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UNIVERSITÉ DE STRASBOURG ÉCOLE DOCTORALE DE PHYSIQUE ET CHIMIE-PHYSIQUE (ED182)

UNIVERSITÉ DE STRASBOURG ÉCOLE DOCTORALE DE PHYSIQUE ET CHIMIE-PHYSIQUE (ED182) Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg THÈSE présentée par : Delphine TOULEMON soutenue le : 22 novembre 2013 pour obtenir le grade de : Docteur de l’université de Strasbourg Discipline/ Spécialité : Chimie-Physique Stratégies d’assemblage par chimie « click » de nanoparticules magnétiques sur des surfaces fonctionnalisées THÈSE dirigée par : Mme BEGIN-COLIN Sylvie Professeur, IPCMS,ECPM, Strasbourg RAPPORTEURS : Mme PRADIER Claire-Marie Directrice de recherche, UPMC, Ivry Mme CATALA Laure Maître de conférences, ICMMO, Orsay AUTRES MEMBRES DU JURY : Mme AMMAR-MERAH Souad Professeur, ITODYS, Paris, Mr GUILLON Daniel Directeur de recherche, IPCMS,ECPM, Strasbourg Mr GRANSART Sylvain Direction Générale de l’Armement, Paris Mr PICHON Benoît Maître de conférences, IPCMS,ECPM, Strasbourg Mr CATTOEN Xavier Chargé de Recherches, Institut Néel, Grenoble A ma famille, qui me donne des racines et des ailes. Remerciements A l’heure de la tant attendue fin de la rédaction (si si ça existe), voici le moment de remercier toutes les personnes qui m’ont aidée à mener à bien ce travail, effectué au sein du département de chimie des matériaux inorganiques (DCMI) de l’Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg (IPCMS). Tout d’abord, merci à la région Alsace et à la Direction Générale de l’Armement (DGA) d’avoir financé ce travail de recherche. Je remercie M. Marc Drillon et M. Stefan Haacke, directeurs successifs de l’IPCMS de m’avoir permis d’effectuer ma thèse à l’institut, ainsi que Madame Geneviève Pourroy pour son accueil au sein du DCMI. Je tiens particulièrement à remercier Mme Claire Marie Pradier, Mme Laure Catala, Mme Souad Ammar-Mérah, Mr Daniel Guillon et Mr Xavier Cattoën, qui mon fait l'honneur de juger ces trois années de recherche et ont accordé beaucoup de temps et d’attention à mon travail. Merci aussi à Sylvain Gransart d’avoir suivi cette thèse pour la DGA et pour ses remarques et conseils avisés. Un immense merci à ma directrice de thèse Sylvie Bégin et à mon co-encadrant Benoit Pichon. Merci à toi Sylvie pour tout le temps et l'énergie que tu m'as consacrés pour la préparation de mon oral, mais aussi pendant ces trois années de thèse. Merci de ton expérience sur mon sujet, sur le magnétisme et la synthèse des nanoparticules, les discussions que nous avons eues au cours de ma thèse m'ont beaucoup apporté. Merci à toi Benoit pour ce sujet passionnant et pour ton implication dans mon travail. Merci aussi d’avoir été présent au quotidien, pour m’aider ou discuter des résultats. Bonne chance pour la suite et pour la rédaction de ton HDR! Merci à vous deux de m’avoir donné l’opportunité de présenter mes travaux dans des conférences et d’avoir établi des collaborations très enrichissantes autour de mon sujet. Merci aux personnes avec qui nous avons collaboré, en particulier Mircea Rastei du DMO de l’IPCMS pour son expertise en MFM, les discussions fructueuses que nous avons eues et sa bonne humeur. Merci à Véronique Pierron-Bohnes et Corinne Ulhac du DMONS pour la belle étude d’holographie et pour leur aide pour l’interprétation des résultats. Merci aussi à Spyridon Zafeiratos et à Vasiliki Papaefthimiou de l’ICPEES (ex LMSPC) pour leur étude en XPS et pour leur aide. Merci à Bernard Doudin et à Jean-François Dayen du département DMONS pour la collaboration sur les mesures de magnétorésistance ainsi qu’au personnel de la salle blanche, en particulier Romain et Sabine. Merci aussi à Karine Mougin and Simon Gree de l’IS2M de Mulhouse pour les mesures de PMIRRAS et à Pascal Marie de l’ICS de Strasbourg pour son aide pour le traitement d’images. Un grand merci à Xavier Cattoën de l’ICG de Montpellier pour ses supers molécules et d’avoir été toujours disponible pour m’apporter ses lumières sur la click ou sur des problèmes de chimie organique. Merci Xavier pour cette collaboration passionnante. Un merci tout particulier à l’équipe IMI de l’ICS pour la collaboration sur l’électrochimie, en particulier à Gaulthier Rydzek pour m’avoir montré l’exemple pour faire une très bonne thèse et pour avoir mille idées brillantes à la minute, à Loïc Jierry qui est le roi de la synthèse et toujours disponible pour un conseil, à Monsieur Schaaf qui est toujours impressionnant de par sa vision de la science et son bourdonnement d’idées. Enfin, merci mille fois à Fouzia Boulmedais pour m’avoir soutenue pour établir cette collaboration et d’avoir toujours cru en moi et de m’avoir conseillée et encouragée depuis la petite stagiaire 2AM que j’étais jusqu’à aujourd’hui. Merci aussi aux professeurs de la filière matériaux de l’ECPM pour leurs encouragements. Cette thèse n’aurait pas été la même sans l’aide précieuse de Cédric Leuvrey qui a passé ses vendredis après midi au MEB ainsi que Jacques Faerber, Driss Ihiawakrim pour le MET, Céline Kiefer pour l’aide au laboratoire et Didier Burger pour l’ATG, Emmanuel Sternitzky pour l’électronique, Jeannot Stoll pour la mécanique, Sophie Barre pour son aide en AFM, Sylvie Mainge pour son efficacité pour les tâches administratives, mais surtout à toutes ces personnes pour leur aide en général et pour leur gentillesse. Merci aussi à la fine équipe de chimie 5 : Aurélie Walter, Solenne Fleutot, Xiaojie LIU, Walid Baaziz, Olivier Gerber, Gabriela Popa, Yu Liu, ainsi que les stagiaires Anthony Boulliung, Zaineb Chaffar et Mathias Dolci. Merci à Solenne et Walid de m’avoir formé à mon arrivée, à Aurélie pour son aide pour les synthèses et pour tout le temps passé au MET et Walid pour le MET du début de ma thèse. Merci à Zaineb pour l’aide pour les manips pendant la rédaction. Mais surtout merci à vous tous pour la bonne ambiance de chimie 5, pour des souvenirs qui resteront inoubliables (le geyser !) et pour l’esprit d’entraide qui nous a presque toujours liés. Merci à tout le personnel du DCMI, les post doc Marina Lang, Julien Jouhannaud pour leur aide et de