Points quantiques : caractérisation et applications en sciences pharmaceutiques

L’imagerie médicale a longtemps été limitée à cause des performances médiocres des fluorophores organiques. Récemment la recherche sur les nanocristaux semi-conducteurs a grandement contribué à l’élargissement de la gamme d’applications de la luminescence dans les domaines de l’imagerie et du diagnostic. Les points quantiques (QDs) sont des nanocristaux de taille similaire aux protéines (2-10 nm) dont la longueur d’onde d’émission dépend de leur taille et de leur composition. Le fait que leur surface peut être fonctionnalisée facilement avec des biomolécules rend leur application particulièrement attrayante dans le milieu biologique. Des QDs de structure « coeur-coquille » ont été synthétisés selon nos besoins en longueur d’onde d’émission. Dans un premier article nous avons modifié la surface des QDs avec des petites molécules bi-fonctionnelles portant des groupes amines, carboxyles ou zwitterions. L’effet de la charge a été analysé sur le mode d’entrée des QDs dans deux types cellulaires. À l’aide d’inhibiteurs pharmacologiques spécifiques à certains modes d’internalisation, nous avons déterminé le mode d’internalisation prédominant. L’endocytose par les radeaux lipidiques représente le mode d’entrée le plus employé pour ces QDs de tailles similaires. D’autres modes participent également, mais à des degrés moindres. Des disparités dans les modes d’entrée ont été observées selon le ligand de surface. Nous avons ensuite analysé l’effet de l’agglomération de différents QDs sur leur internalisation dans des cellules microgliales. La caractérisation des agglomérats dans le milieu de culture cellulaire a été faite par la technique de fractionnement par couplage flux-force (AF4) associé à un détecteur de diffusion de la lumière. En fonction du ligand de surface et de la présence ou non de protéines du sérum, chacun des types de QDs se sont agglomérés de façon différente. À l'aide d’inhibiteur des modes d’internalisation, nous avons corrélé les données de tailles d’agglomérats avec leur mode d’entrée cellulaire. Les cellules microgliales sont les cellules immunitaires du système nerveux central (CNS). Elles répondent aux blessures ou à la présence d’inflammagènes en relâchant des cytokines pro-inflammatoires. Une inflammation non contrôlée du CNS peut conduire à la neurodégénérescence neuronale et est souvent observée dans les cas de maladies chroniques. Nous nous sommes intéressés au développement d’un nanosenseur pour mesurer des biomarqueurs du début de l’inflammation. Les méthodes classiques pour étudier l’inflammation consistent à mesurer le niveau de protéines ou molécules relâchées par les cellules stressées (par exemple monoxyde d’azote, IL-1β). Bien que précises, ces méthodes ne mesurent qu’indirectement l’activité de la caspase-1, responsable de la libération du l’IL-1β. De plus ces méthode ne peuvent pas être utilisées avec des cellules vivantes. Nous avons construit un nanosenseur basé sur le FRET entre un QD et un fluorophore organique reliés entre eux par un peptide qui est spécifiquement clivé par la caspase-1. Pour induire l’inflammation, nous avons utilisé des molécules de lipopolysaccharides (LPS). La molécule de LPS est amphiphile. Dans l’eau le LPS forme des nanoparticules, avec des régions hydrophobes à l’intérieure. Nous avons incorporé des QDs dans ces régions ce qui nous a permis de suivre le cheminement du LPS dans les cellules microgliales. Les LPS-QDs sont internalisés spécifiquement par les récepteurs TLR-4 à la surface des microglies. Le nanosenseur s’est montré fonctionnel dans la détermination de l’activité de la caspase-1 dans cellules microgliales activées par le LPS. Éventuellement, le senseur permettrait d’observer en temps réel l’effet de thérapies ciblant l’inflammation, sur l’activité de la caspase-1.

