Les sujets de thèse 2015 - IEMN

Sujets de thèse 2015
Développement d’outils de criblage à haut débit d’enzymes de type
Laccase pour la valorisation de lignines modifiées
Dispositifs balistiques bidimensionnels : Propriétés physiques et
applications
Synthèse grande surface de nitrure de bore cristallin : Application au
développement des dispositifs à base de matériaux 2D, fonctionnant
à haute fréquence
Métamatériaux électromagnétiques fabriqués par impression 3D :
Application à l’imagerie micro-onde
Absorbants électromagnétiques ultra-minces, large bande et flexibles
à base de métamatériaux
Caractérisation haute fréquence sous pointes de nano-dispositifs :
aux limites dimensionnelles et d’impédance
Biocapteurs intégrés à base de résonance plasmonique: application
au dosage et suivi d'éléments pathogènes ou curatifs dans le
domaine phytosanitaire
Réalisation de cellules solaires CIGS spatialement localisées
Matériau absorbeur de type ZnSnN2 pour cellules solaires
Vers une Électronique Radiofréquence souple et biodégradable
Capteur communicant autonome haute température (> 200 °C) basé
sur un microgénérateur thermoélectrique
Etude du traitement de solutions aqueuses en microsystème par
interaction avec des microdécharges (application à la croissance et
modification de nanoparticules)
Evaluation ultrasonore du phénomène d’adhésion par une mesure
d’autocorrélation. Application à la mesure d’encrassement en
agroalimentaire
Amélioration des Performances des Caloducs par les Self Rewetting
Nanofluides : application au refroidissement des convertisseurs de
puissance pour le ferroviaire
Etude théorique de composants semi-conducteurs à transfert
électronique pour la réalisation de sources térahertz de puissance à
température ambiante
Réseaux d'énergie embarqués dans les systèmes de transport :
Communication et diagnostic passif par courant porteur en ligne
(CPL)
Massive MIMO for increasing energy and spectral efficiency: channel
properties and impact on the PHY layer
Dynamic propagation model for Vehicle to Vehicle (V2V)
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communication
Steep subthreshold slope devices based on tunneling between 2D
quantum states
Communications sans fils aux fréquences THz : application à la
transmission vidéo haute-définition temps-réel
Structure électronique et propriétés de réseaux cohérents de
nanocristaux de semiconducteurs
Spectroscopie électronique de nanostructures et molécules par
microscopie à force atomique à basse température
Etude de métamatériaux acoustiques mixtes pour le contrôle et la
focalisation des ondes élastiques
Optimisation des propriétés thermiques et rhéologiques de
dispersions de nanoparticules pour évacuation de la chaleur
Phénomènes moléculaires dans l’endommagement de l’ADN par
rayonnements ionisants
Conception et fabrication de neurones artificiels pour le traitement
bioinspiré de l’information
Etude du transport électronique dans GaN sous fort champ électrique
Composants de puissance hyperfréquence de la filière GaN sur
différents substrats fonctionnant en bandes V et W
Mesures de la température dans les transistors HEMTs AlGaN/GaN
en fonctionnement – Amélioration de la conductivité thermique
Conception d'un filtre acoustooptique multifréquence à sélection de
polarisation et compensation de biréfringence. Application à l'imagerie
hyperspectrale
Etude des cavités actives dans les nanostructures périodiques à gap
de photons
Caractérisation de dépôts et revêtements minces par ondes de
surface et guidées générées et détecté par sources laser
Evaluation ultrasonore du phénomène d’adhésion par une mesure
d’autocorrélation. Application à la mesure d’encrassement en
agroalimentaire
Etude de molécules optiquement stimulables par Conducting-AFM en
spintronique moléculaire
Conception, réalisation et caractérisation de composants mémoires
nanométriques en régime hyperfréquence
Phononic Engineering Converters
Micro-Thermionic Converters
Procédés de Microstructuration Laser pour l'Electronique Flexible
Hautes Performances
Contribution à l’amélioration des transmissions vidéo dans les
réseaux ad-hoc véhiculaires (VANET)
Contribution à la mise en œuvre d’une plateforme de communication
haut et bas débits pour l’extraction d’informations train-sol dans le but
de détecter des défauts de positionnement des aiguillages
Nouveaux systèmes de communication V2V basés sur la 5G
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Etude et développement d’un Radar UWB OFDM MIMO
Metasurfaces aux fréquences terahertz, infrarouge et optique: lentilles
et antennes plates
Modulateurs à base de metamatériaux terahertz actifs et leurs
applications à l’imagerie et aux communications sans fil
Antenne plates pour les fréquences terahertz et infrarouge
Etudes de structures Ferroics et du couplage
ferroélectrique/magnétique. Applications aux composants accordables
à hautes fréquences
Composants reconfigurables microondes à base de matériaux
ferroélectriques
Environnements Impulsifs et dépendance dans les réseaux de
capteurs
Optimisation de la consommation des nœuds d’un réseau de capteurs
Management thermique au sein d'une intégration hétérogène 3D
pour systèmes communicants autonomes - vers une application à
l'électronique flexible.
