dans la mésophase hybride est déclenchée à l'aide d'un traitement par NH3 (g). La structure des matériaux est conservée après l'étape de calcination laquelle permet de cristalliser TiO2 en phase anatase. L'activité photocatalytique de ces matériaux a ensuite été testée sur la réaction de photodégradation du méthylorange
This work deals with the preparation of mesoporous materials from fluorinated liquid crystals via the LCT mechanism. Synthesis parameters have been optimized for the preparation of ordered mesoporous silica with the hexagonal H1 phase of water/C8F17C2H4(OCH2CH2)9OH system. Results show a correlation between pore diameters of materials and hydrophobic diameters measured in liquid crystals. According to the coprecipitation method, incorporation of TiO2 in a silica matrix, synthesized using micelles (via the cooperative templating mechanism CTM) or the hexagonal phase of C8F17C2H4(OCH2CH2)9OH/water system (via liquid crystal templating mechanism LCT). Both pathways lead to a loss of mesopore ordering and a decrease of the specific surface area when titania content increases. If materials are prepared via CTM mechanism TiO2 is present on the surface whereas TiO2 is in the bulk when LCT mechanism is used. Mesoporous thin films have been prepared via EISA method. Grazing incidence small angle X-Ray scattering and reflectivity analysis have been used to define the structure of films and the thickness of the different layers. Finally an original method has been developed for the preparation of ordered titania mesoporous materials. Precipitation of titania in the hybrid mesophase is activated by a NH3 treatment. The structure is preserved after calcination step which allow the formation of TiO2 anatase. Photocatalytic activity of these materials has been tested on the photodegradation of methylorange

Avec une industrialisation mondiale en croissance continue atteignant 6,1% en 2021 et un fardeau démographique de 8 milliards de personnes, le monde d'aujourd'hui est confronté aux pénuries d'énergie les plus importantes et à la pollution environnementale la plus étendue de son histoire. Particulièrement, les effluents chargés de molécules toxiques organiques récalcitrantes provenant des raffineries, de l'industrie pétrochimique, pharmaceutique, des plastifiants et de nombreuses autres industries mettent en danger la durabilité des eaux de surface et des eaux souterraines. Avec l'inefficacité des techniques de traitement conventionnelles pour résoudre ce problème, les processus d'oxydation avancée (AOP) sont apparus comme une technologie efficace, prometteuse et peu coûteuse, capable de s'attaquer à différents types de molécules organiques dans les milieux aquatiques. Parmi ces techniques, la photocatalyse hétérogène est apparue comme l'une des méthodes les plus efficaces et économiques en raison de la réutilisabilité du photocatalyseur et de l'absence de besoins en matière d'élimination secondaire. La technique est basée sur la génération d'espèces d'oxygène hautement réactives (ROS) lors de l'exposition d'un matériau photocatalytique à la lumière, conduisant à une technologie verte et durable. Ces ROS sont bien connus pour leur forte capacité d'oxydation de la matière organique, conduisant à leur minéralisation en molécules d’eau et dioxyde de carbone. Pour cette raison, le développement d'un photocatalyseur efficace et respectueux de l'environnement est important. Dans ce contexte, l'oxyde de zinc (ZnO) a attiré une grande attention à cause son efficacité élevée de conversion de l'énergie photonique, de son faible coût de production, de son faible degré de toxicité pour la vie marine/humaine et de sa longue durée de vie. Cependant, l'un des principaux défis auxquels ce matériau est confronté est l'efficacité photocatalytique limitée en raison de la recombinaison des paires électron-trou. Par conséquent, de nouvelles stratégies ont été développées pour améliorer son activité photocatalytique, telles que la conception de nouvelles micro/nanostructures de ZnO ou le couplage des photocatalyseurs avec d'autres techniques de traitement pour produire des effets synergiques. L'objectif de cette thèse est de concevoir de nouveaux types de nanostructures de ZnO pour dégrader efficacement les contaminants toxiques en phase liquide ou gazeuse. Pour cette raison, l'impact de la structure chimique des polluants sur la cinétique de dégradation a d'abord été étudié sur diverses molécules organiques toxiques. Ensuite, le système photocatalytique a été adapté pour la photodégradation de particules de microplastiques d'une taille de 300 μm. Les effets de la morphologie et de la microstructure sur l'activité photocatalytique du ZnO ont été étudiés afin d'améliorer