Étude de dispositifs électroniques moléculaires à l'aide de modèles simples

Cette thèse en électronique moléculaire porte essentiellement sur le développement d’une méthode pour le calcul de la transmission de dispositifs électroniques moléculaires (DEMs), c’est-à-dire des molécules branchées à des contacts qui forment un dispositif électronique de taille moléculaire. D’une part, la méthode développée vise à apporter un point de vue différent de celui provenant des méthodes déjà existantes pour ce type de calculs. D’autre part, elle permet d’intégrer de manière rigoureuse des outils théoriques déjà développés dans le but d’augmenter la qualité des calculs. Les exemples simples présentés dans ce travail permettent de mettre en lumière certains phénomènes, tel que l’interférence destructive dans les dispositifs électroniques moléculaires. Les chapitres proviennent d’articles publiés dans la littérature. Au chapitre 2, nous étudions à l’aide d’un modèle fini avec la méthode de la théorie de la fonctionnelle de la densité de Kohn-Sham un point quantique moléculaire. De plus, nous calculons la conductance du point quantique moléculaire avec une implémentation de la formule de Landauer. Nous trouvons que la structure électronique et la conductance moléculaire dépendent fortement de la fonctionnelle d’échange et de corrélation employée. Au chapitre 3, nous discutons de l’effet de l’ajout d’une chaîne ramifiée à des molécules conductrices sur la probabilité de transmission de dispositifs électroniques moléculaires. Nous trouvons que des interférences destructives apparaissent aux valeurs propres de l’énergie des chaînes ramifiées isolées, si ces valeurs ne correspondent pas à des états localisés éloignés du conducteur moléculaire. Au chapitre 4, nous montrons que les dispositifs électroniques moléculaires contenant une molécule aromatique présentent généralement des courants circulaires qui sont associés aux phénomènes d’interférence destructive dans ces systèmes. Au chapitre 5, nous employons l’approche « source-sink potential » (SSP) pour étudier la transmission de dispositifs électroniques moléculaires. Au lieu de considérer les potentiels de sources et de drains exactement, nous utilisons la théorie des perturbations pour trouver une expression de la probabilité de transmission, T(E) = 1 − |r(E)|2, où r(E) est le coefficient de réflexion qui dépend de l’énergie. Cette expression dépend des propriétés de la molécule isolée, en effet nous montrons que c’est la densité orbitalaire sur les atomes de la molécule qui sont connectés aux contacts qui détermine principalement la transmission du dispositif à une énergie de l’électron incident donnée. Au chapitre 6, nous présentons une extension de l’approche SSP à un canal pour des dispositifs électroniques moléculaires à plusieurs canaux. La méthode à multiples canaux proposée repose sur une description des canaux propres des états conducteurs du dispositif électronique moléculaire (DEM) qui sont obtenus par un algorithme auto-cohérent. Finalement, nous utilisons le modèle développé afin d’étudier la transmission du 1-phényl-1,3-butadiène branché à deux rangées d’atomes couplées agissant comme contacts à gauche et à la droite.

Caractérisation des nanoparticules polymériques par la technique d'ultracentrifugation analytique

L’utilisation de nanoparticules (NPs) dans divers domaines industriels est de plus en plus fréquente ce qui génère leur propagation dans l’environnement. Selon leur persistance, mobilité, bioaccumulation et toxicité, des risques inconnus pour la santé et pour des écosystèmes peuvent en résulter. En effet, la caractérisation et la quantification sont des défis analytiques très complexes en raison de la nature dynamique (petite taille, grande réactivité et instabilité) des nanomatériaux. L'objectif de cette étude est donc de caractériser par ultracentrifugation analytique (AUC) des nanoparticules polymériques (Allosperse® dites allosphères) qui sont destinées à des fins agricoles. Pour y parvenir, différentes NPs métalliques (argent, quantum dot), oxydes métalliques (dioxyde de titane, oxyde de zinc) et NPs de polystyrène ont d’abord été mesurés par AUC à l’aide des différents systèmes de détection (absorbance, fluorescence et interférence). Dans le cas des allosphères, un grand nombre d'essais préliminaires ont été réalisés afin d'optimiser la vitesse d'ultracentrifugation, le temps d'ultracentrifugation, le nombre de numérisations et la concentration de l'échantillon. Un protocole optimisé a été utilisé pour la détermination du diamètre hydrodynamique (dh) des NPs. Les différentes analyses qui ont été réalisées dans cette étude révèlent que l’AUC permet de déterminer la taille de très petites NPs. Par ailleurs, une étude du comportement de ces allosphères pour des pH entre 4-8, des forces ioniques de 0 à 500 mM, en présence ou absence de matière organique naturelle a été entreprise. Les travaux ont montré que le dH était d’environ 7,0 nm avec de petites augmentations à faible pH, ou à très grande force ionique ou dureté. Ces résultats indiquent la grande stabilité physique et chimique des allosphères qui auront, ainsi, une grande mobilité dans les sols. La diffusion de lumière dynamique et la spectroscopie de corrélation de fluorescence ont été utilisées afin de valider les résultats obtenus par l’AUC.

Integer filling facfor phases and isospin in vertical diatomic artificial molecules

Integer filling factor phases of many-electron vertically coupled diatomic artificial quantum dot molecules are investigated for different values of the interdot coupling. The experimental results are analyzed within local-spin density functional theory for which we have determined a simple lateral confining potential law that can be scaled for the different coupling regimes, and Hartree-Fock theory. Maximum density droplets composed of electrons in both bonding and antibonding or just bonding states are revealed, and interesting isospin-flip physics appears for weak interdot coupling when the systematic depopulation of antibonding states leads to changes in isospin.