Screening des matériaux déposables en technologie film mince pour
microdispositifs de stockage
Réalisation de micro-supercapacités à base de silice métallisée
Ingénierie des contraintes des films minces pour le stockage d'énergie
pour réseaux de capteurs
Approche faible consommation de la localisation 3D et la
communication pour réseaux de capteurs en milieu contraint pour
les usines du futur
Conception de circuits à base d’une nouvelle technologie
AlN/GaN/AlGaN en gamme millimétrique sur substrat silicium pour
applications télécom
Caractérisation du canal radio dans les bandes ISM en
environnement industriel
Etude de l’influence d’un environnement réel sur les performances
d’un réseau de capteurs sans fil utilisant une technique de formation
de faisceaux collaboratifs
Développement de surfaces à base de graphène pour le couplage
SPR-spectrométrie de masse et la détection ultra-sensible de
biomolécules
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Sujets de Thèses 2015
Titre : Développement d’outils de criblage à haut débit d’enzymes de type Laccase pour la valorisation de
lignines modifiées
Financement prévu : Lille 1
Cofinancement éventuel : ISEN
Directeur de thèse : Vincent SENEZ
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse : Rénato FROIDEVAUX
E-mail : [email protected]
Laboratoire : IEMN – UMR 8520 et Institut Charles Viollette
Equipe : BioMEMS (IEMN) & PROBIOGEM (ICV)
Descriptif :
L‟augmentation du prix des ressources fossiles, l‟incertitude quant à leur disponibilité à long terme et les
préoccupations environnementales justifient la recherche de matières premières et de technologies
alternatives capables de réduire la dépendance en ces combustibles fossiles et d‟atténuer les atteintes à
l‟environnement, notamment en termes d‟émissions de dioxyde de carbone. L‟utilisation rationnelle de la
biomasse comme substitut au carbone fossile constitue donc un enjeu majeur et est la force motrice du
développement des bioraffineries qui auront un rôle important à jouer dans un avenir proche. Les
bioraffineries lignocellulosiques sont des industries transformant les ressources issues du bois et de toute
biomasse lignocellulosique (paille, bambou, Miscanthus, etc.) pour produire principalement des
biocarburants, des biomolécules (synthons à usage de la chimie fine), des lignines et dérivés
(biopolymères) et de l‟énergie. Le développement de cette activité réside dans la découverte de nouveaux
biocatalyseurs et leur application, en tenant compte des contraintes industrielles, grâce notamment au
développement de technologies haut débit. L‟exploration de la diversité microbienne et de la diversité
des enzymes retrouvée dans des banques, de même que les techniques d‟évolution dirigée des enzymes
pour les adapter et améliorer leur stabilité et efficacité dans des environnements spécifiques
(températures, pH, solvants…), nécessitent le criblage robotisé de ces banques de tailles importantes qui
peuvent contenir plusieurs milliers de clones. Des gains importants dans l'efficacité de criblages à haut
débit de micro-organismes ou d‟enzymes pour des applications en biocatalyse sont aujourd‟hui possibles
grâce à la miniaturisation des technologies rendue possible par les progrès exceptionnels des technologies
de micro- et nano-fabrication. Ainsi, notre projet visera à mettre en œuvre une méthodologie de criblage
de laccases et de médiateurs chimiques sur des lignines modifiées chimiquement en exploitant la
variation de profilage du biopolymère déposé sur supports solides en fonction de l‟activité enzymatique
vis-à-vis de la dégradation de ce dépôt de biopolymère. Ce projet bénéficiera des environnements
technologiques exceptionnels fournis par les EQUIPEX LEAF (IEMN) et REALCAT (VIOLLETTE &
UCCS).
