Dissertations / Theses on the topic 'Forces électrostatiques'

This doctoral research aims to deepen knowledge on the impact of electrostatic forces on powder rheology. The initial focus of this thesis was to answer the following question:"Does the presence of electrostatic charges on a pharmaceutical powder carrier have an influence on the spatial lubricant distribution over the carrier particles and thus on the granular rheology?". After the development of an electrification setup and many experiments, the answer to this question turns out to be negative. However, this question led us to discover several phenomena, such as deformation mechanisms of powder columns during shear tests with the FT4 rheometer; and the formation of self-assemblies after the imposition of electrostatic charges on pharmaceutical excipients. These phenomena are explored in this thesis. Therefore, we demonstrate the inability of a FT4 rheometer to conduct shear tests when pharmaceutical formulations are lubricated with magnesium stearate. Indeed,"monolithic cake" behaviour appears. Two numerical models (method of characteristics and analysis of Janssen) are used to assess the stress state and explain this particular case. In addition, a characterization of the shape and particle size distribution of the electrostatic self-assemblies is presented in this thesis. Finally, the previous parts of this thesis showed the importance of wall friction effects during shear tests. Thus, a final part of this thesis focuses on the mechanism of wall lubrication.This latest effort brings us back to the study of the influence of electrostatic forces on powder rheology. Indeed, a high variability with the wall friction results is obtained with unlubricated powders at a relative humidity of 20%. The presence of magnesium stearate and/or higher humidity conditions reduces this variability. However, some tests indicate that electrostatic phenomena are part of the explanation.

Les lois qui régissent le monde macroscopique ne s'appliquent pas toujours aux nanodomaines. Beaucoup de problèmes sont rencontrés lors de micromanipulations. Ces problèmes nécessitent d'être étudiés afin de pouvoir concevoir et produire des outils performants en micromécanique. A l'échelle microscopique, les forces qui prédominent sont les forces de van der Waals, de capillarité et électrostatiques. Ce travail a pour thème les forces électrostatiques car elles sont les moins étudiées. Le but de ce projet est le développement d'un outil de simulation afin d'étudier les forces électro\-statiques adhésives. Ce problème implique la compréhension de certains mécanismes comme l'électrification de contact. En pratique, le but sera de trouver des solutions pour contrôler les forces électrostatiques lors de la conception de micromanipulateurs et de développer des stratégies pour la micromanipulation. Ceci est possible grâce à un outil de simulation et à l'étude de la littérature. La particularité des simulations repose sur la prise en compte des paramètres de rugosité grâce à l'utilisation de la fonction fractale de Weierstrass-Mandelbrot. La première partie est dédiée à la revue de la littérature afin de comprendre les principes fondamentaux de l'électrostatique, les applications, et de répertorier les modèles de prédiction existants. Un outil de simulations est présenté et validé dans la seconde partie ainsi que le choix de la représentation fractale de la rugosité. Enfin, un banc de mesures de nano-forces est présenté qui permet de valider les résultats des simulations.

Pouvoir accéder de manière fiable aux propriétés électriques des matériaux isolants permet à la fois d'améliorer leurs performances et de développer une connaissance théorique de leur comportement, étroitement lié à leurs caractéristiques physico-chimiques et microstructurales. Parmi les nombreuses méthodes développées à ce jour afin d'étudier des isolants soumis à un champ électrique et, ce, jusqu'à leurs ultimes limites de résistance a la rupture diélectrique, les mesures de forces électrostatiques ont été peu utilisées. Pourtant, l'utilisation des forces comme moyen de mesure sans contact du champ électrique présent au voisinage d'un isolant représente une voie instrumentale prometteuse que cette thèse a explorée. Deux prototypes originaux ont été conçus, réalisés et mis au point. Les géométries de la zone d'interaction électrique avec l'isolant ont été choisies afin de permettre une modélisation précise de la réponse des dispositifs. L'accent a été porté principalement sur le dispositif dont la sonde de mesure est une électrode sphérique submillimétrique polarisée, et déplaçable au voisinage de la surface du diélectrique. Son étude instrumentale détaillée a permis de vérifier la précision des mesures des forces mises en jeu et de définir les conditions d'application des modèles d'interprétation. La limite de détection de charges électriques atteint 10-14 c avec une résolution latérale submillimétrique. A l'issue de cette étude statique, a été ébauchée l'investigation de la dynamique de réponse de quelques isolants soumis à un champ électrique quasi statique et inhomogène. S'appuyant sur l'extrême sensibilité de l'appareil, les études de conductivité ne nécessitent pas de recourir à une implantation préliminaire de charges excédentaires. Des comportements non-ohmiques sont clairement mis en évidence.

Les convoyeurs électrostatiques à ondes progressives (COP) et stationnaires (COS) se présentent comme des moyens avantageux pour manipuler et transporter efficacement des particules sur une surface. L’objectif de cette thèse est d’étudier le comportement de particules diélectriques micrométriques sur ces systèmes. Les études expérimentales commencent par la caractérisation granulométrique et optique des particules et l’analyse de leur charge. Ensuite, l’efficacité de déplacement des particules par les deux types de convoyeurs est étudiée dans différentes conditions. Par ailleurs, les trajectoires des particules sont visualisées en utilisant une caméra ultra rapide. Un post-traitement des images obtenues en utilisant la vélocimétrie par suivi de particules (PTV) est mené pour calculer et étudier la vitesse des particules en fonction de différents paramètres. Les études théoriques et numériques menées avaient pour objectif d’étudier les ondes du potentiel électrique, la variation spatio-temporelle du champ électrique, et le bilan des forces mises en jeu. La dernière partie concerne la modélisation des trajectoires et le calcul numérique de la vitesse moyenne, ainsi que de la distance de déplacement des particules. Les résultats obtenus par modélisation sont en accord avec les observations et les calculs expérimentaux. Plusieurs modes de mouvement sont obtenus en fonction de la fréquence, la tension, la charge et la taille des particules. Les particules sont transportées plus efficacement dans le COP lorsqu’elles sont en mode synchrone sautillant. L’augmentation du nombre de phases permet à la fois de minimiser l’effet des ondes harmoniques inverses et d’augmenter la vitesse de propagation de l’onde directe ; cela mène à un déplacement plus rapide et plus loin des particules dans une seule direction, ce qui augmente l’efficacité du système
Traveling and standing wave electrostatic conveyors (TWC and SWC) are presented as advantageous techniques to effectively manipulate and transport particles on a surface. The aim of this work is to study the behavior of micrometer particles on these systems. Experimental studies begin with granulometric and optical characterization of particles and the measurement of their charge. Then, the particles displacement efficiency in both types of conveyors is studied under different conditions. In addition, the trajectories of the particles are visualized using high speed camera. The post-processing of the obtained images using Particle Tracking Velocimetry technique (PTV) is carried out to calculate and study the particles mean velocity and how it is affected by different parameters. The theoretical and numerical studies carried out aim to study the electric potential waves, the spatial and temporal variation of the electric field and the balance of the forces acting on particles. The last part concerns the modeling of particles trajectories and the numerical computation of their average velocity and displacement distance. The results obtained by modeling are in good agreement with the experimental observations and calculations. Several modes of movement are obtained depending on frequency, applied voltage value, as well as particle charge and size. Particles are transported more efficiently in the TWC when they are in synchronous hopping mode. Increasing the number of phases can minimize the effect of the backward harmonic waves and increase the speed of propagation of the forward wave that may help the particles to move faster and farther in one direction and lead to better displacement efficiency

Le lois qui régissent le monde macroscopique ne s’appliquent pas toujours aux nanodomaines.

Beaucoup de problèmes sont rencontrés lors de micromanipulations. Ces problèmes nécessitent d’être étudiés afin de pouvoir concevoir et produire des outils performants en micromécanique. A l’´echelle microscopique,

les forces qui prédominent sont les forces de van derWaals, de capilarité et électrostatiques.

Ce travail a pour thème les forces électrostatiques car elles sont les moins étudiées.

Le but de ce projet est le développement d’un outil de simulation afin d’étudier les forces électrostatiques adhésives. Ce problème implique la compréhension de certains mécanismes comme l’électrification de contact. En pratique, le but sera de trouver des solutions pour contrôler les forces électrostatiques lors de la conception de micromanipulateurs et de développer des stratégies pour la micromanipulation. Ceci est possible grâce à un outil de simulation et à l’étude de la littérature. La particularité

des simulations repose sur la prise en compte des paramètres de rugosité grâce à l’utilisation de la

fonction fractale de Weierstrass-Mandelbrot.

La première partie est dédiée à la revue de la littérature afin de comprendre les principes fondamentaux de l’électrostatique, les applications, et de répertorier les modèles de prédiction existants. Un outil de simulations est présenté et validé dans la seconde partie ainsi que le choix de la représentation fractale de la rugosité. Enfin, un banc de mesures de nano-forces est présenté qui permet de valider

les resultats des simulations.
Doctorat en Sciences de l'ingénieur
info:eu-repo/semantics/nonPublished

La microscopie à force atomique (AFM) dynamique est née il y a maintenant presque quinze ans (Albrecht, 1991). Depuis la première image en résolution atomique (F. J. Giessibl, 1995), les avancées de cette technique de champ proche permettent aujourd'hui de manipuler des atomes à température ambiante (Oyabu, 2005) sur des surfaces conductrices ou isolantes. La compréhension du fonctionnement de cette machine complexe et l'optimisation des réglages des nombreux asservissements est un des objectifs de ce travail de thèse. A cette fin, un formalisme analytique provenant des méthodes de l'Automatique non linéaire (J. Ch. Gille, 1956) sera introduit pour traiter de façon naturelle les blocs de régulation de la machine mais aussi pour traiter l'interaction pointe-surface comme une fonction de transfert. Un outil numérique de simulation confirmera notre approche théorique. Dans un deuxième temps, le rôle capital de la sonde et sa caractérisation seront traités à travers une méthode expérimentale simple et originale. Cette méthode se base sur l'étude des changements des propriétés de résonance de la sonde oscillante sur des surfaces isolantes et conductrices. Les forces conservatives à longue portée du type électrostatique et van der Waals seront quantifiées. Les forces à courte portée essentiellement chimiques seront mises en évidence en mesurant la dissipation de la sonde oscillante en fonction de sa distance avec la surface. Nous finirons cette étude en montrant expérimentalement, sur un sytème MoS2/îlots d'or/molécules d'octanedithiol, la grande versatilité de ce microscope. En effet, cet appareil d'observation par sa complexité apparente laisse beaucoup de degrés de liberté à l'utilisateur pour aborder l'étude d'un tel système physicochimique. Des perspectives seront données pour améliorer la stabilité et le pouvoir de résolution des pointes qui permettraient de rendre pérenne cette technique de champ proche.