l'efficacité du système photocatalytique. Pour y parvenir, des nanobâtonnets, des couches minces poreuses et plissées ont été synthétisés en optimisant les techniques de sol-gel et de croissance hydrothermale en milieu liquide. Bien que les nouveaux matériaux aient montré une cinétique de dégradation améliorée, le taux de recombinaison rapide des paires electron-trou continuait néanmoins de freiner son activité photocatalytique. Pour surmonter cette limitation, une oxydation photo-Fenton-like a été couplée au photocatalyseur ZnO. Quand les deux processus fonctionnant simultanément, un effet synergique a été obtenu grâce à la diminution de la recombinaison électron-trou d'un côté, et la régénération du réactif Fenton de l'autre côté. De plus, une nouvelle matrice de ZnO macroporeuses a été conçue en couplant la chimie sol-gel avec l'auto-assemblage de copolymères en bloc. Le nouveau matériau a présenté des propriétés d'auto-nettoyage remarquables lorsqu'il a été appliqué sur des surfaces revêtues
With a continuously growing global industrialization reaching 6.1% in 2021 and a demographic burden of 8 billion people, today’s world is facing the most extensive energy shortages and environmental pollution in its history. Particularly, loaded effluents with recalcitrant organic toxic molecules from refineries, petrochemicals, pharmaceuticals, plasticizers, and many other industries, are continuously endangering surface and groundwater water sustainability. With the low efficiency of conventional treatment techniques in addressing this issue, advanced oxidation processes have emerged as an efficient, promising, and inexpensive technology, capable of tackling different types of organic molecules in aquatic mediums. Amongst these techniques, heterogeneous photocatalysis has emerged as one of the most efficient and economical methods due to the photocatalyst reusability and lack of secondary disposal requirements. The technique is based on the generating of highly reactive oxygen species (ROS) such as hydroxyl radical and superoxide radical upon the exposure of a photocatalyst material to light, making it a green and sustainable technology. These ROS are well-known for their strong oxidation capacity toward organic matter, leading to their mineralization into harmless molecules such as water and carbon dioxide. For that reason, developing an efficient and eco-friendly photocatalyst is of great importance. In this scope, Zinc oxide (ZnO) has been attracting high attention due to its high conversion efficiency of photonic energy, low production price, low degree of toxicity to marine/human life, and long life span. Nonetheless, one of the main challenges facing this material is the limited photocatalytic efficiency due to the recombination of electron-hole pairs. Therefore, new strategies have been developed to enhance its photocatalytic activity such as designing new micro/nanostructures of ZnO or coupling the photocatalysts with other treatment techniques to produce synergic effects

Ce travail de thèse porte sur l'élaboration et la caractérisation optique et structurale de films de silice ou de titane mésostructurés porteurs de nanoparticules d'argent. Il s'intéresse également aux propriétés photochromiques des films à base de titane. Pour ce travail, des films mésoporeux de SiO2, et de TiO2, amorphe ou anatase, ont été synthétisés par voie sol-gel et caractérisés. Après leur imprégnation par des ions métalliques, trois protocoles de réduction ont été utilisés. La croissance thermique favorise la coalescence des nanoparticules; des bâtonnets d'argent sont obtenus dans les films de silice hexagonaux 2D alors que des agglomérats se forment en surface et dans l'épaisseur des films de TiO2 présentant des pores sphériques. La réduction chimique permet une croissance rapide des nanoparticules d'argent dans les pores; des bâtonnets et sphères de taille et forme contrôlées sont obtenus dans les films de SiO2 et de TiO2, respectivement. La croissance optique des nanoparticules d'argent par photoréduction est aussi un procédé rapide; des nanoparticules avec une plus large distribution de taille que leurs similaires chimiques sont obtenues dans les films de TiO2, mais seulement quelques nanoparticules dans la matrice SiO2 en raison de sa faible réponse à l'UV. L'étude du comportement photochromique des nanoparticules d'argent déposées dans des films de TiO2 a démontré l'influence de la répartition initiale des nanoparticules et de l'intensité incidente sur la couleur du film. Un blanchiment du film optique ou chimique est observé après insolation avec une lumière monochromatique puissante, et un comportement multiphotochromique pour de faibles intensités lumineuses.