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Titre : Dispositifs balistiques bidimensionnels : Propriétés physiques et applications
Financement prévu : Contrat d’Etablissement
Cofinancement éventuel :
(Co) Directeur de thèse : Henri HAPPY
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse :
E-mail :
Laboratoire : IEMN
Groupe de recherche : CARBON
Descriptif :
Le graphène, l‟un des premiers matériaux 2D découvert il y a une dizaine d‟année (2004) [1], présente
des propriétés électriques, mécaniques, chimiques, thermiques, très intéressantes par rapport aux
matériaux 3D conventionnels, et fait l‟objet de nombreuses études à travers le monde. On peut citer ici
l‟exemple du projet Européen Flagship Graphene, labélisé en janvier 2013 pour une période de 10 ans,
dont nous sommes partenaires. Il est très vite apparu, dans le domaine des applications électroniques, que
les performances réelles des dispositifs étaient éloignées des performances théoriques espérées. C‟est le
cas par exemple des transistors hyperfréquence, dont la fréquence maximale d‟oscillation, (paramètre clé
des circuits) ne dépasse pas 100 GHz [2]. L‟altération des performances de transport est l‟un des verrous
identifié dans le domaine des applications „haute fréquence‟.
C‟est dans ce cadre que se situe ce projet de recherche, qui a pour ambition de proposer de nouvelles
architectures de composants, pour lever ces verrous et donc dépasser les performances des dispositifs
actuels.
Cette thèse aura pour objectifs (i) d‟accéder aux propriétés de transport des matériaux 2D de manière à
optimiser les techniques de croissance ; (ii) d‟analyser et de mieux comprendre les interactions des
matériaux 2D avec les substrats hôtes, et d‟autres nouveaux matériaux 2D; (iii) de développer de
nouveaux dispositifs exploitant les propriétés balistiques que peuvent présenter les matériaux 2D.
Collaborations :
Ce travail sera mené en étroite collaboration avec l‟Ecole Normale supérieure de Paris, et dans le cadre
d‟une vaste collaboration Européenne à travers le flagship GRAPHENE.
Abstract :
Graphene and new two-dimensional (2D) materials (beyond graphene) such as hexagonal boron nitride
(h-BN) and transition metal dichalcogenides (TMDs) are being extensively explored all over the world.
In Europe, these new materials and their applications are supported by the EU project Flagship
Grapheme, where we are involved.
The objective of this thesis is to develop new device structures, exploring new properties of these
materials, for high frequency operations. This work will be made in collaboration with ENS Paris.
Autre contact: Emiliano PALLECCHI [email protected]
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[1] K. Novoselov et al. Science, 306, 666 (2004)
[2] F. Schwierz, Proceedings of the IEEE , Vol. 101, No. 7, July 2013
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Titre : Synthèse grande surface de nitrure de bore cristallin : Application au développement des
dispositifs à base de matériaux 2D, fonctionnant à haute fréquence
Financement prévu : CINTRA CNRS, Salaire brut : 1760€ (net: 1430 €)
Cofinancement éventuel :
(Co) Directeur de thèse : Henri HAPPY
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse : Edwin TEO HANG TONG
E-mail : [email protected]
Laboratoires : IEMN / CINTRA Singapour
Groupe de recherche : CARBON/ CINTRA
Descriptif :
Cette thèse, qui se déroulera entre l‟IEMN (Université de Lille 1) et l‟Unité Mixte de Recherche du
CNRS/THALES à Singapour (UMI CINTRA), a pour objectif de développer la croissance grande
surface du nitrure de bore hexagonal (h-BN), et les applications associées.
Nous étudierons les différentes conditions nécessaires pour la croissance grande surface (~ mm2) de hBN de qualité monocristalline, et de multicouches de surfaces supérieure au cm2. En outre, nous
validerons les capacités du h-BN obtenu par croissance CVD au travers de la fabrication de dispositifs et
hétérostructures h-BN / graphène, aussi bien sur des substrats rigides que flexibles, pour des applications
fonctionnant à haute fréquence. CINTRA est expert dans la croissance CVD du h-BN, et l‟IEMN a une
expertise dans le domaine de la nanofabrication de dispositifs à base de matériaux 2D. Les compétences
complémentaires ainsi acquises par le candidat lui permettront de développer des dispositifs et systèmes
à base d‟hétérostructures de matériaux 2D, adaptés au fonctionnement haute fréquence.
Cette thèse conjointe permet également d‟acquérir une expérience internationale et multiculturelle.
Abstract:
New up-and-coming two-dimensional (2D) materials such as hexagonal boron nitride (h-BN) and
transition metal dichalcogenides (TMDs) are being extensively explored beyond graphene. In particular,
h-BN is exceptionally fascinating due to many common properties as graphene (matching lattice
constant, very high thermal conductivity and mechanical strength). However, due to its uniquely wide
bandgap, it is electrically insulating. Hence, h-BN is an essential material to create a truly functional
integrated 2D electronics. The NTU (Nanyang Technological University) research team (involved with
CINTRA) is one of the first in the world in reporting hexagonal shaped h-BN and has created one of the
largest mono-layer films to date. We would like to continue to further enhance our growth techniques and
strategy to get ever higher quality materials. This thesis aims to investigate the various conditions needed
for large-surface CVD growth of high quality single crystalline h-BN, and understand its growth
mechanism. Moreover we also aim to demonstrate how large h-BN domains can be used to support
graphene devices, either on rigid and on flexible substrates.