Cette étude vise à une meilleure compréhension des phénomènes rencontrés en filtration des aérosols nanométriques, c’est-à-dire inférieurs à 100 nm, neutres et/ou chargés. Pour ce faire, trois différents types de média ont été étudiés : des grilles, en acier et matières synthétiques, des filtres non tissés, en fibres de verre ou polymériques, et des lits granulaires, constitués de billes d’acier ou de zéolithe. Il ressort des résultats expérimentaux obtenus que quel que soit le média testé, l’efficacité de collecte des particules augmente lorsque le diamètre de l’aérosol diminue, et ce jusque 4 nm. Ceci entre en contradiction avec l’approche théorique dite du rebond thermique, développée par Wang et Kasper en 1991, selon laquelle l’efficacité de collecte serait susceptible de diminuer en-dessous de 10 nm. La vérification des calculs de Wang et Kasper permet d’expliquer cette incohérence, et montre, à partir de valeurs plus réalistes de l’énergie d’adhésion particule-fibre, que si le rebond thermique existe, celui-ci ne pourra se manifester qu’en-dessous de 1 nm, au mieux. Ainsi, les perméances expérimentales des différents médias testés ont pu être modélisées en tenant compte des mécanismes de collecte par diffusion et/ou par effets électrostatiques. Une étude originale sur les performances, dans le domaine nanométrique, de filtres en fibres de verre intentionnellement percés complète ce travail. Pour un même média fibreux, la perméance augmente avec le diamètre de perforation réalisée. Par ailleurs, pour une taille de perforation donnée, la perméance devient indépendante du diamètre des particules en-dessous d’une taille limite, fonction de la dimension de la perforation. Il a enfin été mis en évidence que la baisse d’efficacité est d’autant plus importante que la résistance à l’écoulement de l’air du filtre est importante. Un modèle semi-empirique, fondé sur la différenciation du flux d’aérosol traversant la fuite du flux traversant le matelas fibreux résiduel du filtre, permet de bien représenter ces états de fait
This study aims to better understand the mechanisms encountered in nanoparticles aerosol filtration, the particles being charged or not. Three different types of media were studied: stainless steel or synthetics wire screens, unwoven filters in glass or polymer fibres, and at last, granular beds made from steel or zeolite balls. Experimental results show that, whatever the media, collection efficiency increases as the particle diameter decreases down to 4 nm. This point conflicts with the so-called thermal rebound effect developed by Wang and Kasper in 1991, according to which collection efficiency could decrease below 10 nm. The checking of Wang and Kasper’s calculations enables to explain this discrepancy and shows from more probable particle-to-fibre adhesion energy values that if thermal rebound phenomenon exists, it would only be measurable below 1 nm. Then, experimental points can be modelled from both diffusion and electrostatic forces collection mechanisms. An investigation on the filtration behaviour of fibreglass filters in the nanometric domain when intentionally-pierced with calibrated needles completes the above-mentioned works. For a same media, penetration increases as the leak diameter does. On the other hand, for a given hole size, penetration becomes independent of the particle diameter below a critical scale, which is a function of the leak diameter. It was lastly shown that the efficiency of a pierced media decreases all the more that its air flow resistance is higher. A semi-empirical model based on the differentiation between the aerosol flow across the leak and the one through the residual fibrous bed of the filter enables to well represent these points

L'étude ici développée traite de deux aspects de la microfluidique : l'hydrodynamique d'écoulements liquides en microtubes et l'ébullition convective en minicanaux. Le dispositif et la méthode de traitement développés dans la première partie du mémoire permettent d'obtenir le nombre de Poiseuille d'écoulements laminaires liquides avec une précision inférieure à 4%. L'étude met en évidence une croissance du nombre de Poiseuille pour les écoulements d'eau distillée, d'eau de ville et des solutions de KCl au sein de microtubes en silice de diamètres allant de 540 à 52 µm. L'origine des écarts à la théorie classique en macroconduites a été recherchée. Une des hypothèses vraisemblable est l'effet de la Double Couche Electrique due aux ions contenus dans le fluide et à la surface interne du microtube chargée électrostatiquement. Dans la seconde partie du manuscrit, nous mettons en évidence l'influence du confinement pariétal sur un écoulement avec changement de phase liquide-vapeur au sein d'un minicanal vertical. Deux régimes d'ébullition sont observés : stationnaire avec des structures d'écoulements classiques et instationnaires dues à une production importante de vapeur. Dans ce dernier cas, nous distinguons les fluctuations de couplage et les fluctuations intrinsèques à l'écoulement confiné. Un critère de déclenchement des instationarités permet d'accéder à une grandeur adimensionnelle. Une loi d'échelle est alors proposée pour les écoulements diphasiques dans les minicanaux. Il en est de même pour les transferts thermiques.

Ce manuscrit d'HDR comprend trois parties comprenant pour certaines plusieurs chapitres. Mes travaux de recherche depuis le post-dosctorat (2001) jusqu'à 2012 y sont présentés synthétiquement. Ceux-ci concernent les thématiques de microscopie à force atomique en mode non-contact et de microscopie de sonde de Kelvin appliquées à la caractérisation structurale et à la mesure des propriétés électroniques de phases de molécules organiques adsorbées sur des surfaces de sels alcalins sous ultra-vide.

Cette these presente, tout d'abord, les resultats issus d'un modele numerique : le modele des charges equivalentes pour calculer la force electrostatique s'appliquant sur une pointe de microscope a force atomique. Ce modele nous permet de determiner les limites des approximations habituellement utilisees pour le cas d'une pointe conductrice en face d'un plan conducteur. Puis, nous determinons l'importance des differents composants du capteur en mode resonant et statique. Plus particulierement, nous montrons, en accord avec l'experience, l'effet predominant du levier pour de grandes distances pointe - echantillon et determinons les moyens de corriger ce phenomene. Enfin, au moyen de la methode des charges equivalentes et de celle des elements finis, nous simulons le balayage au-dessus de surfaces comportant diverses heterogeneites electriques et topographiques. Ces simulations nous permettent d'etablir des relations existant entre la resolution spatiale, les caracteristiques geometriques de la pointe et la distance pointe - echantillon en microscopie a force electrostatique.

Les techniques de microscopie en champ proche se sont fortement diversifiées au cours des dernières années et ne sont plus désormais cantonnées aux seuls laboratoires experts dans le domaine mais sont exploitées plus largement par les spécialistes des matériaux et des 'micro-' ou 'nano-'objets. Pour ce qui concerne les matériaux diélectriques, des techniques dérivées de la microscopie à force atomique -AFM-, telles que la microscopie à force électrostatique -EFM, ou à force de Kelvin -KFM, permettent d'obtenir de nouvelles informations, à l'échelle nanométrique, sur l'état de charge des isolants et sur leur capacité à stocker/dissiper les charges. Cependant, ces techniques ne permettent pas de connaître précisément la répartition spatiale de la charge en latéral et en profondeur dans les matériaux isolants, données indispensables pour une meilleure compréhension des phénomènes de transport et de piégeage de charges. C'est pourquoi, nous nous sommes intéressés aux courbes de forces électrostatiques comme nouvel outil susceptible de permettre la localisation de la charge. L'objectif de la thèse est donc de comprendre le lien entre l'allure de la courbe de force et le positionnement spatial de la charge dans le matériau. Pour ce faire, deux études sont menées en parallèle : une étude expérimentale et une étude par modélisation numérique. Les travaux de recherche sont focalisés principalement sur la partie simulation de la sonde AFM par une modélisation électrostatique des phénomènes physiques en jeu. Un des verrous à lever dans ces travaux est la disparité d'échelle des objets modélisés et le caractère tridimensionnel du système. Dans cet objectif, un modèle mathématique pour l'étude des interactions électrostatiques entre une pointe AFM et la surface d'un matériau diélectrique a été développé en 2D. La discrétisation des équations décrivant le système est basé sur un nouveau schéma numérique du type volumes finis d'ordre élevé obtenu par le principe de la reconstruction polynômiale. Ce premier modèle a permis de comprendre l'influence de la géométrie de la pointe, notamment le rayon de courbure de l'apex et l'angle de demi-ouverture, sur l'aspect qualitatif et quantitatif des courbes de force. Les résultats montrent, par exemple, que plus le rayon de courbure de la pointe est faible plus la courbure de la courbe de force est prononcée. Ces résultats sont conformes à l'expérience. Pour parfaire notre étude sur la géométrie de la pointe, un premier modèle en 3D a été développé à l'aide du logiciel commercial Comsol Multiphysics(r). Plusieurs formes de pointe ont été testées : conique, tétraèdre et pyramidale. Les courbes de forces obtenues par simulation ont été comparées aux données expérimentales permettant ainsi de trouver une forme optimale représentative de la pointe réelle. Un deuxième modèle en 3D basé sur les équations électromécaniques a été développé pour prendre en compte l'effet du bras de levier sur les courbes de force. Les résultats obtenus montrent que le bras de levier ne modifie pas la forme de la courbe de force obtenue par la pointe seule mais rajoute simplement une composante continue sur celle-ci
The Scanning Probe Microscopy techniques (SPM) are highly diversified and no longer confined to expert laboratories, being widely used by material scientists for "micro" or "nano" applications. The use of Atomic Force Microscopy (AFM), and techniques derived from it, such as Electrostatic Force Microscopy (EFM) or Kelvin Force Microscopy (KFM), provides a considerable advantage allowing the acquisition of new information down to nanoscale, such as the charge state of dielectric materials and their ability to store and dissipate charges. However, these techniques do not allow to precisely know the spatial distribution of the lateral and deep distribution of the space charge in the insulating materials, required for a better understanding of the phenomena of transportation and charge trapping data. For this purpose, we are interested in the electrostatic force distance curve -EFDC- as a new tool to allow the location of the space charge. The aim of the thesis is to understand the relationship between the shape of the force curve and the spatial positioning of the space charge in the material. To do this, two studies were conducted in parallel: an experimental study and a study by numerical modeling. The research work here is focused mainly on the simulation of the AFM probe by electrostatic modeling of physical phenomena. One of the difficult obstacles to do in this work is the taken in account disparity of scale objects modeled and the three-dimensionality of the system. For this purpose, a mathematical model for the study of electrostatic interactions between an AFM tip and the surface of a dielectric material has been developed in 2D. The discretization of equations describing the system is based on a new numerical scheme of high order finite volume method obtained by the principle of polynomial reconstruction operator. This first model was used to understand the influence of the geometry of the tip, including the radius of curvature of the apex and the half-opening angle on the qualitative and quantitative aspects of the force curves. The results show, for example, more than the radius of curvature of the tip is smaller the curvature of the force curve is pronounced

L’étude des propriétés singulières de nanoparticules colloïdales synthétisées par voie chimique et leur intégration dans des nano-composants requiert leur assemblage dirigé sur des zones parfaitement définies et localisées de surfaces solides. L’objet de cette thèse est le développement d’une méthode d’assemblage dirigé originale: la nanoxérographie par microscope à force atomique (AFM). Cette technique consiste à injecter localement, sur des zones spécifiques, des charges électrostatiques dans un matériau électret par l’intermédiaire d’une pointe d’AFM. Ces charges servent ensuite de pièges électrostatiques sur la surface pour les nanoparticules en solution. Dans le cadre de ce travail, l’injection, la rétention de charges dans de fines couches électrets de PolyMéthylMéthAcrylate (PMMA) et la quantification des densités de charges surfaciques des motifs chargés, ont été étudiées grâce au mode électrique dérivé de l’AFM, le microscope à force Kelvin (KFM). L’étude de l’assemblage de nanoparticules de différentes natures (métal, polymère (organique ou inorganique)), de taille moyenne variable dans un large domaine (2 nm - 1µm) et de potentiel zêta contrôlé a permis d’analyser les mécanismes de dépôt et de montrer les performances de la méthode et son aspect générique. Enfin deux techniques d’injection de charges parallèles ont été mises en place afin d’offrir des perspectives industrielles: le microcontact printing électrique et la nanoimpression électrique
The study of original properties of colloidal nanoparticles and their integration into nanodevices requires their assembly onto specific areas of solid surfaces. The aim of this thesis work is to develop an innovative method for the directed assembly of colloidal nanoparticles: the nanoxerography process by atomic force microscope (AFM). This technique consists in injecting charges into electrets using an AFM tip. The injected charges are then used to electrostatically trap nanoparticles from suspensions onto the surface. In this context, the charge writing and charge decay in PolyMethyMethAcrylate (PMMA) thin films were studied and the charge density of the charged patterns were quantified using Kelvin force microscope (KFM), an electrical mode of AFM. Assemblies of nanoparticles of different nature (metallic, polymeric (organic and inorganic)), with average sizes extending over a large range (2 nm to 1 µm) and controlled zeta potential were obtained on PMMA thin films. This allowed the analysis of assembly mechanisms and demonstration of the excellent performance of the method. Finally, two techniques of parallel charge writing, viz., the electrical microcontact printing and the electrical nanoimprinting were explored with the prospect of extending the nanoxerography process to industrial scale