La modification d’électrodes par des films de silice mésoporeuse (FSM) ouvre des perspectives intéressantes dans le développement de capteurs électrochimiques. En particulier, la combinaison de la méthode électrochimique EASA (electrochemically-assisted self-assembly) permet d’obtenir des films fins et réguliers de silice mésoporeuse, de structure hexagonale et des pores perpendiculaire à la surface du support. Ces caractéristiques singulières contribuent à des transports de matière extrêmement rapides et indispensables aux applications type capteurs. La première partie du projet est centrée sur la réduction de l'épaisseur du FSM pour obtenir le plus fin tout en préservant sa structure hexagonale organisée et minimiser les effets négatifs du dépôt tout en ne gardant que ses bénéfices. Nous avons tout d’abord déterminé que, par la méthode de déposition EASA, l’épaisseur minimale d’un film homogène et sans défaut pouvant être atteinte dans nos conditions opératoires ([Si] = 100 mM, 32 mM CTAB) est de 80 ± 9 nm pour 10 s du potentiel -1.3V/Ag appliqué. Notre approche pour obtenir des couches plus fines que cela a consisté à dissoudre le FSM par voie humide, en utilisant le fluorure d’ammonium, NH4F, comme réactif «doux». La dissolution la plus contrôlée a été observée pour les FSMs dont le tensioactif est conservé dans la structure poreuse. La présence du CTAB favorise le transport et l’accumulation des ions fluorure dans le film accélérant ainsi la réaction (1.1 nm/min avec NH4F 0.05 M). L’épaisseur du FSM le plus fin obtenu dans ces conditions est de 28 ± 9 nm. Lorsque le traitement est mené sur des FSMs pour lesquels le tensioactif a été extrait par voie humide ou par calcination, l’épaisseur la plus petite atteinte sans créer de défaut dans le film est seulement de 57 ± 11 nm. Dans la deuxième partie de l'étude, les FSMs ont été fonctionnalisés par un complexe organométallique de ruthénium(II) dans le but d’essayer de développer une plateforme d'électrochimiluminescence pour la détection du glyphosate. L’originalité de l’approche est le choix d’immobiliser de manière covalente le complexe ruthénium(II) tris(bipyridine), Ru(bpy)₃²⁺, au sein du FSM. L’approche par chimie «click» a été privilégiée et réalisée sur un FSM modifiée par des groupements azoture préparé par co-condensation. Les premiers résultats électrochimiques obtenus en présence de glyphosate ont montré que la présence du pesticide conduit à une modification du signal électrochimique quelle que soit la nature de l’électrode utilisée. La détection de l’herbicide est ainsi possible. On remarque cependant que la nature du signal enregistré avec une électrode modifiée par un FSM où le complexe organométallique a été préalablement greffé est différent de celui obtenu avec les autres électrodes et pas encore totalement expliqué
The combination of rich surface chemistry of silica and ordered perpendicularly-standing hexagonal mesostructure of films generated by EASA makes this material a perfect choice for use as the electrode coatings. In this light, improvement of film design is a constant challenge in order to benefit from porous layer and to increase the efficiency of electrochemical sensors. The first part of project was centred around the optimisation of the film thickness towards the thinnest with preservation of the beneficial hexagonal structure. The mesoporous silica film (MSF) thickness is a parameter that can affect the mass transport through the silica coating to the electrode specifically because of the reactivity of surface silanol groups. Thinning of the MSF can facilitate the diffusion of species, while keeping the presence of the beneficial silica layer can increase the electrochemical response, hence, the sensitivity of analysis. Two approaches were used in order to decrease thickness. The first was a study of the effect of the deposition time during the modification of the electrode (EASA process). The second one was the wet etching of film after its deposition. The thinnest uniform MSFs, which can be generated on indium tin oxide (ITO) surface, require minimum 10 seconds deposition with an applied potential equal to -1.3 V and a 100 mM silane-containing sol. This gave rise to 80 ± 9 nm coating. Post-synthesis etching with the soft fluoride solution of ammonium fluoride, NH4F, allowed to control the decrease of the MSF thickness. By keeping the surfactant inside the silica pores, template agent for the synthesis, the kinetic of the etching reaction was faster, but with a more homogeneous dissolution. It was possible to obtain the thinnest ordered MSF in comparison with an etching procedure conducted on MSF after the extraction of the template. The profilometry determined thickness of well-structured film with vertical pore orientation was respectively of 28 ± 9 nm for the templated silica films and 57 ± 11 nm for films without surfactant inside their pores. In the second part of the study, MSFs were applied to modify ITO electrodes for the development of electrochemiluminescence platform for detection of amine-containing herbicide glyphosate using co-reactant system with Ru(bpy)₃²⁺. Comparison between physical and chemical immobilisation of the organometallic agent was studied. Covalent functionalisation was achievable due to introduction of azide functions on co-condensation step with their further coupling with propargyl-functionalised derivative of Ru(bpy)₃²⁺ complex by Huisgen 1,3-cycloaddition reaction. The effect of the herbicide addition was investigated using electrodes with immobilised by two approaches Ru(bpy)₃²⁺ complex as well as in solution of Ru(bpy)₃²⁺, operating bare ITO electrode and ITO electrode covered with unmodified MSF. The evolution of electrochemical signal was used to conclude on the possibility to detect glyphosate