The complementary expertise of IEMN in the field of high frequency devices will be used to explore
various 2D materials devices, based on beyond graphene 2D materials such as layered transition metal
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dichalcogenides (X-M-X), heterostructures of 2D materials. The success of this work will have large
implications both for academic as well as industry.
Other contact: Emiliano PALLECCHI: [email protected]
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Titre : Métamatériaux électromagnétiques fabriqués par impression 3D :Application à l’imagerie microonde
Financement prévu : Bourse de l’Ecole Doctorale
Cofinancement éventuel :
(Co) Directeur de thèse : Didier LIPPENS
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse : Eric LHEURETTE
E-mail : [email protected]
Laboratoire : IEMN
Groupe de recherche : DOME
Descriptif :
Les métamatériaux électromagnétiques sont des structures artificielles dont la composition et
l‟arrangement permet l‟ingénierie des paramètres constitutifs (permittivité et perméabilité) à une échelle
très petite devant la longueur d‟onde i Il en résulte de nombreux degrés de liberté dans le contrôle de la
phase des ondes interagissant avec ces milieux structurés. Le but de ce sujet de thèse est d‟étudier les
nouvelles possibilités offertes par les techniques d’impression 3D pour la réalisation de matériaux
volumiques ii. Le travail de thèse portera essentiellement sur la conception des dispositifs qui fait appel à
la simulation numérique soit dans le domaine temporel soit fréquentiel de l‟interaction des ondes dans le
milieu artificiel. Les grandeurs de sortie sont essentiellement les coefficients complexes de la matrice de
répartition (Sij) qui seront par ailleurs mesurés expérimentalement par analyseur de réseau vectoriel. Sur
la base de cette première étude, il sera alors envisagé de faire varier, graduellement ou par saut, l‟indice
de réfraction équivalent afin de contrôler localement la phase des ondes. Dans cette perspective, il sera
nécessaire de mettre au point des techniques de mesure de l‟indice local, également par le biais des
paramètres Sij mais à une échelle très petite devant la longueur d‟onde. Les techniques de mesure
d‟impédance en champ proche serviront de plateforme expérimentale à cette détermination locale en
validant par ailleurs les grandeurs mesurées par les cartographies de champ électromagnétiques. Les
applications potentielles concernent les techniques d‟imagerie à haute résolution et de détection résolue
spatialement.
Abstract :
Electromagnetic metamaterials are artificial structures with relevant dimensions comparable
(Electromagnetic Band Gap) or much shorter (metamaterials ) than the operating wavelength. The main
goal of this subject is to investigate the novel possibilities afforded by the 3-D printing techniques for the
realization of GRadient Index (GRIN) lens or of gradient metasurface involving the generalization of the
Snell-Descartes law. The PhD work will consist in full wave simulations for the determination of the
eigenstate (dispersion characteristic ) and of the scattering parameters that will be assessed
experimentally by Vector Network Analysis (VNA) either in the near or the far field. The potential
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applications concern the wave-front controlling devices in High-Resolution imaging and space-resolved
detection s
______________________
1
Metamaterials and Wave control edited by Eric Lheurette wave series ISTE, Wiley, 2013
1
V. Sadaune, J. Hao, E. Lheurette and D. Lippens : Matériaux artificiels structurés par techniques
d‟impression 3D , Proceedings Journées Nationales Micro-ondes 2-5 Juin 2015 Bordeaux
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Titre : Absorbants électromagnétiques ultra-minces, large bande et flexibles à base de métamatériaux
Financement prévu : Bourse DGA
Cofinancement éventuel : Cofinancement Université de Lille
(Co) Directeur de thèse : Eric LHEURETTE
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse : Didier LIPPENS
E-mail : [email protected]
Laboratoire : IEMN
Groupe de recherche : DOME
Descriptif :
L‟objectif de cette thèse est la conception, la fabrication et la caractérisation d‟absorbants
électromagnétiques large bande, ultra-minces et conformables. La problématique de l‟absorption des
ondes électromagnétiques est désormais cruciale avec le développement considérable des échanges
d‟informations sans fil. Ce développement affecte un grand nombre de secteurs d‟activité (industrie,
environnements professionnel et domestique), Pour le domaine militaire, à cette exigence vient s‟ajouter
le désir de furtivité qui motive la recherche de structures absorbantes large bande. En outre, ces structures
doivent être conformables de manière à pouvoir s‟adapter à la diversité de forme des objets à dissimuler.