Les simulations de dynamique moléculaire sont un outil pertinent pour apporter une compréhension et interprétation fines des expériences de spectroscopie vibrationnelle. Compte tenu de la taille des systèmes bio-moléculaires étudiés expérimentalement, il faut avoir recours à des simulations de dynamique moléculaire classique, c'est-à-dire qui reposent sur des champs de forces classiques. Cette thèse s'inscrit dans le cadre du développement d'un champ de forces classique, spécifiquement dédié aux calculs de spectroscopie infrarouge de bio-molécules. Nous y développons la partie électrostatique de ce champ de forces. La force et l'originalité de ce travail résident d'une part, sur un ajustement des paramètres à partir de dynamiques moléculaires ab initio de type Car-Parrinello, et d'autre part, sur l'utilisation d'un modèle électrostatique de charges variant avec les coordonnées internes moléculaires. Notre méthode est appliquée avec succès sur des polypeptides d'Alanine. Elle permet de reproduire les spectres de référence dans la zone 1000-2000 cm-1 qui correspond aux modes Amide I, II et III, qui sont spécifiquement employés pour caractériser les structures des peptides et protéines. Nous nous limitons à cette zone spectrale dans ce travail
Molecular dynamics simulations is the proper tool giving a precise interpretation and comprehension of vibrational spectroscopy experiments. As our interests lie in the vibrational spectroscopy of biomolecules, classical molecular dynamics simulations should be performed, thus relying on empirical classical force fields. This thesis is thus dedicated to the development of a biomolecular classical force field specifically to be used in the context of vibrational infrared spectroscopy. To that end, we have developed an electrostatic model, in which the parameters are fitted from ab initio Car-Parrinello molecular dynamics simulations, which is the strength of the present developments. We have more specifically developed an electrostatic fluctuating charge model in which the charges linearly fluctuate with the molecular internal coordinates. Our method has been applied on Alanine polypeptides, and is shown to reproduce the ab initio reference spectra in the 1000-2000 cm-1 spectral domain which is characteristic of the Amide I, II and III modes of peptides and proteins

La Microscopie à Force Atomique (AFM) rapide et ses applications potentielles en nano-biotechnologie nécessite l’augmentation de la fréquence de résonance des sondes, constituées de levier résonant à quelques mégahertz. De plus, lors du passage en liquide, la fréquence de résonance ainsi que le facteur de qualité sont dégradés tandis que le système optique de mesure gagne en complexité. Les travaux présentés dans ce manuscrit proposent de remplacer le levier standard de l’AFM par un microsystème résonant à haute fréquence, présentant un facteur de qualité élevé et dont l’actionnement comme la détection seront intégrés. Après un état de l’art de l’AFM et de l’apport potentiel des microsystèmes pour la discipline, les détails de la conception d’une sonde basée sur un anneau en silicium vibrant suivant un mode elliptique munie d’une pointe sont présentés. Le procédé technologique 3D de fabrication collective sur substrats des sondes est détaillé. La pointe, dont l’apex présente un rayon de courbure nanométrique, est fabriquée par gravure chimique. L’actionnement électrostatique et la détection capacitive mettent en jeu un entrefer de 80nm auto-aligné. Un ensemble de caractérisations électriques et optiques permettent de mesurer et de calibrer les sondes avant leur montage sur un scanner AFM commercial. L’imagerie sur des échantillons biologiques, des origamis d’ADN, à l’aide d’une sonde fonctionnant à 11MHz et présentant un facteur de qualité à l’air de 1300 conclue ce manuscrit. La résolution en force obtenue est de 5pN.Hz-1/2
High speed Atomic Force Microscopy (AFM) and its potential applications in nanobiotechnology need to increase the resonance frequency of the probes limited in the case of the usual cantilever to a few megahertz. The first chapter describes the state of the art of the AFM and focus on the potential of MEMS in this area. The second chapter treats of the conception of a sensor taking advantage of the high resonance frequency of a silicon bulk mode resonator integrating a nanotip fabricated in batch process. We describe in the next chapter the realization of MEMS-based AFM Nanoprobes with integrated in-plane nanotip and 80nm self-aligned capacitive transduction gaps. The probes are fabricated using a photolithographic process and deep reactive ion etching. Small gaps being critical to maximize the capacitive transduction, the self-aligned 80nm capacitive gaps are obtained by thermal oxidation of the resonator side walls and polysilicon refilling. A chemical wet etching defines the in-plane nanotip thanks to the selectivity between the silicon planes. The radius of the tip apex obtained is about 10-20nm.One probe, working at 11MHz and showing a Q factor of 1300 is optically and electrically fully characterized. The probe holder of a Multimode Veeco microscope is replaced by a dedicated circuit board supporting the MEMS probe. The sample is constituted by DNA origami which is bimolecular self-assembled structure programmed to form various geometric shapes. In this case, 50nm side and 2nm height squares of DNA deposited on mica surface are used. For this probe, the minimal detectable force is estimated at 5pN.Hz-1/2

Les propriétés électroniques de nanotubes de carbone sont étudiées par techniques de microscopie à force électrostatique (EFM) et de spectroscopie Raman. Les propriétés électrostatiques de nanotubes individuels monoparois et multiparois déposés sur des couches minces isolantes sont dans un premier temps mises en évidence par expériences d'injection de charges et mesures EFM. Après injection locale de charges par une pointe EFM, une délocalisation de charges est observée le long des nanotubes, qui correspond aux charges stockées dans les nanotubes et/ou aux charges piégées en surface de la couche d'oxyde le long des nanotubes. Ces deux effets sont dissociés expérimentalement. Les dynamiques de décharge (continue ou abrupte) de nanotubes chargés sont discutées, ainsi que les phénomènes d'exaltation de champ aux extrémités des nanotubes. Dans le cas des nanotubes multiparois, la mesure quantitative des densités linéiques de charge montre que l'électrostatique des nanotubes s'écarte des les lois classiques de l'électrostatique par plus d'un ordre de grandeur. On montre ainsi que les nanotubes multiparois ne se comportent pas comme des capacités cylindriques, mais développent une charge dans leurs parois internes. La spectroscopie Raman a été utilisée dans un second temps comme étude complémentaire des nanotubes, en corrélation avec les expériences EFM. Les spectres Raman permettent de déterminer le diamètre et la puretés des nanotubes, pour des nanotubes individuels, ainsi que pour des cordes ou des fagots de nanotubes, et enfin, d'appréhender le caractère semiconducteur ou métallique des nanotubes dans le cas de nanotubes monoparois.

Dans les milieux naturels, la matière solide est essentiellement présente sous la forme de (bio)particules molles perméables aux ions et aux flux hydriques. Ces particules sont sans cesse soumises à des perturbations électriques/mécaniques, de telle sorte que les propriétés physico-chimiques des (bio)interphases qu'elles forment avec le milieu évoluent continûment dans le temps. Les (bio)interphases ne sont donc pas nécessairement à l'équilibre durant les processus interfaciaux (interactions électrostatiques, complexation de métaux). Dans ce contexte, nous avons évalué théoriquement l'énergie d'interaction électrostatique à l'équilibre entre (bio)particules molles multicouches de tailles et de densités de charge arbitraires. Puis nous avons déterminé l'impact de la dynamique hors-équilibre des propriétés électriques de (bio)films mous ligands sur leur capacité à former des complexes avec des métaux. Le dernier modèle théorique élaboré a pour objectif l'analyse de la dynamique de (bio)interphases multicouches hétérogènes en régimes d'équilibre et hors-équilibre. Enfin nous avons analysé à l'équilibre, en alliant l'AFM et l'électrophorèse, les propriétés mécaniques et électriques de bactéries E. coli exprimant spécifiquement (ou non) des structures de surface différentes. Toutes ces études ont montré la nécessité de prendre en compte pour l'analyse de la réactivité de (bio)particules dans leur milieu environnant (i) une représentation fidèle des (bio)particules (mollesse mécanique et hydrodynamique, hétérogénéité spatiale de la structure molle) et (ii) l'impact de la dynamique spatio-temporelle des (bio)interphases sur les processus gouvernant leur réactivité
In natural media, the solid matter is mainly present as soft (bio)particles (bacteria, viruses, humic acids) which are permeable toward ions and hydric fluxes. These (bio)particles are unceasingly exposed to electrical/mechanical perturbations, so that the physicochemical properties of (bio)interphases, developed by (bio)particles with the medium, evolve continuously. (Bio)interphases are thus not necessarily at equilibrium during interfacial processes e.g. electrostatic interactions, complexation with metallic contaminants. Under such a context, we evaluated theoretically at equilibrium the electrostatic interaction energy between soft multilayered (bio)particles with arbitrary sizes and charge densities. We then determined the impact of non- equilibrium electric properties of soft ligand polymeric (bio)films on their ability to form complexes with metals. The aim of the last theoretical model developed here is to analyze the dynamics of multilayered heterogeneous (bio)interphases in both equilibrium and non-equilibrium regimes. Finally we analyzed at equilibrium, by coupling AFM and microelectrophoresis measurements, mechanical and electrical properties of bacterial strains Escherichia coli that specifically express (or not) different surface structures (pili, fimbriae, adhesin Ag43). All these studies highlighted the necessity to integrate for the analysis of (bio)particles reactivity with their surrounding medium (i) a close representation of soft (bio)particles (mechanical and hydrodynamic softness, spatial heterogeneity of the soft material) and (ii) the impact of spatiotemporal dynamics of (bio)interphases on the processes governing their reactivity

