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Terahertz nonreciprocal effects using hexagonal ferrites

/ Horák Tomáš / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 12-12-2017
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Des sources et des détecteurs ont été développés récemment pour les fréquences térahertz (THz) mais de nombreux composants passifs sont encore manquants. C’est le cas des composants non-réciproques (NR) qui sont indispensables pour la protection et la stabilisation des sources cohérentes. Dans cette thèse on étudie un nouveau concept d’isolateur THz, basé sur la combinaison d'une résonance plasmonique de surface (SP) avec un matériau à forte gyrotropie dans la gamme THz. Nous utilisons un matériau ferrite de type magnétoplumbite hexagonale, sa gyrotropie résulte d'effets gyromagnétiques dus à la précession de ses moments magnétiques à la fréquence de Larmor autour du champ magnétique interne. Il en résulte une perméabilité tensorielle dont les éléments non-diagonaux opposés induisent une réponse NR. Le fort champ interne d'une hexaferrite mène à une fréquence Larmor proche de la gamme millimétrique. Les permittivités et perméabilités diagonales ont été déterminées par analyseur de réseau vectoriel (VNA) avec un fenêtrage temporel. La gyrotropie et l’anisotropie THz ont été mesurées par spectroscopie dans le domaine temporel (TDS). Les mesures confirment les fortes valeurs attendues, un isolateur de Faraday THz a été conçu et mesuré. D’autre part, un miroir magnéto-plasmonique NR a été conçu, il est basé sur la combinaison du gyromagnétisme THz de l’hexaferrite avec les résonances SP à la surface d’un réseau métallique sub-longueur d'onde. Ces résonnances ont été démontrées expérimentalement et sont en accord avec les simulations. A proximité des résonances SP le dispositif se comporte comme un miroir unidirectionnel.

Contribution à la réalisation de capteurs de rayonnements ionisants radiotransparents : applications au domaine de la radiologie interventionnelle

/ Guérin Laura / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 11-12-2017
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La maîtrise de l’augmentation des doses de rayonnements ionisants en imagerie médicale constitue un objectif prioritaire des exigences réglementaires européennes et nationales. Cette radioprotection passe notamment par le besoin constant de développement de dispositifs de dosimétrie appropriés, permettant l’évaluation de la dose délivrée. Aujourd’hui, les dispositifs de dosimétrie utilisés en radiologie, en radiothérapie ou en imagerie nucléaire ne sont pas adaptés aux contraintes de la radiologie interventionnelle. Dans le cadre de cette thèse, nous proposons d’étudier si l’usage de nouveaux matériaux et des nanotechnologies, non conventionnels au domaine médical, peut contribuer au développement de solutions de mesure de dose radiotransparentes, avec pour cas d’étude la radiologie interventionnelle. Notre approche a consisté en le développement d’un nouveau modèle permettant de prédire le comportement électromagnétique et le caractère radiotransparent d’un matériau. La radiotransparence et la visibilité sur les images radiographiques qui sont d’habitude traitées au cas par cas, sont abordées d’un point de vue plus général en reproduisant toute la chaîne de production de l’image. Ce modèle a mis en perspective l’intérêt du PEDOT:PSS dans la dosimétrie des rayons X. Parallèlement, nous avons considéré les MOSFET comme indicateurs de mesure de dose en radiologie interventionnelle, utilisés généralement en radiothérapie où les énergies mises en jeu sont bien plus élevées. L’originalité de cet axe est d’étudier des MOSFET issus de l’électronique, non dédiés à la dosimétrie.

Développement de composants flexibles en technologie hétérogène (GaN et graphène) pour des applications hautes fréquences