Par ailleurs, étant fréquemment destinées à des systèmes embarqués, ces structures ne doivent pas
affecter de manière significative la charge utile. Cet enjeu prend tout son sens pour le domaine des basses
fréquences (typiquement inférieures à 4 GHz) Ces dernières années, de nombreuses études ont porté sur
l‟utilisation de métamatériaux pour l‟ absorption des ondes électromagnétiques. Cette approche, qui tire
parti de la localisation de l‟énergie électromagnétique sur des épaisseurs très faibles devant la longueur
d‟onde, est particulièrement adaptée pour la conception de couches absorbantes ultra-minces. L‟activité
du candidat s‟insérera dans le programme de recherche du groupe DOME de l‟IEMN qui vise notamment
à développer des solutions originales afin d‟élargir la bande d‟absorption de ces métamatériaux. Celles-ci
sont basées sur des motifs multi-échelles disposés de manière périodique (Journal of Applied Physics
116, 043520, 2014) ou désordonnée (Applied Physics Letters 105, 081102, 2014). Ce sujet de thèse, qui
s‟inscrit dans le cadre du projet ANR-ASTRID 3DRAM (Nouvelles technologies de réalisation
d‟absorbants électromagnétiques 3D ou confoRmAbles, ultra-Minces et légers), s‟appuie sur
l‟environnement technologique de l‟EQUIPEX LEAF (Laser procEssing plAtform for multiFunctional
electronics on Flex) et bénéficie du soutien financier de la DGA.
Abstract :
The main goals of this thesis concern the design, the fabrication and the experimental assessment of
electromagnetic wave-absorbers that are ultra-thin, flexible and are operating over an ultra-wideband.
The possibility to totally absorb any impinging wave, whatever its incidence and polarization, is now a
hot topic for many applications involving radio-protection and security in the civil domain and stealth in
the defense related systems. For the latter, the criterion of a broad band is particularly important notably
in the low frequency part of the spectrum in practice between 1 and 4 GHz. The research activity will be
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conducted in the DOME group (Dispostifs Opto- et Micro-Electronique) at IEMN targeting the proposal
of innovative solutions for broadening the absorption band including multi-scale resonators, multimode
operation and random arrangement of the scatterers that allow to trap the incident energy at the surface
where it is dissipated . This thesis subject is carried in the framework of the ANR-ASTRID 3DRAM
(Nouvelles technologies de réalisation d‟absorbants électromagnétiques 3D ou confoRmAbles, ultraMinces et légers) project and of the l‟EQUIPEX LEAF (Laser procEssing plAtform for multiFunctional
electronics on Flex).
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Titre : Caractérisation haute fréquence sous pointes de nano-dispositifs : aux limites dimensionnelles et
d’impédance
Financement prévu : Contrat d’Etablissement
Cofinancement éventuel :
(Co) Directeur de thèse : Gilles DAMBRINE
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse :
E-mail :
Laboratoire : IEMN
Groupe de recherche : ANODE
Descriptif :
Le projet s‟inscrit dans le secteur de la nanoélectronique et des futures générations technologiques.
Le projet ambitionne d‟étudier de nouvelles approches expérimentales hautes fréquences mieux adaptées
aux dimensions nanométriques des composants, à l‟hétérogénéité des matériaux et à la complexité
topologique des technologies.
L‟objectif de la thèse sera de développer une recherche à l‟aide de moyens expérimentaux de mesures
hautes fréquences non conventionnels pour étudier avec précision les propriétés électriques des nanodispositifs et matériaux en régime dynamique haute fréquence. Une problématique majeure de la
caractérisation haute fréquence de nano-dispositifs est l‟influence des effets parasites des structures de
test sur la précision de mesure. D‟autre part la nature haute impédance des nano-dispositifs est très
éloignée de l‟impédance caractéristique (50 ohms) des instruments de mesure et des standards de
calibrage usuels, ce qui ne permet pas de bénéficier d‟une précision et d‟une dynamique de mesures
optimales.
Le programme d‟étude englobe la conception et la fabrication d‟éléments de calibrage aux petites
échelles. La réalisation et l‟exploitation de données de mesures sous pointes en propagation guidée et en
champ proche haute fréquence permettront de valider de nouvelles approches de calibrage mieux
adaptées aux nano-dispositifs. Une étude quantitative de la précision de mesure dans le cas de mesures de
nombreux types de nano-dispositifs et matériaux en couche mince consolidera les différentes voies
d‟investigations.