Grâce à leurs propriétés physiques/chimiques uniques, les nanoparticules colloïdales sont au cœur de nombreuses applications innovantes. Afin de faciliter leur caractérisation ou de les intégrer dans des dispositifs fonctionnels, il est nécessaire de les assembler de manière dirigée sur des surfaces solides. Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse est de mieux comprendre et d’optimiser la technique de nanoxérographie, méthode d’assemblage dirigé où des nanoparticules sont piégées sur des motifs de charges électrostatiques. Après un premier travail consistant à améliorer le procédé de nanoxérographie, trois problématiques spécifiques ont été adressées : (i) l’assemblage de particules micrométriques. Le couplage de simulations numériques et de manipulations expérimentales a permis d’identifier les paramètres clés de l’assemblage de telles particules colloïdales et d’élargir (facteur 100) la gamme de tailles de particules assemblables par nanoxérographie. (ii) l’analyse de l’assemblage multicouche. Par le biais de nanoparticules modèles luminescentes et par la mise en place d’un nouveau protocole d’assemblage, les critères clés génériques pour l’assemblage 3D de colloïdes par nanoxérographie ont été dégagés. (ii) l’assemblage dirigé de nanogels sensibles à un stimulus environnemental extérieur. L’utilisation d’un protocole d’assemblage optimisé a permis d’élaborer des assemblages de nanogels interactifs avec leur environnement et du faire du tri sélectif de ces nanoparticules sur une même surface
Owing to their unique physico-chemical properties, colloidal nanoparticles are building blocks for the creation of plentiful innovative devices. In order to make easier their characterization and to incorporate them into functional nano-devices, it is necessary to perfectly control their directed assemblies onto solid surfaces. In this context, this thesis’ purpose is to simultaneously better understand and optimize the nanoxerography method, which allows electrostatic and selective directing assemblies of nanoparticles onto charged patterns. After an optimization of the nanoxerography process, three specific problematics have been addressed: (1) micron-sized particles assembly. The combined use of numerical simulations and experiments enabled to unveil the key parameters involved in micron-sized particles assembly and to expend the particle size range foreseeable for an assembly by nanoxerography (factor 100). (2) the 3D assembly analysis. The influence of diverse parameters on the 3D assembly of luminescent model nanoparticles was quantified by using a new assembly protocol. The results gave the generic key criterions for the 3D assembly of colloids by nanoxerography. (3) directed assembly of nanogels sensitive to an external environmental stimulus. The use of an optimized protocol allowed elaborating nanogels assemblies interactive with their environment and to sort these nanoparticles onto the same surface

Le travail présenté dans cette thèse concerne l'amélioration des performances du rendement de filtres électrostatiques sur deux applications particulières : la filtration de gaz d'échappement de moteur Diesel et la filtration en sortie de procédés d'incinération. Le premier chapitre rassemble l'état des connaissances sur les décharges électriques en petites distances la filtration électrostatique et les puissances pulsées. Le deuxième chapitre est consacré à l'application automobile. Nous avons réalisé, pour cette partie de l'étude, un prototype de générateur impulsionnel permettant d'obtenir un signal combiné où des impulsions, relativement larges (250µs), sont superposées à un fond continu de tension. Les performances maximales de ce commutateur à thyristors sont : une amplitude d'impulsions de -24kV, une fréquence de répétition de 3kHz, un fond continu de -7kV. Nous avons comparé ce générateur avec une alimentation continue, ou encore avec un générateur délivrant une tension impulsionnelle étroite, selon deux aspects : une caractérisation Tension / Courant en statique (sans écoulement gazeux) puis par une comparaison de rendement de filtration grâce à des tests sur banc moteur. Nous avons ainsi mis en avant les avantages de l'utilisation de notre prototype au niveau gain de rendement mais surtout au niveau puissance mis en jeu ce qui peut être un point intéressant dans le cas où cette application se démocratiserait. Les résultats expérimentaux de la filtration des poussières issues de procédés d'incinération seront présentés dans le troisième et dernier chapitre. Nous avons, dans cette partie, réalisé et optimisé la géométrie de l'électrode active de l'électrofiltre ainsi que les caractéristiques du générateur permettant d'obtenir un signal combiné. Le commutateur associé au montage électrique adéquat permet, alors, d'appliquer des impulsions de -30kV d'amplitude maximale à une fréquence de 1kHz superposées à une tension continue pouvant atteindre -50kV. Du fait de la présence de sites émissifs sur l'électrode conçue, nous nous sommes intéressés, ensuite, à une étude en géométrie pointe unique / plan ou pointe unique / cylindre pour tenter d'expliquer les raisons de variations de rendement d'un filtre dans le temps. Enfin, nous avons validé les améliorations apportées par notre association électrode / tension par des expérimentations en conditions réelles, en sortie d'un procédé d'incinération
The work presented in this thesis concerns the improvement of the performances of the electrostatic precipitators treatment efficiency on two particular applications: the filtration of Diesel engine exhaust gas and the filtration in exit of incineration processes. The first chapter collects the state of the knowledge on the electric discharges in small distances, the electrostatic filtration and the pulsed powers applications. The second chapter is dedicated to the automotive application. We realized, for this part of the study, a prototype of impulsive generator allowing to obtain a combined voltage signal where impulses, relatively wide (250µs), are stacked in a continuous bottom of tension. The best performances of this thyristors switch are: an amplitude of impulses of -24kV, a repetition rate of 3kHz, a continuous bottom of -7kV. We compared this generator with a continuous supply, or with a Marx generator delivering narrow impulses, according to two aspects: a characterization Voltage / Current in static (without gas flue) then by a comparison of treatment efficiency thanks to tests on driving bench. We advanced the advantages of the use of our prototype concerning the treatment efficiency and especially concerning the power involved which can be an interesting point if this application would become more democratic. The experimental results of the filtration of dusts stemming from processes of incineration will be presented in the third and last chapter. We realized and optimized, in this part, the active electrode geometry as well as the characteristics of the generator allowing to obtain a combined voltage signal. The switch associated to the adequate electric circuit allows to apply impulses of -30kV at the repetition rate of 1kHz stacked in a continuous tension which can achieve -50kV. Because of the presence of tip on the conceived electrode, we were interested, then, in a study in point to plane or point to cylinder geometry to try to explain the reasons of variations of the treatment efficiency in time. Finally, we validated, in real conditions ,the improvements brought by our association electrode / combined generator on gases from incineration process

On utilise un microscope à force électrostatique (MFE) élaboré au laboratoire pour étudier l'injection et la dynamique de charges dans des couches minces d'isolants à grande constante diélectrique (SiO2,Ta2O5, Al2O3). Après avoir étudié théoriquement et expérimentalement la réponse de l'instrument à une distribution de charges quelconque à la surface d'une couche mince, il est utilisé pour caractériser des distributions de charges statiques (charges de polarisation) et mobiles lors des phases d'injection et de diffusion de ces charges. Plusieurs régimes de transport sont mis en évidence et associés à l'hétérogénéité de la répartition des pièges, vecteurs du transport de charges dans la couche. On tire enfin parti de la résolution spatiale offerte par le MFE pour étudier la déformation d'un paquet de charges sous l'influence d'un champ parallèle à la surface de l'isolant afin de déterminer si le transport est de type diffusif ou dispersif.

On considère dans cette thèse plusieurs situations dynamiques concernant des gouttes accrochées à des fibres,en mouillage total. Ces gouttes funambules se rencontrent au moment de la fabrication industrielle de laine de verre quand la colle projetée à l’état liquide lie les fibres de verre composant l’isolant thermique.Dans une première partie, nous étudions l’évolution spontanée d’une jonction liquide entre deux fils : une goutte mouillante aligne et attire les fibres qu’elle connecte et nous caractérisons la dynamique et l’intensité de ces interactions capillaires. En outre, si deux fibres se recentrent avec un angle aigu, une goutte à leur intersection s’étale dans le coin tandis qu’un excès de liquide progressera en sens inverse entre les fibres jusqu’au point où leur espacement est de l’ordre de leur rayon. Nous calculons cette distance critique et l’observons au sein de la laine de verre, révélant l’étalement possible du liant industriel avant séchage. L’influence de l’élasticité des fibres est discutée.Dans une seconde partie, nous proposons deux méthodes forçant le déplacement d’une goutte funambule isolée.Premièrement, un champ électrostatique établi entre une fibre conductrice et une contre-électrode provoque l’étalement irréversible d’une goutte isolante lorsque la surpression électrostatique l’emporte sur la surpression capillaire. Nous modélisons la dynamique de cet étalement diélectrophorétique comme un effet Marangoni. Deuxièmement,un flux d’air transverse à la fibre induit un mouvement de la goutte dans un sens aléatoire si le nombre de Reynolds associé dépasse la valeur critique où le sillage devient asymétrique. Nous modélisons la dynamique de cette translation comme un effet d’entraînement visqueux de la goutte par le tourbillon principal du sillage,alors que les interactions entre tourbillons expliquent la répulsion à longue distance entre plusieurs gouttes, leurs rebonds sur des obstacles solides ou leur capture par un obstacle placé en aval de l’écoulement
This thesis deals with several dynamic situations involving drops hanging on fibers, in total wetting. Such drops can be found during the industrial process of glass wool manufacturing, as liquid glue is projected onto glass fibers in order to bind them and form the thermal insulator.In the first part, we study the spontaneous evolution of a liquid junction between two wires : a wetting drop makes the wires align and approach, and we characterize the dynamics and magnitude of these capillary interactions.Besides, a drop placed in the wedge between two fibers spreads in the corner, whereas an excess of liquid placed at the intersection spreads in the opposite direction until it reaches a spacing close to the fiber radius. We calculate this critical distance and observe it inside glass wool, revealing the possible spreading of industrial binder before it dries. The influence of elasticity is discussed.In the second part, we propose two ways to induce drop displacement. First of all, an electrostatic field between a conductive fiber and a counter electrode leads to the irreversible spreading of an insulating drop when the electricoverpressure exceeds the capillary overpressure. We model the dynamics of this dielectrophoretic spreading asa Marangoni effect. Secondly, a transversal air flow can induce the continuous motion of the drop in a random direction if the Reynolds number exceeds a critical value, at which point the wake becomes asymmetric. We model the dynamics of this translation as a viscous entrainment of the drop by the main vortex of the wake.The interactions between vortices are responsible for long-range repulsion between drops, their rebonds over solid obstacles and their capture by a downstream obstacle

La dissémination de nanoparticules (NPs) manufacturées dans l’environnement entraine de profondes répercussions sur les équilibres physico-chimiques des milieux aquatiques. Afin de comprendre ces répercussions, il est essentiel d’analyser, entre autres choses, les mécanismes d’interactions des NPs avec le compartiment biotique des écosystèmes, en particulier avec les bactéries à l’état planctonique ou organisées en un consortium appelé biofilm. Dans ce contexte, ces travaux de thèse ont été consacrés à la compréhension des interactions physico-chimiques entre des NPs de silice présentant une surface fonctionnalisée par des groupements terminaux -NH2 ou -COOH, et plusieurs mutants d’un système modèle bactérien (Escherichia coli) arborant de manière sélective différents types d’appendices de surface (protéines adhésives de type YeeJ ou filaments protéiques pili-F). L’utilisation de l’électrophorèse appliquée à des suspensions binaires bactéries-NPs a permis de détecter (i) les signatures électrostatiques des premiers stades d’interactions, (ii) les changements des caractéristiques électro-hydrodynamiques des bactéries et des NPs dus aux modifications de la surface des bactéries et à l’acquisition de bio-couronne par les NPs suite au relargage de composés cellulaires, et (iii) une forte dépendance des propriétés électrocinétiques des cellules et nanoparticules à la concentration en NPs et au pH de la solution, et ce, en fonction de la nature des biostructures pariétales. La microscopie à force atomique a permis d’évaluer la morphologie des cellules selon leurs conditions d’exposition aux NPs, ainsi que leur rugosité de surface, ces résultats corroborant les conclusions dérivées des études électrocinétiques. Le deuxième volet de cette thèse, plus exploratoire, concerne l’analyse, par une technique d'imagerie 3D sans marquage (holotomographie) de la structure de biofilms bactériens générés en présence de NPs. Une méthode d’exploitation des données holotomographiques est proposée pour la détermination de différents proxys caractérisant la structure du biofilm, en particulier son épaisseur, son profil de densité, ou l’identification de ‘cheminées’ à l’interface biofilm/solution. Les capacités de la méthode à discerner ces identifiants physico-chimiques ont été testées sur un biofilm généré à partir de bactéries décorées de protéines YeeJ. L’impact des NPs de silice sur la structure de ce biofilm a alors été discuté en fonction de la nature de leurs groupements fonctionnels de surface (-NH2 ou -COOH)
The release of manufactured nanoparticles (NPs) into the environment has profound repercussions on the physico-chemical equilibria operating in natural aquatic media. In order to appreciate these repercussions, it is critical to address, among other things, the interaction mechanisms between NPs and the biotic compartment of ecosystems, in particular bacteria in planktonic state or organized in a biofilm. In this context, this thesis work was devoted to the understanding of the physico-chemical interactions between silica nanoparticles with -NH2 or -COOH functionalized surface, and several mutants of a bacterial model system (Escherichia coli) selectively displaying different types of surface appendages at their periphery (YeeJ adhesive proteins or pili-F protein filaments). The use of electrophoresis applied to bacteria-NPs binary suspensions made it possible to detect (i) the electrostatic signatures of the first stages of interactions, (ii) the changes in the electro-hydrodynamic characteristics of both bacteria and NPs due to membrane damage and acquisition of bio-corona by NPs following the release of cellular compounds, and (iii) the strong dependence of the electrokinetic properties of both cells and nanoparticles on the nature of the parietal biostructure, on NPs concentration and on solution pH. The use of atomic force microscopy further allowed the evaluation of cells morphology depending on cells exposure conditions, as well as their surface roughness, these results corroborating the conclusions derived from electrokinetic study. The second part of this thesis, exploratory in nature, concerns the analysis by a 3D imaging technique (holotomography, no sample labelling required) of the structure of bacterial biofilms generated in the presence of NPs. A method for exploiting holotomographic data is proposed and leads to the determination of different proxies characterizing the structure of the biofilm, in particular its thickness, its density profile, or the identification of ‘chimneys’ at the biofilm/solution interface. The capabilities of the method to evaluate these physicochemical fingerprints are tested on a biofilm generated from bacteria decorated with YeeJ proteins. The impacts of silica nanoparticles on the structure of this biofilm are then discussed according to the nature of their functional surface groups (-NH2 or -COOH)