L’objectif de cette thèse était de développer un capteur spectrophotométrique pour quantifier le benzène, le toluène et les xylènes (BTX) en temps réel aux valeurs limites d’exposition professionnelles, c’est-à-dire 20 ppmv pour le toluène, 50 ppmv pour les xylènes et 1 ppmv pour le benzène. L’étude a été menée avec plusieurs couches sensibles, un matériau silicique massif synthétisé par le procédé sol-gel ou des films minces (moins de 5 µm) déposés sur quartz par trempage-retrait dans une suspension de nanoparticules de silice mésoporeuse ou de précurseurs permettant d’obtenir des films fins continus de silice mésoporeuse. Nous avons pu démontrer l’efficacité de la détection des BTX en temps réel. L’utilisation des films mésoporeux a permis d’atteindre une répétabilité correcte du capteur (écart type <10%). Néanmoins, ni ces films de silice, ni leur fonctionnalisation par des groupements méthyle n’ont permis de résoudre le problème posé par l’humidité. Seule l'utilisation d'un sécheur que nous avons implémenté dans le dispositif de mesure a permis la détection du toluène en présence d'humidité ambiante. Dans cette configuration, les interférences de 40 ppmv de butanone, acétone et éthanol ont également été éliminées. Finalement la conception d’une cellule multiplaques a permis d’atteindre les limites de détection de 1 ppmv à 267 nm pour le toluène, 1 ppmv à 274 nm pour le p-xylène et 5 ppmv à 252 nm pour le benzène. Enfin, cette limite de détection peut être abaissée à 1 ppmv à 190 nm pour le benzène
The objective of this thesis was to develop a spectrophotometric sensor to quantify benzene, toluene and xylenes (BTX) in real time at the level of the occupational exposure limit values, ie 20 ppmv for toluene, 50 Ppmv for xylenes and 1 ppmv for benzene. The study was carried out with several sensitive layers, a solid silicic material synthesized by the sol-gel process or thin films (less than 5 μm) deposited on quartz by dip-coating a suspension of nanoparticles or a precursor solution leading to mesoporous silica thin films. We were able to demonstrate the effectiveness of BTX detection in real time. The use of continuous mesoporous films has enabled a correct repeatability of the sensor (standard deviation <10%). Nevertheless, neither these silica films nor their functionalization by methyl groups have solved the problem posed by moisture. Only the use of a dryer that we implemented in the measuring device allowed the detection of toluene in the presence of ambient humidity. In this configuration, interference of 40 ppmv of butanone, acetone and ethanol was also eliminated. Finally, the design of a multi-plate cell allowed to reach detection limits of 1 ppmv at 267 nm for toluene, 1 ppmv at 274 nm for p-xylene and 5 ppmv at 252 nm for benzene. Finally, this limit of detection can be lowered to 1 ppmv at 190 nm for benzene

Ce travail de thèse a porté sur la synthèse et la caractérisation de films minces de silice mésoporeuse. La synthèse de ces matériaux est basée sur l'auto-organisation de tensioactifs qui permettent de structurer à l'échelle nanométrique un squelette, constitué ici d'un gel de silice.
Les paramètres pertinents influençant la structuration des films minces ont été appréhendés. En particulier, des études in situ par réflectivité des rayons X et par Diffusion en incidence rasante des rayons X (Grazing Incidence Small Angle X-ray Scattering, GISAXS), ont permis de mettre en évidence le rôle prédominant de l'humidité relative. Des protocoles d'extraction par rinçage à l'éthanol ont été établis pour dégager efficacement les structures mésoporeuses sans les écraser.
Une méthode d'analyse de la porosité des films minces a ensuite été développée. Cette méthode est basée sur l'analyse quantitative des courbes de réflectivité par la méthode matricielle. Complémentée par l'analyse des clichés GISAXS, elle nous a permis de déterminer sur couche mince non seulement la porosité, la taille des pores et des murs mais aussi la surface spécifique et la distorsion des pores.
Les pores de ces films mésoporeux ont une dimension idéale pour y parfaire l'étude de la condensation capillaire de l'eau. Quand l'eau pénètre dans les pores, le contraste de densité électronique décroît fortement. Ainsi, les techniques de diffusion des rayons X (réflectivité et GISAXS) permettent de suivre les isothermes de condensation et de désorption de l'eau dans les pores. La distribution de taille des pores peut alors être obtenue. Les isothermes d'adsorption d'eau ont permis également d'estimer la porosité, mais aussi d'appréhender par le biais de l'équation de Laplace, les propriétés mécaniques des films en accédant à leur module d'Young.
Finalement nous avons conclu cette thèse par l'étude de la fonctionnalisation des films par divers groupements fonctionnels localisés à la surface des mésopores, dans l'optique de modifier leur hydrophilicité ou leur réactivité chimique.