Le projet s‟inscrit dans le contexte de l‟EQUIPEX ExCELSiOR, autour d‟un nouvel instrument constitué
d‟un microscope à balayage électronique hautement résolu équipé de nano-positionneurs ayant des
résolutions de déplacement de l‟ordre de 10nm, du laboratoire commun ST-Microelectronics – IEMN et
dans le cadre d‟un nouveau projet (http://msu.euramet.org/industry_2014/SRTs/SRT-i17.pdf) réunissant
les grands organismes de métrologie européens.
Abstract :
The PhD proposal aims to address the field of accurate high frequency characterizations of emerging
Nano-electronics technologies. The accurate knowledge of electrical properties of Nano-devices under
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dynamic regime is relevant for technology feedbacks, advanced knowledge of physics mechanisms and
establishment of electrical modeling for CAD.
The research program will target new class of on-wafer instruments able to overcome the problematic of
Nano-devices measurement accuracy in high frequency regime. This accuracy is strongly depending of
the parasitic influence of the test structures where the Nano-device is embedded as well as the high
impedance nature of the Nano-device, which is deeply different as compared with the 50 impedance of
standard HF instruments and usual standards of calibration.
The program of research includes the design and fabrication of calibration kits dedicated for the
characterization of Nano-devices. The evaluation of these calibration standards will be performed by
both on-wafer and near field probing techniques at low scale to elaborate new calibration strategies well
suited for the accurate characterization of Nano-devices. Finally, quantitative investigations of the
measurement accuracy on different kinds of nano-devices and thin film materials will consolidate this
study.
This PhD will benefit of the EQUIPEX ExCELCiOR facilities particularly one large instrument
including a SEM dedicated for HF measurement and equipped with nano-positioners and home made
MEMS based miniaturized probes. This work is supported in the frame of the common laboratory STMicroelectronics
–
IEMN
and
within
a
recent
H2020
project
(http://msu.euramet.org/industry_2014/SRTs/SRT-i17.pdf) gathering the main European metrological
institutes.
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Titre : Biocapteurs intégrés à base de résonance plasmonique: application au dosage et suivi d'éléments
pathogènes ou curatifs dans le domaine phytosanitaire
Financement prévu : Européen – Transfrontalier Interreg
Cofinancement éventuel :
(Co) Directeur de thèse : Jean-Pierre VILCOT
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse :
E-mail :
Laboratoire : IEMN
Groupe de recherche : Optoélectronique
Descriptif :
Les capteurs à résonance plasmonique de surface sont utilisés pour la quantification d'interactions
moléculaires et sont actuellement plus particulièrement utilisés en laboratoire de biologie. Cette technique
permet d'obtenir un résultat rapide sans préparation préliminaire complexe des milieux biologiques à
investiguer. Nous proposons ici d'appliquer cette technique au dosage et au suivi d'éléments pathogènes
ou de leurs traitements dans un contexte phytosanitaire. Il s'agit alors d'étudier la miniaturisation du
concept de capteur plasmonique tout en lui permettant d'analyser simultanément une dizaine d'interactions
moléculaires. Les aspects optiques seront particulièrement à reconsidérer pour cette conception: nombre
et choix des longueurs d'onde d'interrogation du capteur, éclairement monochromatique ou non,…..
Parallèlement, il faudra chiffrer l'impact de conditions expérimentales moins contrôlées que celles
utilisées en laboratoire sur les résultats, tel l'effet de la température. Une grande partie des conclusions sur
la validité des concepts développés pourra être faite au niveau "physique". Dès que les capteurs intégrés
auront été validés, une seconde phase de test en milieu biologique sera investiguée en collaboration avec
des partenaires biologistes en fonction de protocoles d'expérimentation qu'ils auront établis entretemps.
Abstract :
Surface Plasmon Resonance (SPR) based biosensors are used for the quantification of molecular
interactions and are currently and more particularly used in biology laboratories. This technique allows
obtaining results quickly without preliminary complex preparation of the biological media to be
investigated. We will apply this technique to the dosage and to the monitoring of pathogens or their
treatments in a phytosanitary context. The main concern is related to the miniaturization of the SPR
sensor concept while allowing the simultaneous analysis of a ten of molecular interactions. The optical
aspects will particularly be reconsidered for this design: number and choice of sensor interrogation
wavelengths, monochromatic or polychromatic illumination, etc…. In parallel, it will be necessary to
determine the impact on the results of less controlled experimental conditions than those used in
laboratory such the effect of the temperature. Conclusions on the validity of the developed concepts will
be mainly made in the physical domain. As soon as the integrated sensor design will have been validated,
a second test phase in biological environment will be investigated in collaboration with biologists and
using experimental protocols that will have been set up in the meantime.