Growth of metal and semiconductor nanostructures for nonlinear optical applications

Nonlinear optics has been a rapidly growing field in recent decades since the invention of lasers. The systematic progress in the laser technology increases our efficiency in the generation and control of coherent optical radiations. Nonlinear optics is based on the study ofeffects and phenomena related to the interaction of intense coherent light radiation with matter. Compared to other light sources laser radiation can provide high directionality, high monochromaticiry, high brightness and high photon degeneracy. At such a very intense incident beam, the matter responds in a nonlinear manner to the incident radiation fields, which endows the media :1 characteristic to change the refractive index or absorption coe fflcient of the media or the wavelength, or the frequency of the incident electromagnetic waves. This thesis encompasses the fabrication of nonlinear optical devices based on semiconductor and metal nanostructures. The presented work focus on the experimental and theoretical discussions on nonlinear optical effects especially nonlinear absorption and refraction exhibitted by metal and semiconductor nanostructures

1.55 µm High-Speed QDs Lasers for Optical Telecommunication Applications

In this work investigation of the QDs formation and the fabrication of QD based semiconductor lasers for telecom applications are presented. InAs QDs grown on AlGaInAs lattice matched to InP substrates are used to fabricate lasers operating at 1.55 µm, which is the central wavelength for far distance data transmission. This wavelength is used due to its minimum attenuation in standard glass fibers. The incorporation of QDs in this material system is more complicated in comparison to InAs QDs in the GaAs system. Due to smaller lattice mismatch the formation of circular QDs, elongated QDs and quantum wires is possible. The influence of the different growth conditions, such as the growth temperature, beam equivalent pressure, amount of deposited material on the formation of the QDs is investigated. It was already demonstrated that the formation process of QDs can be changed by the arsenic species. The formation of more round shaped QDs was observed during the growth of QDs with As2, while for As4 dash-like QDs. In this work only As2 was used for the QD growth. Different growth parameters were investigated to optimize the optical properties, like photoluminescence linewidth, and to implement those QD ensembles into laser structures as active medium. By the implementation of those QDs into laser structures a full width at half maximum (FWHM) of 30 meV was achieved. Another part of the research includes the investigation of the influence of the layer design of lasers on its lasing properties. QD lasers were demonstrated with a modal gain of more than 10 cm-1 per QD layer. Another achievement is the large signal modulation with a maximum data rate of 15 Gbit/s. The implementation of optimized QDs in the laser structure allows to increase the modal gain up to 12 cm-1 per QD layer. A reduction of the waveguide layer thickness leads to a shorter transport time of the carriers into the active region and as a result a data rate up to 22 Gbit/s was achieved, which is so far the highest digital modulation rate obtained with any 1.55 µm QD laser. The implementation of etch stop layers into the laser structure provide the possibility to fabricate feedback gratings with well defined geometries for the realization of DFB lasers. These DFB lasers were fabricated by using a combination of dry and wet etching. Single mode operation at 1.55 µm with a high side mode suppression ratio of 50 dB was achieved.

Nanocrystalline Ge Flash Memories: Electrical Characterization and Trap Engineering

Conventional floating gate non-volatile memories (NVMs) present critical issues for device scalability beyond the sub-90 nm node, such as gate length and tunnel oxide thickness reduction. Nanocrystalline germanium (nc-Ge) quantum dot flash memories are fully CMOS compatible technology based on discrete isolated charge storage nodules which have the potential of pushing further the scalability of conventional NVMs. Quantum dot memories offer lower operating voltages as compared to conventional floating-gate (FG) Flash memories due to thinner tunnel dielectrics which allow higher tunneling probabilities. The isolated charge nodules suppress charge loss through lateral paths, thereby achieving a superior charge retention time. Despite the considerable amount of efforts devoted to the study of nanocrystal Flash memories, the charge storage mechanism remains obscure. Interfacial defects of the nanocrystals seem to play a role in charge storage in recent studies, although storage in the nanocrystal conduction band by quantum confinement has been reported earlier. In this work, a single transistor memory structure with threshold voltage shift, Vth, exceeding ~1.5 V corresponding to interface charge trapping in nc-Ge, operating at 0.96 MV/cm, is presented. The trapping effect is eliminated when nc-Ge is synthesized in forming gas thus excluding the possibility of quantum confinement and Coulomb blockade effects. Through discharging kinetics, the model of deep level trap charge storage is confirmed. The trap energy level is dependent on the matrix which confines the nc-Ge.