Le travail qui est présenté dans ce manuscrit est le résultat d'une série d'expériences qui ont été effectuées à la fois à l'Université du Maine (IMMM Le Mans) et aux lignes de lumière lD10 et lD02 de l'ESRF (Grenoble) où j'ai passé la moitié de mon temps. Le projet que j'ai travaillé pendant trois ans a été principalement orienté sur l'étude des nanomatériaux qui ont été exposés au CO2 supercritique en utilisant de diffusion des rayons X. Par conséquent une partie de ce travail a été consacrée à la description des propriétés de ce fluide supercritique et comment il interagit avec des matériaux tels que les polymères par exemple. Les matériaux analysés ont été le polystyrène sous forme de film et des ilots, ensuite des matériaux meso-structures avec des tensioactifs fluorés et finalement le carbonate de calcium. Due à la taille nanométrique de tous ces matériaux, les techniques de rayons X qui ont été largement utilisés dans ce travail étaient Small angle X-ray scattering (SAXS), Grazing Small angle X-ray scattering ( (GISAXS) et X-ray reflectivity (XRR)
The work that is presented in this manuscript is the result of a series of experiments that were performed both at the Université du Maine (IMMM Le Mans) and at the ID10 and ID02 beam lines of the ESRF (Grenoble) where I have equally spent half of my time. The project I have been working on for three years was mostly oriented on the study by means of X-ray scattering probes of nanomaterials that were exposed to supercritical CO2. As a result another part of this work will be also dedicated to describing the properties of this supercritical fluid and how it interacts with materials such as polymers for instance. The analyzed materials were thin film and small island of polystyrene, then materials mesostructures using fluoro-surfactants and finally calcium carbonate. Due to the nanoscale of these materials, the X-ray probes that were extensively used in this work were Small Angle X-ray scattering (SAXS), Grazing Incidence Small Angle X-ray Scattering (GISAXS) and X-ray Reflectivity (XRR)

Ce projet de thèse concerne l’étude des interactions entre la Orange Carotenoid Protein (OCP) et la silice mésoporeuse SBA-15, visant à la mise au point de nanodispositifs photo-actifs. La OCP est une protéine photo-active impliquée dans la photoprotection des cyanobactéries. Il implique la dissipation thermique de l’excès d’énergie solaire en prévenant le stress oxydatif et les photo-dommages. L’OCP se compose de deux domaines structurels partageants un caroténoïde antioxydant, qui agit comme chromophore. La lumière bleue induit la photo-activation de l’OCP et son changement de couleur de l’orange au rouge. La SBA-15 a été choisie comme support inorganique pour l’OCP, visant à développer des nanodispositifs photochromiques biocompatibles. En effet la SBA-15 est largement utilisée pour l’immobilisation des protéines. Les paramètres structurels de la SBA-15, tels que le diamètre des pores, peuvent être modifiés en ajustant les paramètres de sa synthèse. Dans ce travail, nous avons immobilisé l’OCP sur différents types de nanoparticules de silice mésoporeuse SBA-15, vides ou fonctionnalisées en surface. Nous avons ensuite caractérisé structurellement les systèmes. Les matrices de SBA-15 se sont avérées être des supports appropriés pour l’OCP, dont le taux d’immobilisation est fortement renforcé par la pré-photo activation de la protéine. L’OCP reste photo-active à l’intérieur de la matrice de silice mésoporeuse, produisant ainsi des nanoparticules photochromiques. Les études de spectroscopie IRTF différentielle suggèrent que le mécanisme de photo-activation est le même qu’en solution, et très similaire pour tous les types d’OCP étudiés. En outre, dans des conditions appropriées, l’OCP peut également être relarguée à partir des nanoparticules de SBA-15. Enfin, nous avons développé des nanodispositifs photo-activables avec une fluorescence réglable en intensité, basée sur des nanoparticules de SBA-15 chargées de colorants et OCP. Plus en détail, nous avons immobilisé des molécules colorants et fluorescents (cyanine ou flavonols) sur la SBA-15, en présence d’OCP. L’éclairage à lumière bleue entraine une diminution réversible de la fluorescence. Également, la SBA-15 agit non seulement comme un échafaudage biocompatible, mais aussi comme un agent de protection contre le vieillissement des nanodispositifs développés
This thesis deals with the study of interactions between the Orange Carotenoid Protein and mesoporous silica SBA-15, aiming to the development of photoactive nano-devices. The photoactive Orange Carotenoid Protein (OCP) is a protein involved in photo-protective responses in cyanobacteria. It induces the thermal dissipation of excess solar energy counteracting oxidative stress and photodamage. OCP consists of two structural domains sharing a non-covalently linked antioxidant carotenoid as a chromophore. Blue light induces photoactivation of OCP and its colour changes from orange to red. SBA-15 (Santa Barbara Amorphous) was chosen as an inorganic support for OCP aiming at the development of photochromic bio-compatible nanodevices. SBA-15 is a mesoporous silica matrix that has attracted much attention as host for immobilization of enzymes as well as drug delivery systems. The structural parameters of SBA-15, such as the diameter of pores, can be modified by