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Attention: le démarrage de la thèse ne serait effectif que début 2016. PhD won't start before beginning of
2016
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Titre : Réalisation de cellules solaires CIGS spatialement localisées
Financement prévu : BPI France
Cofinancement éventuel :
(Co) Directeur de thèse : Jean-Pierre VILCOT
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse :
E-mail :
Laboratoire : IEMN
Groupe de recherche : Optoélectronique
Descriptif :
La technologie de cellules solaires films minces à base de CIGS est développée sur la base d'un procédé
innovant de fabrication exclusivement fondé sur le dépôt des différentes couches de matériaux par
pulvérisation cathodique. Le but n'est pas de fabriquer des cellules "pleine plaque" et de se mettre en
concurrence frontale avec les technologies silicium qui ne sont que très difficilement concurrençables sur
le marché "grand public" mais de réaliser des cellules dont la géométrie est assez particulière, plutôt sous
la forme de "filaments" d'une centaine de microns de large. Il apparaît alors une importance
prépondérante des bords de la cellule sur son fonctionnement global, bords pour lesquels les technologies
usuellement utilisées pour se préserver de leurs effets perturbateurs ne peuvent pas être utilisées dans ce
contexte. Le travail à effectuer est donc l'étude de l'influence de ces bords sur les performances des
cellules et le développement de solutions permettant de s'en affranchir. Cette étude est donc plus
spécifiquement axée sur un travail d'ordre technologique ainsi que sur la mise en œuvre de couches de
passivation permettant de minimiser l'influence des bords (recombinaisons des porteurs, amorces de
dégradation, …). Ce travail se fait en lien étroit avec le milieu industriel et les procédés développés le
seront en prenant en compte les impératifs liés à leur industrialisation sur une ligne pilote de production
de ces cellules solaires.
Abstract :
The CIGS technology for second generation solar cells is developed on the basis of an innovative
manufacturing process exclusively based on the sputtering deposition method of the different layers
constituting the cells. The purpose is not to fabricate "full wafer" cells to be fighting a losing battle
against the Si technologies but to realize cells which geometry is rather particular, under the shape of
"ribbons" of hundred microns wide. The behavior of the edges of such cells appears then as of dominating
importance on the cell global performance. Moreover, the usual techniques that are used to avoid edge
influence cannot be applied in this particular context. The study is then focused on the influence of these
edges on the performance of cells and on the development of solutions allowing to counterbalance. The
work to be done is thus more specifically dedicated to technological development as well as on the
implementation of passivation layers allowing to minimize the influence of cell edges (carrier
recombination, sources of degradation…). This work is made in close collaboration with industry and the
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developed processes will take into account the imperatives connected to their industrialization on a pilot
production line of these solar cells.
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Titre : Matériau absorbeur de type ZnSnN2 pour cellules solaires
Financement prévu : Ecole Doctorale
Cofinancement éventuel :
(Co) Directeur de thèse : Jean-Pierre VILCOT
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse :
E-mail :
Laboratoire : IEMN
Groupe de recherche : Optoélectronique
Descriptif :
Le matériau ZnSnN2 est depuis peu envisagé comme une alternative à long terme pour la réalisation de
cellules solaires en films minces car, contrairement au CIGS, il ne comporte que des matériaux dont les
ressources terrestres sont abondantes. Néanmoins, il existe actuellement très peu d'études sur ce matériau,
qui plus est au niveau expérimental. Le but de cette thèse est alors principalement de développer les
techniques de dépôt d'un tel matériau en se basant sur l'expertise acquise sur la filière CIGS. C'est donc
un travail des plus exploratoires qui visera à utiliser la pulvérisation cathodique comme technique de
dépôt. Les couches de matériau ZnSnN2 seront alors caractérisées de manière chimique (XPS, SIMS),
structurale (DRX) et électrique (conductivité) en fonction des paramètres de dépôt et du substrat hôte. A
terme, le ZnSnN2 ne devrait pas être dévolu à la réalisation d'une cellule solaire simple à cause de son
énergie de bande interdite élevée, tout au moins à la vue des quelques résultats théoriques et
expérimentaux, d'ailleurs parfois contradictoires, publiés. En revanche, il pourrait apparaître comme un
matériau de choix pour la réalisation de cellules tandem, ce qui apporterait une solution bas coût à
l'obtention de cellules dont le rendement devrait être supérieur à 35%.