L'objectif de ce travail de thèse est la production et la caractérisation de monofeuillets de graphène, sa structuration à l'échelle sub-micrométrique et l'étude des propriétés électroniques des feuillets et nanorubans de graphène. Le graphène est un arrangement bidimensionnel hexagonal d'atomes de carbone hybridé sp2. Bien que le graphène soit pressenti depuis plusieurs années comme un matériau aux propriétés électroniques nouvelles lorsqu'il est structurés à l'échelle nanométrique, son étude a été longtemps différée par la difficulté à préparer et identifier ce matériau d'épaisseur atomique. En combinant plusieurs approches, nous montrons comment des feuillets d'une seule, quelques ou plusieurs couches peuvent être produits sur des substrats de Si/SiO2 avec ou sans structures d'accueil. La caractérisation par microscopies optique, électronique à balayage ou à champ proche ont permis de caractériser la morphologie et le nombre précis de couches. En outre, la spectroscopie Raman a permis de distinguer clairement la monocouche exfoliée isolée des empilements lâches de multicouches découplées obtenues par épitaxie. Des plots de 20µm de diamètre ont été manipulé et amincis in-situ par exfoliation jusqu'à produire des dépôts <10 nm d'épaisseur entre des électrodes métalliques pré-définies. La lithographie par Faisceaux d'Ions Focalisé (FIB) a permis, à la fois, de déposer des contacts métalliques sur les disques de graphène multicouche mais aussi de les structurer en rubans de 2 µm de long et 80 - 250 nm de large avec grilles latérales en graphène. Le transport à basse température et sous effet de champ a été caractérisé et modélisé. Il met en évidence l'existence d'une chaine de points quantiques séparés par des barrières tunnel qui est également vu dans la plupart des nanorubans de graphène étudiés à l'heure actuel. . .
This thesis work aimed at preparing and nanopatterning graphene as well as exploring the electronic properties of graphene sheets and nanoribbons. Graphene is a two-dimensional arrangement of sp2 hybridized carbon atoms into a honey-comb lattice. While graphene has long been predicted to show new transport behaviour when tailored at the sub-10 nm length scale, a major road-lock in graphene nanoelectronics was the efficient production of the one-atom thick sheet. By combining a number of approaches, we demonstrate how single, few and multiple layers of graphene can be produced on bare or pre-patterned Si/SiO2 substrates. Optical, scanning electron and scanning probe microscopy methods were applied to characterize and reliably determine the number of layers. Additionally, Raman spectroscopy clearly distinguished the single sheet from highly decoupled few layered graphene structures obtained by epitaxy. Patterned micropillars of 20µm diameter were manipulated and micromechanically exfoliated in-situ to deposit < 10 nm thick discs in between pre-defined electrodes on 350 nm oxide. Focused Ion Beam was used to deposit metal contacts and to pattern the discs into 2 µm long and 80 - 250 nm wide ribbons with graphitic side-gates. Temperature dependent transport was performed through these gated nanoribbons and tunnelling of charges along a 1-D array of graphene quantum dots was observed and modelled. Furthermore, we have used electric force microscopy (EFM) to investigate the 2-D delocalization of residual as well as injected charges in sub-micron graphene islands. The induced surface charge density as a function of thickness was interpreted with a simple capacitive model. This EFM approach was used to characterize similar side-gated nanoribbons transistor devices with sub-100 nm ribbon width but tailored in monolayered graphene by FIB

Le travail présenté dans cette thèse s'inscrit dans le cadre des simulations de dynamique moléculaire appliquées à l'étude de fluides polarisables et de solutions ioniques. Une attention particulière est portée à la description explicite de la polarisabilité dans les modèles d'interaction intermoléculaire. Nous présentons notamment des modèles électrostatiques comportant des multipôles et des polarisabilités distribués. Ce travail a nécessité l'écriture d'un nouveau code de dynamique moléculaire permettant de traiter les liquides purs et les solutions à l'aide de modèles électrostatiques de complexités très variables. Le premier chapitre décrit les principes de base des techniques de simulation ainsi qu'une description générale du programme dont une présentation plus technique est donnée en annexe. Le second chapitre est consacre à l'étude des propriétés de l'eau en phases gazeuse et liquide. Dans le troisième chapitre, un calcul de potentiel de force moyenne caractérisant l'approche de deux ions guanidinium dans l'eau est présenté. Le quatrième et dernier chapitre décrit les résultats de l'étude des propriétés de solutions ioniques d'intérêt électrochimique.

Biomechanics, an emerging science, refers to the mechanical characterization of biological tissues. Recent work published in this field demonstrate the role of mechanical processes and properties on the biological tissues functionalities, and especially at the microscopic scale (cell biomechanics). Biomechanical data acquisition is however quite challenging. This requires appropriate measurement tools (for forces, strain, ...) to cope with the biological sample and environment constraints (biocompatibility, size, anisotropy, ...). In parallel, the fast developments observed these last years in microtechnologies lead to interesting research possibilities. The family of MEMS [MicroElectroMechanical Systems] devices for instance introduces a new potential of interaction with the microscopic world. The integration of this technology in the field of cellular biomechanics is thus a natural choice. In that context, this work aims to design a 3-axis microforce sensor to measure biological tissues deformations at the microscopic scale. The MEMS device, fabricated on SOI [Silicon on Insulator] wafers, is based on piezoresistive and capacitive force transductions. It can be used as an actuator at least in one direction. This thesis describes the design, fabrication and test of the 3-axis system. A 1-axis prototype, exclusively capacitive, is first realized and acts as the foundation of the 3-axis device. The 1-axis force sensor, tested on the [0 ? 350[mu]N ] range shows a sensitivity in the order of 4.85mV/[mu]N (G=2000) and a resolution of 1.24[mu]N (linearity until 100[mu]N ). A new 3-axis geometry is then proposed to improve the direction decoupling efficiency of 2-axis capacitive sensors presented in publications and add a third detection axis. The decoupling is achieved using a"two frames" geometry and piezoresistors implanted in a configuration only sensitive to an out-of-plane loading. The three transducers performances are analysed individually. Tested on a range of 250? N , the sensors show a linear behaviour on the whole forces domain in the out-of-plane axis (piezoresistors) and until 100[mu]N in the in-plane direction (electrostatic combs). The piezoresistive and capacitive transducers are characterized by sensitivities of 0.93mV/[mu]N (g=400) and 6.35mV/[mu]N (G=500) respectively (on the linear part), with resolutions of 7[mu]N and 0.161[mu]N. The dynamical behaviour of the sensor allows its use above the kHz. The cross-talk sensitivities of each transducer are evaluated to 1-5% of their axis sensitivity (decoupling). The work presented in this thesis demonstrates the feasability of a 3-axis MEMS force sensor based on capacitive (in-plane sensing) and piezoresistive (out-of-plane sensing) detection. The proof of concept refers to the fabrication and performances (sensitivity, resolution, decoupling) of the proposed design.

Les interphases sont souvent considérées comme responsables des propriétés physiques des nanodiélectriques inexplicables par les lois de mélange. La prédiction de la permittivité diélectrique des nanodiélectriques nécessite de reconsidérer la permittivité intrinsèque et le volume de l'interphase. Malgré le besoin d'une caractérisation locale de ces régions interfaciales nanométriques, aucune méthode expérimentale fiable n'a encore été développée. La Microscopie à Force Electrostatique (EFM) constitue une technique prometteuse pour atteindre ce but. L'objectif de cette thèse est de développer des protocoles expérimentaux et des méthodes d’interprétations du signal appropriés pour évaluer l’aptitude de l’EFM à l'étude des interphases dans les nanodiélectriques. Nous avons eu recours d’abord à des simulations numériques par éléments-finis pour approfondir notre compréhension de l'interaction entre une sonde EFM et plusieurs types d'échantillons nanostructurés, permettant par la suite de simuler la réponse spécifique face à un nanocomposite possédant une interphase. Nous avons proposé un modèle électrostatique de nanodiélectrique possédant trois phases, selon lequel, nous avons conçu et synthétisé des échantillons modèles aux propriétés connues afin de jouer le rôle de matériaux nanodiélectriques de référence pour les mesures EFM. Par conséquent, nous avons pu développer plusieurs protocoles expérimentaux et d’analyses du signal utilisant des modes DC et AC de détection du gradient de force pour caractériser les interphases dans des nanocomposites. Ces techniques constituent un ensemble polyvalent de méthodes d’étude des interphases avec un impact réduit des effets parasites communément convolués dans les signaux EFM. Enfin, une quantification de la permittivité de l'interphase de nos échantillons modèles a été possible par corrélation avec nos simulations numériques
Interphases are usually considered to be responsible for the physical properties of nanodielectrics unexplainable by general mixture laws. The prediction of the effective dielectric permittivity of these materials needs to reconsider the intrinsic permittivity and the volume of the interphase. Despite the urge for a local characterization of these nanometric interfacial regions, no reliable experimental method has been developed yet. The Electrostatic Force Microscope (EFM) constitutes a promising technique to fulfill this objective. The aim of this thesis is to develop appropriate experimental protocols and signal analysis to explore the ability of EFM to the study of interphases in nanodielectrics. We first resorted to finite-element numerical simulations in order to deeper our understanding of the interaction between an EFM probe and several types of nanostructured samples, allowing to simulate afterwards the specific response to a nanocomposite possessing an interphase. We proposed a three-phase electrostatic model of a nanodielectric, upon which, we designed and synthesized model samples of known properties to play the role of a reference nanodielectric material for EFM measurements. Consequently, we were able to develop several experimental protocols and signal analysis with both DC and AC force gradient EFM modes. These techniques offer versatile methods to characterize interphases with reduced impact of the parasitic effects commonly convoluted within EFM signals. Finally, a quantification of the interphase in our nanodielectric model samples was possible thanks to correlation with our numerical simulations