tuning parameters of its synthesis. Furthermore, the ability to modify the surface properties of SBA-15 can provide higher protein immobilization capacity. In this work we have immobilized OCP on different kinds of raw and surface-functionalized SBA-15 mesoporous silica nanoparticles, and we have structurally characterized the systems. SBA-15 matrices have demonstrated to be suitable supports for OCP, whose immobilization is strongly enhanced by the pre-photoactivation of the protein. OCP remains photoactive inside the mesoporous silica matrix, thereby producing photochromic nanoparticles. FTIR difference spectroscopy studies strongly suggest that the photoactivation mechanism is the same as in solution, and very similar for all the studied OCPs. Furthermore, under appropriate conditions, OCP can also be released from SBA-15 nanoparticles. Finally, we have developed photoactivable nanodevices with intensity-tuneable fluorescence based on OCP- and dye-loaded SBA-15 nanoparticles. More in details, we have immobilized synthetic cyanine dyes or natural fluorescent antioxidant flavonols on SBA-15, in presence of OCP. Blue light illumination was found to provide reversible quenching of red or green fluorescence under green or violet illumination, respectively. In addition, SBA-15 act not only as a biocompatible scaffold, but also as a protecting agent against aging of the developed nanodevices

Dans ce travail, plusieurs applications des films minces à base de silice mésoporeuse fonctionnalisée, générés par auto-assemblage électrochimiquement-assisté (EASA), organisés et orientés, ont été développées. Au préalable, avant de se concentrer sur les films fonctionnalisés proprement dits, nous avons caractérisé les propriétés de perméabilité de tels films vis-à-vis de sondes redox en solution différemment chargées (neutre, Fc(MeOH)2, positive, Ru(NH3)63+, négatives, Fe(CN)63-/4-), démontrant une limitation électrostatique pour les anions. Ceci nous a amené à étudier l'amplification de la réponse électrochimique des sondes électroactives anioniques (Fe(CN)63-/4-) en présence d’un film de silice chargé négativement sur la surface de l’électrode en ayant recours à des médiateurs neutres ou chargés positivement. La fonctionnalisation de ces films minces de silice a été effectuée en combinant la méthode EASA pour obtenir un film de silice fonctionnalisé par de groupements azoture avec une réaction de couplage avec un groupe alcyne (l’éthynyl-ferrocène dans ce cas). La réponse électrochimique obtenue pour ces films isolants fonctionnalisés par des groupes ferrocene électroactifs est due à un mécanisme de saut d’électrons entre les sites électroactifs adjacents. L'oxydation électrochimique du ferrocène en ion ferricinium génère des charges positives qui sont compensées par l'entrée d'anions permettant une éventuelle détection ampérométrique indirecte d'anions non électroactifs. L’injection d’anions non-électroactifs dans une cellule électrochimique constituée par une électrode de travail fonctionnalisée par ces films de silice porteurs de groupements ferrocène, soumise à l’imposition d’un potentiel positif (+0,5 V), a donné lieu à une réponse ampérométrique proportionnelle à la concentration d'anions. La régénération de l’électrode par réduction du ferricinium était nécessaire afin d’éviter la diminution du signal électrochimique dû à la consommation progressive du ferrocène par des multiples analyses successives. Cette régénération a été réalisée in situ par une méthode ampérométrique à onde carrée. Le films mésoporeux orientés peuvent également être fonctionnalisés par des complexes à base de ruthénium du type [Ru(bpy)2(bpy')]2+ en adaptant la méthode décrite auparavant. Le succès de la fonctionnalisation est vérifié par électrochimie et aussi par spectroscopie UV-Vis au travers de la bande MLCT caractéristique du complexe immobilisé. Une étude plus approfondie est effectuée lors du transfert de charge (saut d'électrons le long des sites adjacents) et le transport de masse de l’anion compensateur de charge au travers des canaux mésoporeux en faisant varier la vitesse de balayage en potentiel. Les propriétés de luminescence de ces films ont été étudiées en présence et en absence d’oxygène, évaluant la possibilité d'utiliser ce type de film pour des applications telles que l'électrochimiluminescence ou la détection d’oxygène. Finalement, ces films à base silice orientés ont été utilisés pour la croissance de nanofilaments de polyaniline (PANI). Ces nanofilaments de polyaniline ordonnée sont générés par voie électrochimique de manière contrôlée. Etant donnée la taille des mésopores (2 nm de diamètre), des chaînes PANI quasi-uniques sont vraisemblablement produites. À partir d'expériences de chronoampérométrie, sur base de films de différentes épaisseurs (100-200 nm), il est possible de prouver l’existence de plusieurs étapes d'électropolymérisation. Chaque étape de la formation du polymère (période d'induction, croissance de la polyaniline au sein et en dehors des canaux mésoporeux) est clairement identifiée. La génération de nanofilaments de polyaniline isolés est démontrée par l'amélioration de la réversibilité entre les états conducteurs et non-conducteurs de la polyaniline. La possibilité de contrôler et d'adapter la croissance des nanofilaments polymères conducteurs offre de nombreuses possibilités [...]