/ Mhedhbi Sarra / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 01-12-2017
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Depuis quelques années, nous assistons à l’essor d’une nouvelle filière d’électronique basée sur des supports flexibles. De nombreuses applications difficilement atteignables par l’électronique classique sont visées, c’est notamment le cas des tags RFID, des capteurs mobiles, des écrans flexibles…. Cette électronique est essentiellement basée sur des matériaux organiques pour lesquels la faible mobilité (<1cm2 /V.s) limite considérablement les performances hyperfréquences des composants. Dans ce contexte, l’intégration hétérogène de composants des filières GaN et graphène sur substrat flexible apparait comme une solution prometteuse pour des applications de puissance hyperfréquence où la conformabilité sur surface non plane est souhaitée. Ces travaux présentent d’une part, une méthode de transfert de composants HEMTs AlGaN/GaN sur ruban flexible et d’autre part, une technique de manipulation du substrat souple et de fabrication directe des composants à base de graphène sur celui-ci. Des HEMTs AlGaN/GaN à faible longueur de grille (LG = 100nm) ont été transférés sur ruban flexible et ont permis d’atteindre des résultats à l’état de l’art en termes de puissance hyperfréquence avec un gain de puissance linéaire (Gp) de 15,8 dB, une densité de puissance de sortie (Pout) de 420 mW / mm et une puissance ajoutée (PAE) de 29,6%. Pour les composants à base de graphène, une technique de manipulation du substrat flexible a été développée et a permis de fiabiliser le procédé technologique de fabrication. Une fréquence de coupure ft de 1GHz et une fréquence maximale d’oscillation fmax de 3 GHz ont été obtenues.

Modélisation, réalisation et test de MEMS RF capacitif de puissance à base de dépôt diélectrique par ALD pour la conception de commutateur pour applications RADAR

/ Croizier Guillaume / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 24-11-2017
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Les MEMS RF sont des composants clés pour le développement de nombreuses fonctions de systèmes hyperfréquences plus efficaces et plus compactes (déphaseurs, module transmission/réception, réseau d’antennes à déphasage, circuits reconfigurables, réseau d’adaptation …). Pour le développement des prochaines générations de systèmes RADAR, Thales s’intéresse notamment à l’intégration de MEMS RF capacitifs pour développer des fonctions reconfigurables pouvant supporter des puissances hyperfréquences de l’ordre de 30 W. Les travaux exposés dans ce manuscrit se sont concentrés sur l’étude de matériaux diélectriques et de techniques de dépôts pour identifier, intégrer et démontrer la viabilité de diélectriques prometteurs pour les MEMS RF capacitifs de puissance. Les aspects relatifs à la fabrication de ces composants ont également été étudiés, particulièrement l’impact de la maitrise des états de surface sur les performances, la tenue en puissance et la défaillance des dispositifs. En outre, ces travaux ont montrés qu’avec l’introduction des matériaux déposés par ALD, la tenue en puissance des MEMS RF capacitifs n’est plus limitée par le diélectrique. En intégrant ces matériaux ALD, l’architecture des dispositifs devient le facteur limitant la tenue en puissance, particulièrement l’épaisseur de la membrane et la configuration du commutateur. En perspectives, différentes architectures ont donc été développées et étudiées pour adresser ces limitations de tenue en puissance.

Transmetteurs radiofréquences numériques fortement parallélisés avec amplificateur de puissance commuté et filtre de bande embarqués en technologie 28nm FD-SOI CMOS

/ Marin Răzvan-Cristian / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 23-11-2017
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Le présent travail de thèse porte sur l’étude, la conception et la démonstration d'émetteurs entièrement numériques, ciblant des standards de communication avancés pour les applications mobiles dans le cadre de l’Internet des Objets (IoT). Les innovations clés sont le modulateur Delta-Sigma (DSM) entrelacé et un amplificateur de puissance à réponse impulsionnelle finie (FIR-PA) basé sur une structure efficace à capacités commutées (SC). Le block FIR-PA utilise uniquement des inverseurs CMOS et des condensateurs dans une configuration SC, ce qui est entièrement compatible avec les nœuds technologiques CMOS avancés. Le prototype est implémenté dans une technologie 28nm FD-SOI CMOS avec 10 couches métalliques et un contrôle amélioré de la tension du substrat. L'émetteur RF numérique atteint un nombre de bits effectif de 13.5 dans la bande de signal utile et est compatible avec le standard LTE 900 MHz. Le circuit consomme 35 mW à une puissance de sortie maximale de 2.9 dBm et une alimentation de 1 V. Par rapport à l'état de l'art, à des niveaux de puissance de sortie similaires, le FIR-PA consomme 7 fois moins qu'un DAC 10-bit intégrant des modulateurs delta-sigma et 25% moins qu’un DAC résistif 12-bit. La surface active totale est de 0.047 mm2, soit 4 fois moins que le plus petit circuit publié précédemment. Par conséquent, ce travail se distingue par une faible consommation d'énergie grâce à la l’architecture 1-bit combinée au filtrage de bande et par la surface réduite obtenue par l’intégration efficace des cellules du FIR-PA. Il démontre la transition de l’émetteur analogique traditionnel à l’émetteur numérique intégré ciblant l'avenir des applications mobiles.