Les phénomènes de charge des isolants ont été étudiés à l'aide d'un microscope électronique à balayage qui permet d'injecter de très faibles doses d'électrons dans une large gamme d'énergie et de mesurer simultanément l'émission électronique secondaire et la charge générée dans le matériau par influence. Les résultats obtenus ont permis de montrer que le rendement électronique secondaire est un bon moyen de caractériser l'état de charge d'un isolant et de classer ces matériaux en deux grandes classes selon leur capacité à relaxer les charges générées: les "piégeurs", de fortes résistivités, piégeant de manière stable les charges pendant des mois, et les "conductifs", de résistivités plus faibles, relaxant les charges plus ou moins rapidement selon la densité et la mobilité des charges intrinsèques au matériau. Le paramètre fondamental qui contrôle la cinétique de charge des isolants est la densité de courant primaire J0. Pour les "piégeurs", différents régimes de charge (autorégulé, vieillissement, dégradation) fonction de J0 et du domaine d'énergie considéré ont été observés. L'étude des "conductifs" a révélé l'existence d'un courant permanent au sein de ces matériaux, caractérisé par le rendement stationnaire [sigma]∞ qui permet de fixer la valeur limite de J0 que peut supporter un "conductif" sans accumulation de charges. Ces résultats ont permis de définir quel type de matériau devait être utilisé d'un point de vue électrique pour réduire voire annuler la déviation des électrons par les espaceurs des écrans plats à effet champ, mais aussi de mettre en place une nouvelle voie d'exploration du champ interne produit par polarisation thermique d'échantillons vitreux. Nous avons également développé une nouvelle voie d'exploration de l'évolution spatio-temporelle des charges piégées sur les isolants "piégeurs" grâce à l'utilisation d'un microscope à force électrostatique. Les premiers résultats montrent la grande stabilité des charges au sein de ces matériaux
Charging phenomena of insulating materials were studied thanks to a scanning electron microscope which allows the injection of few electrons doses in a large domain of energies and the measurements of the secondary electron emission and the induced current created in the sample holder by the charges generated in the sample. The results shown that the secondary electron emission yield is a very sensitive parameter to characterise the charging state of an insulator and they allowed to class these materials in two groups relatively to their ability to relax the generated charges: the "trapping insulators", presenting high resistivities, in which the charges are trapped in a stable way during several months and the "conductive insulators", presenting lower resistivities than the "trapping" ones, in which the charges relaxation occurs more or less rapidly depending on the density and the mobility of intrinsic charges of the material. The fundamental parameter controlling the charging kinetic is the current density J0. For "trapping insulators", different regimes (self-regulated, ageing, degradation) function of J0 and the domain of energy considered were observed. The study of "conductive insulators" revealed that a permanent current exist in these materials which is characterised by a steady state yield [sigma]∞ which fix the maximum value of J0 withstanding by a "conductive" without charge accumulation beneath its surface. These results allowed to define what kind of materials should be used from an electrical angle to reduce indeed to cancel the deviation of electrons due to spacers in field emission displays, and also to introduce a new characterisation process of the internal field created by thermal poling in glasses samples. We also developed a new exploration way of spatial and time evolution of trapped charges in "trapping insulators" thanks to an electrostatic force microscope. Firsts results show the very high stability of trapped charges in these materials

La plupart de sondes oscillantes pour microscope à force atomique (AFM) commerciale sont basées sur des micro- cantilevers qui peuvent donner la mesure avec une résolution pico-Newton. Toutefois, ces résonateurs de flexion souffrent de faible fréquence de résonance et de facteur de qualité lors de l'utilisation dans un liquide. En outre, la détection optique limite également l'intégration du système et la miniaturisation de la sonde. Par conséquent, l’objectif principal des travaux présentés dans cette thèse est de remplacer le cantilever standard de l’AFM par un microsystème résonant à haute fréquence, présentant un facteur de qualité élevé et dont l’actionnement comme la détection seront intégrés. Plusieurs structures oscillantes sont proposées comme les anneaux vibrant en mode elliptique, les plaques rectangulaires vibrant en mode extension et les «dog-bone » résonateurs vibrant en mode extension. Les méthodes d’excitation et de détection intégrés sont étudiées et comparées, par exemple: excitation électrostatique/détection piézo-résistif, excitation/détection piézo-électrique et excitation thermique/détection piezo-résistif. Le procédé de fabrication de ces nouvelles sondes AFM sont définies et effectuées et les caractéristiques électriques et mécaniques sont mesurées telles que la fréquence de résonance, le facteur de qualité et l'amplitude des vibrations. En général, ces sondes résonnent entre 1 et 5 MHz avec un facteur de qualité de plusieurs milliers dans l'air. Plusieurs sondes sont ensuite monté sur un microscope AFM commercial et une imagerie sur les échantillons PMMA sont obtenus. La résolution de force la plus élevée déduite est d'environ 10 pN/Hz0.5
Most of commercial Atomic Force Microscope (AFM) oscillating probes are based on micrometric cantilevers which can make measurement with pico-Newton force resolution. However, these flexural vibrating cantilever resonators suffer from low quality factor when operating in liquids and the laser-based vibration sensing unit limits the integration and miniaturization. The major objective of this thesis is thus studying alternative MEMS-based AFM probe with high resonance frequency and quality factor as well as integrated driving and sensing transduction. Several in-plane oscillating structure is proposed such as flexural vibration ring resonators, extensional vibration rectangular plates and extensional vibration dog-bone resonators. Variety kinds of integrated driving and sensing methods are investigated and compared, for example: electrostatic excitation/piezoresistive detection, piezoelectric excitation/detection, and thermal excitation/piezo-resistive detection. The fabrication process of these new AFM probes are defined and carried out and both the electrical and mechanical properties are measured such as the resonance frequency, the quality factor and the vibration amplitude. In general, these probes resonate between 1 to 5 MHz with a quality factor of several thousands in air. Well-performing probes are then mounted onto a commercial AFM microscope and topographic images of patterned sample surfaces are obtained. The highest force resolution deduced from the measurement is about 10 pN/Hz0.5

Les phénomènes de chargement des diélectriques constituent l'un des principaux mécanismes de défaillance des microsystèmes à actionnement électrostatique, ce qui limite la commercialisation de ce type de dispositifs. Par exemple, dans le cas de micro-commutateurs capacitifs ce chargement entraîne des problèmes de collage entre la membrane actionnable et la surface du diélectrique qui recouvre l'électrode d'actionnement. Malgré de nombreux travaux réalisés dans le monde, les phénomènes de chargement des diélectriques sont encore mal compris aujourd'hui et les mécanismes de défaillances associés peu explicités. Par ailleurs de nombreuses méthodes de caractérisation ont été développées afin d'étudier ces phénomènes : capacité/tension dans les micro-commutateurs capacitifs, courant/tension dans les capacités MIM (Métal-Isolant-Métal). Bien que très souvent utilisées, ces méthodes donnent des résultats qui dépendent fortement de la nature du dispositif utilisé. Dans les capacités MIM par exemple, la décharge a lieu en situation de court-circuit et les charges injectées dans le diélectrique sont collectées seulement par l'électrode qui a servi à réaliser l'injection. Cette configuration est l'inverse de celle qui a lieu réellement dans les microsystèmes pour lesquels les charges sont injectées par la membrane actionnable et collectées par l'électrode d'actionnement, puisque la membrane ne touche pas le diélectrique lorsque la tension est supprimée. Par ailleurs les mécanismes de défaillances sont souvent liées à des phénomènes multi-physiques (électrique, mécanique, thermique). Ainsi le chargement des diélectriques peut être couplé notamment à des problèmes de fatigue mécanique de la membrane, ce qui peut fausser les interprétations. Des études récentes ont par ailleurs montré que les phénomènes tribologiques, comme l'adhésion et la friction, sont cruciaux pour les MEMS/NEMS et peuvent affecter radicalement leurs performances. Les micro-commutateurs RF étant basés sur le contact intermittent entre deux surfaces (membrane métallique et diélectrique), la fiabilité des ces composants est également impactée par ces phénomènes de surface. Des études sur la micro-nanotribologie appliquée aux micro-commutateurs RF sont donc nécessaires pour comprendre les phénomènes qui se passent aux interfaces et pour coupler ces phénomènes avec le chargement des diélectriques. Les travaux sur le chargement des diélectriques présentés dans ce mémoire sont basés sur la microscopie à force atomique (KPFM, FDC) et permettent de supprimer les inconvénients des méthodes conventionnelles. Le diélectrique étudié est le nitrure de silicium obtenu par PECVD pour des micro-commutateurs RF à contact capacitif. Les méthodes utilisées permettent de réaliser l'étude des diélectriques à l'échelle nanométrique grâce à l'utilisation de l'AFM dont la dimension de la pointe est comparable aux aspérités des microstructures. Différentes structures de tests ont été caractérisées incluant des films diélectriques, des capacités MIM et des micro-commutateurs. La pointe de l'AFM est utilisée pour réaliser l'injection des charges (comme dans le cas d'une aspérité en contact avec le diélectrique), mais également pour mesurer le potentiel de surface et la force d'adhésion. Les résultats obtenus ont été comparés à des mesures de charges et décharges plus conventionnelles sur des capacités MIM et sur des micro-commutateurs RF. Tous ces résultats ont également été comparés à des données de la littérature provenant de différents composants. L'influence de plusieurs paramètres clés sur le chargement des diélectriques a également a également été étudiée. Différentes épaisseurs de SiNx déposées sur de l'or (évaporé et électro-déposé), sur du Titane et sur du silicium ont été analysées. Différents modes d'élaboration du SiNx PECVD ont été utilisés en changeant le ratio des gaz, la température de dépôt, la puissance et la fréquence RF. Des analyses physico-chimiques ont également été menées pour déterminer les liaisons chimiques et les compositions des films de SiNx (FTIR, XPS). Ces données ont été utilisées pour expliquer les résultats électriques obtenus. Différentes conditions de chargement ont également été explorées : amplitude, durée et polarité de la tension, taux d'humidité, contamination dues aux hydro-carbones. Les différents phénomènes tribologiques (adhésion, friction) ont aussi été étudiés à l'échelle nanométrique sous différentes tensions et pour différents taux d'humidité. A partir de ces études, deux principaux mécanismes de collage dans les microsystèmes à actionnement électrostatique ont ainsi été explicités : le chargement des diélectriques et la formation d'un ménisque d'eau. L'interaction entre ces deux mécanismes a également été mise en évidence et a permis de mieux comprendre les phénomènes de collage dans les MEMS à actionnement électrostatique
The reliability of electrostatically actuated micro- and nano-electromechanical systems (MEMS and NEMS) is determined by several failure modes which originate from different failure mechanisms. Among various reliability concerns, the dielectric charging constitutes major failure mechanism which inhibits the commercialization of several electrostatic MEMS devices. In electrostatic capacitive MEMS switches, for example, the charging phenomenon results in shifting the electrical characteristics and leads to stiction causing the device failure. In spite of the extensive study done on this topic, a comprehensive understanding of the charging phenomenon and its relevant failure mechanisms are still missing. The characterization techniques employed to investigate this problem, though useful, have serious limitations in addition to the missing correlation between their results. On the other hand, recent studies show that tribological phenomena such as adhesion and friction are crucial in MEMS/NEMS devices requiring relative motion and could affect their performance. Since the operation of MEMS switch is based on intermittent contact between two surfaces, the movable electrode and the dielectric, critical tribological concerns may also occur at the interface and influence the device reliability. These concerns have not been investigated before, and consequently, micro/nanotribological studies are needed to develop a fundamental understanding of these interfacial phenomena. Also, the multiphysics coupling between the charging phenomena and those expected tribological effects needs to be studied. This thesis addresses the abovementioned weaknesses and presents numerous novel characterization techniques to study the charging phenomenon based on Kelvin probe force microscopy (KPFM) and, for the first time, force-distance curve (FDC) measurements. These methods were used to study plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) silicon nitride films for application in electrostatic capacitive MEMS switches. The proposed methods are performed on the nanoscale and take the advantage of the atomic force microscope (AFM) tip to simulate a single asperity contact between the switch movable electrode and the dielectric surface. Different device structures were characterized including bare dielectric films, MIM capacitors, and MEMS switches. In addition, the charge/discharge current transients (C/DCT) and thermally stimulated depolarization current (TSDC) assessment methods were used to study the charging/discharging processes in metal-insulator-metal (MIM) capacitors. A comparison and correlation between the results from the investigated characterization techniques were performed. Moreover, a correlation between the obtained nanoscale/macroscale results and the literature reported data obtained from device level measurements of actual MEMS devices was made. The influence of several key parameters on the charging/discharging processes was investigated. This includes the impact of the dielectric film thickness, dielectric deposition conditions, and substrate. SiNx films with different thicknesses were deposited over metal layers and over silicon substrates to study the effect of the dielectric thickness. The impact of the dielectric deposition conditions was investigated through depositing SiNx films using different gas ratio, temperature, power, and RF modes. To study the influence of the substrate, SiNx layers were deposited on evaporated gold, electrochemically-deposited gold, evaporated titanium layers, and over bare silicon substrates. Fourier transform infra-red spectroscopy (FT-IR) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) material characterization techniques were used to determine the chemical bonds and compositions, respectively, of the investigated SiNx films. The obtained data from these techniques were used to explain the electrical characterization results. The impact of electrical charge injection conditions, which are the voltage amplitude, polarity and duration, was also explored. Finally, the influence of the relative humidity, environment medium, and contaminants on the charging phenomenon was studied. Furthermore, the thesis investigates different tribological phenomena at the interface between the two contacting surfaces of electrostatic MEMS switches as well as their multiphysics coupling with the dielectric charging failure mechanism. The adhesive and friction forces were measured on the nanoscale under different electrical stress conditions and relative humidity levels using an AFM to study different stiction mechanisms. In these devices, stiction can be caused by two main mechanisms: dielectric charging and meniscus formation resulting from the adsorbed water layer at the interface. The effect of each mechanism as well as their multiphysics interaction and impact on the overall adhesion or stiction was quantified. Finally, the impact of the dielectric charging on the friction force between the two contacting surfaces of the switch has been studied