In this work, we exploited the vertically-aligned mesoporous silica thin films generated by electro-assisted self-assembly (EASA). First of all, we present a study about the amplification of charge transfer of a repulsed anionic redox probes [i.e. Fe(CN)63-/4-] through the negatively charged silica film by using neutrally or positively charged redox probes [Fc(MeOH)2 or Ru(NH3)63+ respectively] through redox mediating processes. Furthermore, the functionalization can be conducted by combining EASA method to obtain azide-functionalized silica film and further letting it react with an ethynyl-bearing reactant (e.g. ethynyl-ferrocene) according Huisgen click chemistry. The resulting ferrocene-functionalized silica films are electroactive, involving an electron hopping mechanism between adjacent ferrocene moieties. The electrochemical oxidation of ferrocene into ferricinium ion generates positive charges that are compensated by the ingress of anions into the film, opening the door to possible indirect amperometric detection of non-electroactive anions by flow injection analysis. Operating in an electrolyte-free flow, each injection of an anion (e.g., NO3-) at an electrode biased at a suitable positive potential (i.e., +0.5 V) gave rise to an amperometric response proportional to the anion concentration. However, to avoid the decrease of the electrochemical signal due to the progressive consumption of ferrocene in multiple successive analyses, it was necessary to regenerate the electrode by reduction of ferricinium moieties, which can be achieved in-situ by square wave amperometry. The feasibility to apply such indirect amperometric detection scheme in suppressed ion chromatography (for detecting anions in mixture) was also demonstrated. The oriented mesoporous film can also be functionalized with ruthenium(II)bipyridyl complex [Ru(bpy)2(bpy’)]2+ using the same method. Optimization of the functionalization level is controlled electrochemically by cyclic voltammetry (CV) and monitored through the UV-vis spectra. Further study is conducted upon the charge transfer (electron hopping along the adjacent sites) and the mass transfer of the compensating counter anion through the mesochannels by varying the CV potential scan rate. The emission of the [Ru(bpy)2(bpy’)]2+-functionalized film and its quenching in the presence of oxygen are evidenced in both aqueous and organic solvent, giving opportunities to apply the film for different application, such as electrochemiluminescence sensor and oxygen detection. Lastly, the vertically-aligned mesoporous silica film is used as a hard template to grow polyanilinine nanofilaments. The growth of ordered polyaniline nanofilaments is controlled by potentiostatic polymerization. In such small pore template (2 nm in diameter), quasi-single PANI chains are likely to be produced. From chronoamperometric experiments and using films of various thicknesses (100−200 nm) it is possible to evidence the electropolymerization transients, wherein each stage of polymerization (induction period, growth, and overgrowth of polyaniline on mesoporous silica films) is clearly identified. The advantageous effect of mesostructured silica thin films as hard templates for the generation of isolated polyaniline nanofilaments is demonstrated from enhancement of the reversibility between the conductive and the nonconductive states of polyaniline and the higher electroactive surface areas displayed for all mesoporous silica/PANI composites. The possibility to control and tailor the growth of conducting polymer nanofilaments offers numerous opportunities for applications in various fields including energy, sensors and biosensors, photovoltaics, nanophotonics, or nanoelectronics

Alors que le procédé sol-gel a été fortement étudié il existe peu d’études concernant le procédé sol-gel photoinduit. Le principe repose sur la libération in situ d’espèces acides ou basiques photogénérées capables d’amorcer les réactions d’hydrolyse et de condensation caractéristiques du procédé sol-gel. L’alternative photoinduite est particulièrement adaptée pour préparer des films minces et possède de nombreux avantages tel qu’une formulation de départ stable, sans solvant et photolatente ainsi que des vitesses de réactions plus importantes. À partir de précurseurs inorganiques simples, nous avons dans un premier temps réalisé une étude mécanistique et cinétique de ce procédé en catalyse acide. Puis l’influence de différents paramètres physiques, chimiques et photochimiques sur les vitesses de réactions a été évaluée. Une comparaison avec un système similaire en catalyse basique a aussi été réalisée.Dans un second temps, nous nous sommes intéressés à appliquer ce procédé photoinduit pour la préparation de films de silice mésoporeuse. Un tensioactif de type copolymère tribloc a été ajouté au précurseur inorganique de départ. La faisabilité d’une approche photochimique à partir de formulation sans eau ni solvant a d’abord été étudiée, des films mésoporeux ont été obtenus. Puis, nous nous sommes intéressés à la compréhension des 2 mécanismes interdépendants : le mécanisme d’assemblage du tensioactif et la condensation du réseau inorganique. Par la suite, le système a été optimisé pour aboutir à un contrôle précis de la structure et de la taille des pores. Enfin, une dernière étape a consisté à éliminer la partie organique (pour libérer la porosité) grâce à l’UV