Réalisation et caractérisation de membranes polymères microstructurées capables de moduler leurs propriétés de réflexion dans le domaine du moyen infrarouge : application aux textiles pour le confort thermique

/ Viallon Maud / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 17-11-2017
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L’objectif de cette thèse est la fabrication de membranes polymères pouvant être complexées à un textile pour améliorer le confort thermique ressenti. Celles-ci doivent être capables de moduler dynamiquement leurs propriétés optiques dans le moyen infrarouge (MIR) en fonction de leur environnement. La première partie de ce travail présente les notions théoriques liées au confort thermique et mécanismes physiques de transferts hydrique et thermique à travers les membranes textiles. Un état de l’art permet d’identifier les technologies existantes. Il introduit le concept des cristaux photoniques et leur application dans le MIR. Un cahier des charges pour la conception d’une membrane polymère structurée utilisant le principe des cristaux photoniques pour moduler l’interaction du rayonnement thermique humain est établi. La seconde partie de ce travail décrit la méthode de simulation FDTD utilisée pour prédire les propriétés optiques de membranes micro-structurées en fonction de leur géométrie. Une première réalisation en silicium polycristallin a permis de valider le calibrage du modèle numérique et le protocole de caractérisation infrarouge. Le procédé de fabrication utilise les technologies de salle blanche issues de la microélectronique et des microsystèmes. La dernière partie de ce travail est consacrée à l’étude FDTD de membranes polymères microstructurées à partir du modèle ‘in-silico’ calibré. Elle permet de définir des paramètres géométriques permettant de moduler la réflexion des infrarouges ayant une longueur d’onde entre 5 et 15 microns. Un procédé de fabrication est développé qui permet de réaliser des membranes structurées autosupportées aux dimensions appropriées.

Organic semiconductor p-doping : toward a better understanding of the doping mechanisms and integration of the p-doped layer in organic photodetectors

/ Herrbach-Euvrard Julie / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 06-10-2017
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Contrairement à l’électronique conventionnelle à base de silicium, l’électronique organique offre de nouvelles possibilités telles que la production sur grande surface et à faible bilan thermique, ou encore l’utilisation de substrats flexibles et transparents. Afin d’améliorer la conductivité des semi-conducteurs ainsi que le contact polymère-électrode métallique, le dopage en électrons et en trous doit être développé dans les matériaux organiques. Dans cette thèse, des techniques de caractérisation électrique (courant tension à température variable, capacité, spectroscopie d’admittance), optique (spectroscopie UV-visible et de photoluminescence) et matériau (RMN, MEB, MET) ont été utilisées pour analyser l’influence de la concentration en dopant Mo(tfd-COCF3)3 sur les propriétés électriques du polymère PBDTTT-c et améliorer notre compréhension du mécanisme mis en jeu dans le dopage. La couche dopée a été intégrée avec succès dans un photodétecteur organique en utilisant une technique de laminage afin de remplacer la couche habituellement utilisée de PEDOT:PSS, connue pour générer des problèmes de stabilité dans le dispositif. Enfin, la technique de laminage et le savoir acquis sur le dopage des semi-conducteurs organiques ont permis d’étudier l’impact du dopage non intentionnel par l’oxygène sur les performances des photodétecteurs organiques. Bien qu’il soit encore nécessaire de renforcer notre compréhension sur le dopage des semi-conducteurs organiques, améliorer la technique de dépôt par laminage et introduire la couche dopée dans divers dispositifs imprimés, les résultats présentés dans cette thèse sont prometteurs pour le développement de l’électronique organique.

Development of a physiologically-relevant in-vitro microfluidic model for monitoring of pancreatic cancer cells interactions with the liver