Growth of EuTe islands on SnTe by molecular beam epitaxy

Semiconductor magnetic quantum dots are very promising structures, with novel properties that find multiple applications in spintronic devices. EuTe is a wide gap semiconductor with NaCl structure, and strong magnetic moments S=7/2 at the half filled 4f(7) electronic levels. On the other hand, SnTe is a narrow gap semiconductor with the same crystal structure and 4% lattice mismatch with EuTe. In this work, we investigate the molecular beam epitaxial growth of EuTe on SnTe after the critical thickness for island formation is surpassed, as a previous step to the growth of organized magnetic quantum dots. The topology and strain state of EuTe islands were studied as a function of growth temperature and EuTe nominal layer thickness. Reflection high energy electron diffraction (RHEED) was used in-situ to monitor surface morphology and strain state. RHEED results were complemented and enriched with atomic force microscopy and grazing incidence X-ray diffraction measurements made at the XRD2 beamline of the Brazilian Synchrotron. EuTe islands of increasing height and diameter are obtained when the EuTe nominal thickness increases, with higher aspect ratio for the islands grown at lower temperatures. As the islands grow, a relaxation toward the EuTe bulk lattice parameter was observed. The relaxation process was partially reverted by the growth of the SnTe cap layer, vital to protect the EuTe islands from oxidation. A simple model is outlined to describe the distortions caused by the EuTe islands on the SnTe buffer and cap layers. The SnTe cap layers formed interesting plateau structures with easily controlled wall height, that could find applications as a template for future nanostructures growth. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

On the lower bound on the exchange-correlation energy in two dimensions

We study the properties of the lower bound on the exchange-correlation energy in two dimensions. First we review the derivation of the bound and show how it can be written in a simple density-functional form. This form allows an explicit determination of the prefactor of the bound and testing its tightness. Next we focus on finite two-dimensional systems and examine how their distance from the bound depends on the system geometry. The results for the high-density limit suggest that a finite system that comes as close as possible to the ultimate bound on the exchange-correlation energy has circular geometry and a weak confining potential with a negative curvature. (c) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Shot Noise in a Spin-Diode Geometry

We apply the master equation technique to calculate shot noise in a system composed of single level quantum dot attached to a normal metal lead and to a ferromagnetic lead (NM-QD-FM). It is known that this system operates as a spin-diode, giving unpolarized currents for forward bias and polarized current for reverse bias. This effect is observed when only one electron can tunnel at a time through the dot, due to the strong intradot Coulomb interaction. We find that the shot noise also presents a signature of this spin-diode effect, with a super-Poissonian shot noise for forward and a sub-Poissonian shot noise for reverse bias voltages. The shot noise thus can provide further experimental evidence of the spin-rectification in the NM-QD-FM geometry.

Thermal dependence of the zero-bias conductance through a nanostructure

We show that the conductance of a quantum wire side-coupled to a quantum dot, with a gate potential favoring the formation of a dot magnetic moment, is a universal function of the temperature. Universality prevails even if the currents through the dot and the wire interfere. We apply this result to the experimental data of Sato et al. (Phys. Rev. Lett., 95 (2005) 066801). Copyright (C) EPLA, 2009

Towards coherent optical control of a single hole spin: Rabi rotation of a trion conditional on the spin state of the hole

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Thermal dependence of the zero-bias conductance through a nanostructure

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

SAXS and UV-Vis combined to Quick-XAFS monitoring of ZnO nanoparticles formation and growth

Time-resolved X-ray absorption-fine structure (Quick-XAFS) and UV-Vis absorption spectroscopies were combined for monitoring simultaneously the time evolution of Zn-based species and ZnO quantum dot (Qdot) formation and growth during the sol-gel synthesis from zinc oxy-acetate precursor solution. The time evolution of the nanostructural features of colloidal suspension was independently monitored in situ by small angle X-ray scattering (SAXS). In both cases, the monitoring was initialized just after the addition of NaOH solution (B = [OH]/[Zn] = 0.5) to the precursor solution at 40 degrees C. Combined time-resolved Quick-XAFS and UV-Vis data showed that the formation of ZnO colloids from the zinc oxy-acetate consumption achieves a quasi-steady-state chemical equilibrium in less than 200s. Afterwards, the comparison of the ZnO Qdots size and Guinier gyration radius evidences a limited aggregation process coupled to the Qdots growth. The analysis of the experimental results demonstrates that the nanocrystal coalescence and Ostwald ripening control the kinetics of the Qdot growth.

Compositional modulation and surface stability in InGaP films: Understanding and controlling surface properties

We investigate the formation of compositional modulation and atomic ordering in InGaP films. Such bulk properties - as well as surface morphologies - present a strong dependence on growth parameters, mainly the V/III ratio. Our results indicate the importance of surface diffusion and, particularly, surface reconstruction for these processes. Most importantly from the application point of view, we show that the compositional modulation is not necessarily coupled to the surface instabilities, so that smooth InGaP films with periodic compositional variation could be obtained. This opens a new route for the generation of templates for quantum dot positioning and three-dimensional arrays of nanostructures. © 2007 American Institute of Physics.