Whereas sol-gel process has been extensively studied almost no papers concerning photoinduced sol-gel process subsists. This later is based on in situ generation of acids or basics species able of initiating hydrolysis and condensation reactions happening on sol-gel process. This photoinduced alternative is particularly adapted for preparation of thin films and has lots of advantages such as photolatent, stable, solvent and water free initial formulation along with faster reaction rates. In one hand, from simple inorganic precursors, a kinetic and mechanistic study of the photoacid-catalyzed sol-gel reactions was realized. Then, we attempt to define what chemical, physical and photochemical parameters determine the precise sequence, kinetics and advancement of these reactions under different processing conditions Furthermore, an equivalent photobase-catalyzed sol-gel process has been also studied thoroughly. In a second hand, we focus on application of this photoinduced process for the preparation of mesoporous silica films. A triblock copolymer surfactant was added to the initial inorganic precursor. Feasibility of this photochemical approach from water and solvent free formulation was first investigated and mesoporous films were obtained. Then, we work on understanding the two interdependent mechanisms: surfactant self-assembly and inorganic network condensation. The system was after that optimized in order to have a precise control of pore size and structure. Finally, the last point involves organic photodegradation in order to liberate porosity

Dans cette thèse, nous présentons la détection électrochimique des herbicides, c'est-à-dire le paraquat et l'isoproturon dans des échantillons aqueux. Leur utilisation intensive est une source de contamination de l'environnement et leur toxicité constitue une menace pour la santé. La détection électrochimique est une technique prometteuse et avantageuse par rapport aux méthodes de détection conventionnelles en raison de ses propriétés telles que l'analyse rapide, la facilité d'utilisation, la rentabilité et la sensibilité élevée résultant de la modification de l'électrode de travail. Ici, nous avons modifié les électrodes modifiées avec des films minces de silice mésoporeuse pour agir comme capteurs d'herbicide. Ces électrodes ont été modifiées par un processus d'auto-assemblage assisté par électrochimie, un processus bien établi pour la modification des électrodes par notre groupe. Dans la première partie, l'adhérence du film de silice mésoporeux aux électrodes de carbone a été améliorée à l'aide d'une amine primaire qui a agi comme colle moléculaire pour une meilleure fixation de ces films à la surface des électrodes. Dans la partie suivante, ces électrodes modifiées ont été utilisées pour la détection électrochimique des herbicides susmentionnés. Les électrodes modifiées ont montré une sensibilité accrue et une limite de détection basse par rapport aux électrodes non modifiées. L'effet des différents paramètres de la solution ainsi que l'épaisseur du film et la géométrie de l'électrode ont également été étudiés et ont un impact critique sur la sensibilité du système
In this thesis, we present the electrochemical detection of herbicides i.e. paraquat and isoproturon in aqueous samples. These herbicides are used worldwide extensively for weed control in different crops. Their intensive use is a source of environmental contamination and their toxicity is a threat to Human health. Electrochemical sensing is a promising and advantageous technique as compared to conventional detection methods due to its properties such as rapid analysis, ease of operation, cost effectiveness and high sensitivity as a result of working electrode modification. Here, we modified electrodes modified with mesoporous silica thin films to act as herbicide sensors. These electrodes were modified by electrochemically assisted self-assembly process, a well-established process for electrode modification by our group. In the first part adhesion of mesoporous silica film at carbon electrodes was improved with the help of a primary amine which acted as molecular glue for better attachment of these films at electrodes surface. In the next part these modified electrodes were used for electrochemical detection of above stated herbicides. Modified electrodes showed enhanced sensitivity and low limit of detection as compared to unmodified ones. Effect of different solution parameters as well as film thickness and electrode geometry was also studied and found to have critical impact on sensitivity of the system