La problématique des agressions par décharges électrostatiques (ESD) est un facteur critique dans la fiabilité des circuits intégrés. Ce document effectue la synthèse des travaux menés au LAAS-CNRS dans ce domaine. Les points suivants seront plus particulièrement abordés : - L'étude des mécanismes physiques qui gèrent le comportement d'un composant lors d'une décharge ESD - La mise en place d'une méthodologie de conception de structures de protection - Son application au développement de solutions de protection innovantes La dernière partie de ce document propose les perspectives de cet axe de recherche qui sont principalement motivés par les progrès technologiques des circuits intégrés, l'évolution des normes de robustesse et l'extension de nos travaux au niveau du système.

Les travaux présentés ont pour objectif l'optimisation et la réalisation d'un gyromètre micro-usiné à poutre vibrante sur substrat silicium. Ces travaux s'inscrivent dans la continuité de thèses précédemment effectuées à FEMTO-ST et consacrées au développement d'une structure de gyromètre en étoile. Cette configuration est appropriée à la réalisation de mesures de vitesse angulaire dans le plan du substrat. Le contexte de la thèse est constitué par un projet de recherche proposant une évolution du gyromètre silicium avec passage d'une détection capacitive à une détection optique. C'est pourquoi le mémoire propose naturellement un redimensionnement en profondeur du capteur. Ainsi, un nombre important d'études par éléments finis ont été réalisées pour optimiser la structure vibrante. Cette optimisation nous a permis de respecter le cahier des charges vis-à-vis des fréquences d'excitation et de détections, tout en rejetant les modes parasites. Des études électromécaniques complémentaires ont permis de comprendre en détail les spécificités résultant du choix de l'excitation capacitive. Ces travaux ont conduit à l'élaboration d'une structure optimisée, associée à une redéfinition des procédés de fabrication en salle blanche. Plusieurs séries de capteurs micro-usinés ont ainsi pu être réalisées, donnant lieu à des structures exploitables, validant le nouveau design avec son process associé. Le recours à une sonde hétérodyne a ensuite permis de mesurer les déplacements hors-plan en fonction du signal d'excitation, validant ainsi le comportement dynamique primaire des structures.

Les nanoparticules d'argent, déjà largement utilisées en catalyse, optique et électronique, trouvent aujourd'hui de nouvelles applications comme l'imagerie, la photonique ou la détection chimique et biochimique. Parmi ces applications, certaines requièrent des morphologies particulières comme des bâtonnets ou des disques (films conducteurs, spectroscopie Raman exaltée) quand d'autres impliquent principalement une surface spécifique importante comme par exemple en catalyse hétérogène. Les nanoparticules métalliques anisotropes sont classiquement réalisées en deux étapes, séparant la formation des germes et la croissance de ceux-ci, afin de mieux en contrôler la morphologie mais la séparation en deux étapes rend le transfert à l'échelle industrielle délicat à cause des longues périodes d'incubation et de lavage nécessaires. Nous avons choisi de nous intéresser à la synthèse dirigée de nanoparticules anisotropes, en particulier des nanodisques d'argent, ainsi que leur assemblage, en solution et sur des surfaces. Dans nos travaux, nous avons retenu une approche permettant de réaliser les deux étapes de la formation de nanodisques d'argent dans un même milieu réactionnel. Le principe repose sur l'utilisation de deux réducteurs, l'un faible et l'autre fort, dont les cinétiques de réduction très différentes permettent le contrôle de l'anisotropie. Cette méthode est simple et permet de réduire le temps de synthèse mais nécessite un bon contrôle des différents paramètres expérimentaux. Le temps entre l'ajout des deux réducteurs détermine notamment la morphologie des objets formés. Il existe en réalité une gamme optimale pour ce temps qui dépend particulièrement de la température de la synthèse. Afin de faire varier les propriétés optiques de ces nanodisques, différentes stratégies peuvent être envisagées. Notre choix s'est tourné vers la formation d'assemblages, en solution dans un premier temps, puis sur des surfaces par des méthodes de dépôt. L'adsorption de molécules organiques bifonctionnelles peut permettre de réaliser des assemblages en solution : une des fonctions a une affinité avec l'argent et l'autre interagit avec les fonctions libres des autres nanoparticules grâce à des liaisons hydrogène ou électrostatiques par exemple. Les assemblages peuvent également être réalisés sur des surfaces. Nous nous sommes tournés vers des méthodes de dépôts originales, qui permettent des assemblages dirigés des nanodisques par voie électrostatique. Nous avons démontré que ces assemblages sont de bons candidats pour développer des substrats SERS micro-structurés
Silver nanoparticles, used extensively in catalysis, optics and electronics, are now emerging in new applications such as imaging, photonics or chemical and biochemical detection. Among these applications, some require particular morphologies such as rods or disks (conductive films, enhanced Raman spectroscopy) while others mainly involve a large specific surface area such as in heterogeneous catalysis. Anisotropic metal nanoparticles are traditionally produced in two stages, separating the formation of seeds and their growth, in order to better control their morphology. However, the two-stage synthesis makes the transfer on industrial scale difficult because of the long incubation time and the washing steps required. In this context, we decided to focus on the synthesis of anisotropic nanoparticles, in particular silver nanodisks, as well as their assembly in solution and on surfaces. In our work, we adopted an approach that allows to carry out the two stages of the formation of silver nanodisks in the same reaction medium. The principle is based on the use of two reducers, one weak and one strong, with different kinetic reduction rates, allowing the control of anisotropy. This method is simple and fast but requires good control of the experimental parameters. The time between the addition of the two reducers determines the morphology of the formed objects. There is actually an optimal range for this time, which depends particularly on the temperature of the synthesis. In order to vary the optical properties of these nanodisks, different strategies can be considered. We chose to form assemblies both in solution and on surfaces by different deposition techniques. The adsorption of bifunctional organic molecules can provoke the formation of assemblies in solution: one function has an affinity with silver and the other interacts with the free functions of the other nanoparticles through hydrogen or electrostatic bonds for example. Assemblies can also be made on surfaces. We have been working on original deposition method, which allow an oriented assembly of nanodisks through electrostatic forces.We have demonstrated that these assemblies are good candidates for developing micro-structured SERS substrates

En microrobotique, l'interaction directe avec les objets par l'opérateur est impossible, en raison notamment de leur taille, des phénomènes physiques complexes et de la grande sensibilité des systèmes aux conditions environnementales. Les systèmes de téléopération apparaissent comme un moyen prometteur pour interagir avec l'échelle microscopique où la perception sensorielle humaine a dépassé ses limites. Cependant, ces systèmes doivent répondre à deux problématiques importantes: la transparence du fait des phénomènes physiques complexes qui doivent être retransmis et la stabilité du fait de la réduction d'échelle. Bien que les travaux actuels aient donné lieu à des systèmes performants, des insuffisances apparaissent notamment par la prise en compte de la spécificité du couplage haptique, de la mesure de microforces, de l'inertie importante des interfaces haptiques utilisées, etc. Pour obtenir des systèmes complets et intuitifs, plusieurs points doivent être abordés : le choix d'une interface haptique adaptée, le développement d'un nouvel outil de mesure de microforces, la synthèse de loi de commande et l'utilisation d'un couplage bilatéral direct. Une chaîne de micro téléopération est conçu en prenant en compte les points précédents. Des téléopérations mono-dimensionnelles ont pu être menées pour valider la chaîne. Plusieurs utilisateurs inexpérimentés ont réussi à utiliser le système pour interagir avec une goutte d'eau. Ils ont pu ressentir les différents efforts d'interaction, notamment le pull-in et le pull-off. Ce travail n'est qu'un premier pas vers des systèmes de micro téléopération intuitifs. Il montre aussi l'intérêt de l'approche proposée en microrobotique.