nous montrer l’exemple, les permanents d’être disponibles et toujours prêts à répondre à des questions ou à donner un coup de main et à tous les gens du DCMI pour leur humour à nul autre pareil (humhum !!). Cette thèse aura été pour moi la meilleure façon possible de clôturer mon "escapade" alsacienne qui aura duré 7 ans. Je pars avec le cœur gros de laisser derrière moi des gens auxquels je me suis vraiment attachée et une très bonne ambiance de travail. Merci à mes compagnons de galère de rédaction Alexandre Thomasson (Nex) 6 ans d’aventure commune ! , Marc Lenertz (Marco) le champion de fullprof et le codirecteur de la team papalisa, et Zo Raolison (alias petit soleil) compagnon du samedi (tu en es à combien de pages ?), ainsi qu’aux autres thésards du DCMI et de l’institut pour leur camaraderie et à la team papalisa Marc, Aurélie et Silviu pour la psychanalyse culinaire! Merci mille fois à mes amis, Clara, Clémence, Karim, Solenne et Aurélie, à ceux de Paris d’avoir toujours été là pour moi, même quand j’avais peu de temps à leur consacrer. A ma famille qui est tout pour moi, à Aurélie d’avoir été la meilleure binôme/colloc/femme/coach /gourou du monde et qui va nous faire une thèse du feu de dieu et à Axel de comprendre la place que j’accorde à mon travail mais surtout de rendre ma vie plus belle. Merci enfin à pamplemousse d’avoir attendu son heure!!! Introduction ................................................................................................................................. 1 Chapitre I : Etat de l’art ................................................................................................................. 5 I) Structures de l’oxyde de fer .................................................................................................. 7 I.1 Structures et composition de la magnétite et de la maghémite ............................................ 7 I.1.1 Structures cristallines ...................................................................................................... 7 I.1.2 Evolution de la composition à l’échelle nanométrique ................................................... 7 I.1.3 Structure électronique et propriétés électriques............................................................ 9 I.2 Structures de la wüstite........................................................................................................... 9 I.3 Conclusion ............................................................................................................................. 10 II) Synthèse de NPs d’oxyde de fer .......................................................................................... 11 II.1 Principales voies de synthèses .............................................................................................. 11 II.2 Méthode de décomposition thermique ................................................................................ 12 II.2.1 Contrôle de la taille des NPs .......................................................................................... 14 II.2.2 Contrôle de la morphologie ........................................................................................... 14 II.2.3 Contrôle de la composition des NPs .............................................................................. 15 II.3 Conclusion ............................................................................................................................. 16 III) Assemblage de NPs magnétiques ........................................................................................ 16 III.1 Stratégies d’assemblages ...................................................................................................... 16 III.2 Assemblage de NPs sur un substrat non fonctionnalisé ....................................................... 17 III.3 Assemblage par fonctionnalisation du substrat : préparation de couches auto-assemblées de molécules ..................................................................................................................................... 19 III.3.1 Couches auto-assemblées de molécules (self assembled monolayers, SAMs) ............. 19 III.3.2 Assemblage de NPs sur des SAMs par interaction directe entre les NPs et la SAM ..... 22 III.3.3 Assemblage de NPs sur des SAMs mixtes ..................................................................... 23 III.3.4 Assemblage de NPs sur des SAMs par interaction entre le ligand des NPs et le groupement de tête fonctionnel de la SAM ................................................................................. 28 III.4 Assemblage de NPs par couplage covalent ........................................................................... 31 III.4.1 Présentation du concept de réaction de chimie click ................................................... 31 III.4.2 Applications de la chimie click ....................................................................................... 32 III.5 Conclusion ............................................................................................................................. 34 IV) Propriétés magnétiques...................................................................................................... 34 IV.1 Magnétisme d’une particule unique ..................................................................................... 38 IV.1.1 Anisotropie magnétocristalline ..................................................................................... 38 IV.1.2 Anisotropie de surface .................................................................................................. 39 IV.1.3 Anisotropie de forme .................................................................................................... 39 IV.1.4 Anisotropie effective ..................................................................................................... 39 IV.1.5 Dynamique d’aimantation ............................................................................................. 40 IV.1.6 uploads/Geographie/ 9-toulemon-delphine-2013-unlock.pdf