/ Danoy Mathieu / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 06-10-2017
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Le procédé de la métastase cancéreuse et sa compréhension sont devenus un des sujets majeurs de recherche en Biologie. En utilisant des modèles in-vitro en culture statique et dynamiques, nous avons étudié la possibilité de reproduire l’environnement physiologique in-vivo avec ces modèles. Nous avons développé un modèle de coculture hiérarchique dans des plaques à fond en PDMS. Composé d’hépatocytes, de pericytes et de cellules endothéliales. Dans différentes conditions, l’influence de ces cellules sur l’adhésion de cellules cancéreuses ou promyéloblastiques a été analysée ainsi que leur effet sur l’état inflammatoire du système. Afin de reproduire le flux sanguin et les forces de cisaillement présents in-vivo, le modèle a été transféré dans un système microfluidique. Le système se compose de trois canaux séparés par des micro-piliers, pouvant être remplis indépendamment. Les pericytes insérés dans du gel, les hépatocytes, les cellules endothéliales et finalement les cellules cancéreuses ont été injectés de façon successive afin de reproduire l’environnement in-vivo. Les cellules ont été trouvées viables durant toute la culture et des marqueurs relatifs au foie et à l’inflammation exprimés. L’influence des hépatocytes et des pericytes a été analysé. Il a été observé que les cellules cancéreuses adhérées dans le canal du haut étaient attirées par les autres cellules dans les diffèrent canaux. Les modèles établis posent de solides bases pour d’autres systèmes plus complexes et d’intérêt pouvant servir de complément aux modèles in-vivo lors de la recherche de nouvelles substances médicamenteuses.

Conduction thermique à la nanoéchelle dans le silicium : simulations par dynamique moléculaire d’approche à l’équilibre

/ Zaoui Hayat / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 01-09-2017
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Les propriétés thermiques des nanomatériaux offrent une palette variée de comportements. Parfois, le transfert thermique est dégradé comparé à l'échelle macroscopique, produisant un échauffement dans les nanodispositifs électroniques et une augmentation de l'efficacité des modules thermoélectriques. D'autres fois, la conductivité thermique atteint des niveaux supérieurs à ceux des matériaux massifs. Cette thèse étudie le transport de chaleur dans des nanostructures de silicium par simulation à l'échelle atomique. La méthode de la dynamique moléculaire est utilisée dans un cadre original basé sur l'exploitation de transitoires de température, la dynamique moléculaire d'approche à l'équilibre (AEMD i.e. Approach-to-Equilibrium Molecular Dynamics). Après avoir présenté et illustré l'AEMD dans le cas du silicium massif, nous étudions la conductivité thermique de nanofils lisses en fonction de leur diamètre et de la longueur. Nous montrons que le profil de température est conforme à l'équation de la chaleur et que la conductivité thermique des nanofils sature à grande longueur. Nous étudions ensuite l'effet d'une nanostructuration par évidement et de la rugosité de surface. Nos résultats sont comparés à une approche de simulation alternative pour explorer le poids relatif des collisions phononiques internes et surfaciques. Enfin, nous nous intéressons à la conductivité thermique de membranes de silicium nanostructurées fabriquées au sein du laboratoire. Nous montrons que, pour réduire davantage la conductivité thermique et ainsi augmenter l'efficacité de conversion d'un dispositif thermoélectrique, il faudra davantage de nanostructuration que des évidements cylindriques.

Élaboration d’électrodes à base de films d’or nanoporeux et conception de micro-supercondensateurs intégrés

/ Pastre Aymeric / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 12-07-2017
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Le travail de thèse a pour objectif la conception de micro-supercondensateurs tout-solide à base d’or nanoporeux, intégrés sur substrat de silicium. Dans un premier temps nous avons développé un procédé de formation de films d’or par réduction chimique auto-catalytique. Afin d’augmenter l’adhérence du film d’or sur le substrat de silicium, une couche d’accroche originale a été élaborée par procédé sol-gel. Il s’agit d’un film mince d’oxyde de zirconium (ZrO2) dopé par des nanoparticules d’or. La porosité de ces films d’or a été contrôlée par une méthode de templating à partir de microsphères de polystyrène (Ø ≈ 20 nm). Les films d’or nanoporeux peuvent atteindre 1,2 µm d’épaisseur en l’absence de délamination. La porosité est totalement interconnectée et la taille des pores (20 nm) a été choisie afin d’être compatible avec l’électrolyte utilisé. Le procédé fait uniquement intervenir des méthodes chimiques en solution et est totalement compatible avec les procédés classiques de micro-fabrication. Les films d’or nanoporeux constituant le matériau d’électrodes du micro-supercondensateur, ont été structurés par photolithographie sous la forme de peignes interdigités. L’imprégnation d’un électrolyte polymère gélifié (PVA / KOH) a permis de finaliser la fabrication du micro-supercondensateur tout-solide. Les caractérisations électrochimiques montrent que le micro-dispositif atteint une capacité surfacique de 240 µF/cm² à 20 mV/s, et peut endurer plus de 8000 cycles en ne perdant que 5% de sa capacité initiale. Ces performances sont comparables à celles des micro-supercondensateurs intégrés tout-solide reportées dans la littérature.

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