L'électronique moléculaire constitue une alternative technologique pour la nanoélectronique. Ce domaine nécessite l'invention de nouveaux équipements afin de pouvoir déposer de grosses molécules fragiles sur des surfaces isolantes sous ultra haut vide (UHV). Conserver intacte la structure spécifique de la molécule après adsorption est primordial pour les fonctionnalités du dispositif envisagé. La technique de dépôt généralement utilisée pour déposer des atomes et molécules neutres sous UHV est l'évaporation thermique. Cette technique est cependant trop énergétique pour déposer des molécules fragiles. Il est donc nécessaire de concevoir des procédés de dépôt moins destructifs utilisant un spectromètre de masse. L'appareil commercial utilisé pour notre étude est un spectromètre de masse Finnigan triple quadrupôle TSQ700, couplé à un équipement multi-chambres, sous UHV, appelé " Dinamo " UHV Factory. Afin de transformer le TSQ700 en source d'ions de basse énergie, nous avons étudié la distribution en énergie des ions, avec le logiciel SIMION(r). Cette étude a révélé que le faisceau d'ions présentait une trainée à haute énergie pouvant aller jusqu'à 1500 eV. Pour trier en énergie le faisceau d'ions, nous avons choisi d'ajouter un secteur électrostatique. Une mesure du courant d'ions en sortie du secteur électrostatique montre que la trainée haute énergie a bien été supprimée. Le spectromètre modifié a été utilisé pour déposer des ions CF3+ sur une surface de KBr (001) caractérisée par la suite par microscopie à force atomique en mode non contact (NC-AFM) et par microscopie à sonde de Kelvin (KPFM). Les observations KPFM confirme la présence de charges positives en surface
Molecular electronics is an alternative technology for nanoelectronics. It requires the conception of new equipments in order to deposit large and fragile molecules on insulating surfaces under ultra high vacuum (UHV). Keeping intact the deposited molecules is essential for the functionality of the fabricated devices. The most generally used deposition technique for molecules under UHV is thermal evaporation. However, this technique is often detrimental for fragile molecules. The development of less destructive deposition methods is therefore needed. An alternative technique is based on the use of a dedicated mass spectrometer. The commercial device used for our study is a Finnigan triple quadrupole mass spectrometer TSQ700 coupled to a multi-chamber equipment under UHV called " Dinamo " UHV Factory. To transform the TSQ700 in a low energy ion source, we studied the energy distribution of the ions at the exit of the analyzer by using the simulation software SIMION(r). This study revealed that the ion beam displays a high energy tail up to 1500 eV. The ion beam must then be filtered in energy in order to remove the high energy tail. To filter the ions in energy, we decided to add an electrostatic sector. The ion current measured at the output of electrostatic sector showed that the high-energy tail has been removed after this modification. The modified spectrometer was used to deposit CF3+ ions on a KBr(001) surface then characterized by Non-Contact Atomic Force Microscopy (NC-AFM) and Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM). KPFM observations are consistent with the presence of positive charges

On présente une expérience de mesure optique ultrasensible des vibrations mécaniques d'un micro-miroir inséré dans une cavité Fabry-Perot de grande finesse. Le micro-miroir est constitué d'un traitement optique présentant peu de pertes déposé à la surface d'un résonateur de taille sub-millimétrique en silicium. On a mesuré le bruit thermique du résonateur sur une large plage de fréquences et déterminé les caractéristiques de ses modes propres de vibration: fréquence, facteur de qualité, masse effective, structure spatiale. Ces modes ont des fréquences de résonance élevées (1 MHz) et des faibles masses effectives (100 µg). On a appliqué une force électrostatique sur le micro-résonateur, ce qui a permis de tester sa réponse mécanique et de le refroidir par contrôle actif en mettant en oeuvre un processus de friction froide.

On a également mis en évidence un effet d'auto-refroidissement dû à la modification de la dynamique par la pression de radiation dans une cavité désaccordée. On a observé selon le désaccord un refroidissement et un chauffage du résonateur, qui conduit à forte puissance à une instabilité dynamique.

Ces techniques de refroidissement combinées à de la cryogénie passive devraient permettre de refroidir suffisamment le micro-résonateur pour observer son état quantique fondamental.

On présente enfin une étude expérimentale de l'effet photothermique et une mesure des dilatations induites par l'échauffement lié à l'absorption de lumière dans les traitements optiques.

Ce travail essaie de décortiquer les multiples paramètres régissant l’adhésion en phase aqueuse de polymères chargés. Nous cherchons d’abord à établir un lien entre les interactions électrostatiques moléculaires et les différentes architectures moléculaires de matériaux gonflés élastiques (Parties I et II) ou viscoélastiques (Partie III), avant de nous intéresser à l’adhésion en milieu immergé. (Partie I) Le premier système modèle de matériaux synthétiques nous a permis de corréler l’architecture moléculaire des hydrogels élastiques, la densité de charge interfaciale, et la force ionique du milieu avec les propriétés adhésives en phase aqueuse, à un niveau macroscopique en utilisant la technique du Probe-tack, et également à un niveau microscopique avec la microscopie à force atomique. (Partie II) Par ailleurs, étant inspirés par les systèmes adhésifs naturels, nous avons cherché à étendre ce système modèle à la mesure d’adhésion macroscopique entre hydrogels de gélatine de charges opposées. Nous montrons que le système modèle permettant de contrôler et de prédire l’adhésion en milieu aqueux en modifiant la densité de charge interfaciale et les propriétés mécaniques du matériau est transposable aux systèmes à base de gélatine. (Partie III) Enfin, nous avons développé un adhésif bio-inspiré entièrement synthétique à base de coacervation complexe. Ce nouveau système d’adhésif associe les interactions électrostatiques avec des domaines thermo-sensibles, donnant ainsi naissance à un matériau prometteur pour l’adhésion en milieu immergé
This work attempts to unravel some of the intricacies of the aqueous adhesion of elastic or viscoelastic highly swollen charged polymers. In Part I the first model synthetic system permitted us to successfully link the molecular architecture of the elastic hydrogels, their interfacial charge density and the ionic strength of the medium with the underwater adhesion properties at a macroscopic level using probe-tack experiments and a microscopic level using atomic force microscopy. In Part II we successfully expanded the synthetic elastic system to measure macroscopic adhesion between oppositely charged gelatin-based hydrogels. Finally, in Part III we developed a synthetic and bio-inspired adhesive based on complex coacervation. This novel adhesive system combines the contribution of electrostatic interactions and thermoresponsive domains resulting in a material with promising properties as an injectable viscoelastic adhesive for medical applications

Ce travail s'inscrit dans le cadre du développement de sondes actives destinées à améliorer les performances des microscopes à force atomique (AFM) en vue de caractériser des objets nanométriques en milieu liquide avec une grande résolution spatiale et temporelle. Il s'agit d'un enjeu d'actualité qui mobilise la communauté scientifique tant au niveau de la physique encore souvent mal comprise que de l'instrument lui-même dont la sonde microsystème va fournir des performances accrues. L'architecture de ce nouveau capteur AFM va être identique aux sondes de type poutre encastrée-libre classiquement utilisées en AFM sous vide ou dans l'air.

L'innovation réside dans l'intégration d'un actionnement propre directement sur le capteur, pour diminuer la quantité de fluide déplacé par rapport à un actionnement déporté d'une sonde classique, et d'une pointe effilée par un nanotube de carbone, pour atteindre une résolution latérale inférieure au nm.

La recherche de la compréhension des phénomènes physiques entrant en jeu a conduit à une modélisation analytique complète du comportement dynamique du levier en milieu liquide. Cette modélisation, intégrant les phénomènes de dissipation intrinsèque à la structure et ceux dus au milieu liquide, permet d'optimiser les paramètres géométriques du capteur conduisant aux meilleures performances en terme de fréquence de résonance (>MHz) et de coefficient de qualité (>10). Des leviers aux dimensions optimales pour un actionnement en milieu liquide ont ainsi été fabriqués par technique de micro-usinage de surface et de volume. Deux voies technologiques ont été envisagées : l'actionnement électrostatique et l'actionnement piézoélectrique qui, au vue de l'étude bibliographique, sont les deux principes d'actionnement les plus adaptés à la détection de force en milieu liquide.

La résolution latérale nanométrique a été obtenue en intégrant à l'extrémité du levier une pointe à apex très effilée. Une première méthode a consisté à utiliser la croissance localisée d'un unique nanotube de carbone dans le prolongement de la pointe. Cette étape a été rendue possible par une collaboration intensive avec le LEPES et plus particulièrement avec Anne-Marie Bonnot où une statistique de greffage de nanotubes de carbone a été réalisée sur des champs de pointe à géométrie variable pour contrôler, entre autre, la longueur des tubes obtenus à l'apex des pointes en silicium. Le procédé de dépôt des nanotubes de carbone étant réalisé à haute température (>800°C), il n'est donc compatible qu'avec une technologie de fabrication haute tempérautre comme c'est le cas de l'actionnement électrostatique (1100°C). Une autre méthode est donc utilisée pour effiler les pointes en silicium des leviers piézoélectriques à technologie froide (<650°C). La pointe est fabriquée avant le dépôt des couches de PZT qui réalisent l'actionnement et un apex nanométrique est obtenu par cycles d'oxydation-désoxydation.

Ainsi les leviers actifs ont pu être caractérisés dans l'air et dans l'eau par vibrométrie laser puis par AFM, les leviers comportant un support aux dimensions entièrement compatibles avec les AFM commerciaux. Les effets d'électrolyse et d'écrantage du potentiel des électrodes, inhérents au milieu liquide d'actionnement, ont été d'autre part étudiés.

Cette étude pluridisciplinaire en collaboration avec le LEPES (nanotube de carbone) et le CPMOH (caractérisations AFM des pointes à nanotubes) a permis de fabriquer une nouvelle génération de sondes actives AFM adaptées au milieu liquide.

Les MEMS et NEMS (Micro et Nano ElectroMechanical Systems) connaissent un développement important notamment dans le cadre de la Nanomécanique. Le bon fonctionnement de ces MEMS/NEMS est soumis au contrôle des interactions de surfaces séparées par des distances de l'ordre de 100 nm à 1 Μm. A cette échelle, les forces dominantes peuvent être de nature variée (Van der Waals, Casimir, électrostatique, magnétique,...). Ce travail de thèse est consacré à l'étude expérimentale par AFM des interactions électrostatiques et de Van der Waals/Casimir entre une microsphère et une surface d'or. Une attention particulière a été apportée à la préparation et à la caractérisation des sondes (microsphère collée sur un microlevier). Ensuite, à partir de l'analyse du bruit et de la sensibilité du système de mesure, nous avons pu montrer notre capacité à mesurer des forces faibles avec une résolution inférieure au piconewton. Par une détection statique, nous avons mesuré précisément des forces capacitives de l'ordre de quelques dizaines de piconewton et pour des distances comprises entre 100 et 500 nm. Nous avons mesuré et quantifié les effets de la déflexion du microlevier sur la détermination de la distance sphère-surface. Par des mesures dynamiques, nous avons étudié le couplage entre un oscillateur (sphère-microlevier) excité mécaniquement ou thermiquement et une surface sous l'effet de la force de Casimir. Enfin, les mesures en mode dynamique, nous ont permis d'aborder l'étude des mécanismes de dissipation associés aux interactions à longue distance. Nous avons ainsi observé la dissipation par couplage électromécanique.

Les nanostructures semiconductrices isolées possèdent la propriété de confiner les charges sur des temps longs. La rétention de charges dépend de plusieurs paramètres tels que la taille de la nanostructure, la densité et la qualité de l'interface avec le diélectrique. Nous avons exploré ces propriétés à l'aide d'un AFM à l'air par microscopie à force électrostatique (EFM). L'EFM permet d'injecter des charges localement puis de sonder avec une sensibilité de quelques dizaine d'électrons seulement les comportements individuel aussi bien que collectif des nanostructures. Nous avons caractérisé l'interaction pointe-surface non-linéaire pour un couplage électrostatique, puis avons étudié le comportement de nanostructures de Si ou Ge déposées sur du SiO2. Nous avons mis en évidence d'une part la saturation du nuage de charge dans un nappe de nanocristaux, et d'autre part la propagation inhomogène de la charge à l'échelle de l'heure dans une nappe de nanocristaux plus dense.