Abstract :
The ZnSnN2 material has recently got interest as a long-term alternative for the fabrication of thin film
solar cells because it contains only earth abundant raw materials, contrary to CIGS. Nevertheless, at
present there are very few studies on this material, besides at experimental level. Then the purpose of this
thesis is mainly to develop the deposition techniques of such a compound material starting from the
expertise that has been acquired on CIGS material. Thus, it is a fully exploratory work that will aim at
using the sputtering deposition technique. The ZnSnN2 layers will be characterized on different points:
chemical (XPS, SIMS), structural (DRX) and electric (conductivity) according to the deposition
parameters as well as to the host substrate. Later, the ZnSnN2 material would not be intended to the
fabrication of simple solar cell because of its too high bandgap energy as shown by the few theoretical
and experimental results, moreover sometimes contradictory, that have been published. On the other
hand, it could appear as a good choice for the realization of tandem cells. It would bring so a low cost
solution obtaining cells with efficiency that could be above 35 %.
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Titre : Vers une Électronique Radiofréquence souple et biodégradable
Financement prévu : Contrat d’Etablissement
Cofinancement éventuel :
(Co) Directeur de thèse : Tuami LASRI
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse :
E-mail :
Laboratoire : IEMN
Groupe de recherche : MITEC
Descriptif :
Le sujet de thèse proposé sur l‟électronique radio-fréquence flexible porte essentiellement sur la
caractérisation des matériaux et des interconnexions métalliques entre les transistors. Le doctorant
débutera donc son étude en mesurant la conductivité thermique et la permittivité complexe jusqu‟à 220
GHz des matériaux souples de type polymère ou polyimide. Il déterminera ensuite les effets, sur les
caractéristiques de propagation des lignes microrubans et coplanaires, d‟un étirement, d‟une compression,
d‟une torsion du substrat et d‟un repliement autour d‟un axe, et ce, sur une plage de fréquence atteignant
les 220 GHz. Fort de ces premiers résultats, des topologies innovantes d‟interconnexions seront proposées
pour palier les dysfonctionnements électromagnétiques provoquées par les déformations du substrat
supportant les lignes métalliques. Cette démarche sera appliquée, par le doctorant, au plus grand nombre
de matériaux souples existants en vue d‟établir une base de données fiable pour la réalisation de
transitions, filtres et antennes. Le doctorant transposera, ensuite, tout son savoir faire sur des matériaux
biopolymères. À ce jour, ces matériaux qui peuvent être biosourcés et donc totalement biodégradables, ne
sont pas utilisés dans le domaine des radiofréquences. Cela sera le point de départ d‟une électronique
micro-onde souple et verte.
Abstract :
Towards a flexible and “green” radio frequency Electronic
The proposed thesis on flexible RF electronics focuses on the characterization of materials and metal
interconnections between transistors. The PhD student will characterize thermal conductivity as well as
complex permittivity of a wide variety of flexible polymer material. He has to determine the effects on
the propagation characteristics of microstrip and coplanar lines up to 220 GHz, consecutively to twisting
and folding of the substrate around an axis. Some innovative topologies of interconnections will be
proposed to overcome the electromagnetic malfunctions caused by deformation of the substrate in order
to establish a reliable database for the realization of transitions, filters and antennas. The PhD student will
transpose then his knowledge on biopolymers materials. To date, these bio-based materials which can be
completely biodegradable are not used in the radio frequency range. This will be the starting point for a
flexible and green Radio-Frequency electronics.
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Titre : Capteur communicant autonome haute température (> 200 °C) basé sur un microgénérateur
thermoélectrique
Financement prévu : Contrat d’établissement
Cofinancement éventuel :
(Co) Directeur de thèse : Didier LECLERCQ
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse :
E-mail :
Laboratoire : IEMN, Institut d’Electronique de Microélectronique et de Nanotechnologies
Groupe de recherche : MITEC, Microtechnology and Instrumentation for Thermal and Electromagnetic
Characterization
Descriptif :
La récupération d'énergie ambiante (Energy Harvesting) est un domaine en plein essor qui consiste à
récupérer toutes formes d‟énergie surtout celles qui semblent très faibles et diffuses dans
l‟environnement. Les techniques de récupération d'énergie existent depuis très longtemps, cependant le
besoin de trouver de nouveaux procédés s‟est considérablement accru ces dernières années et notamment
pour alimenter les microsystèmes. L‟énergie la plus abondante est sans conteste la chaleur. Elle offre la
possibilité d‟être exploitée facilement et ce, même avec des procédés à faible efficacité de conversion
énergétique, telle la thermoélectricité. L‟objectif du travail de thèse que nous proposons est le
développement d‟un microgénérateur thermoélectrique capable de produire de l‟énergie électrique à
partir de la chaleur produite par les innombrables appareils domestiques et industriels dont la température
de fonctionnement peut dépasser 200°C (par exemple les fours, plaques chauffantes, fers à repasser,
autocuiseurs ….). Pour que ce thermogénérateur devienne un capteur autonome partie intégrante de «
l'internet des objets », il est nécessaire de lui adjoindre un ou plusieurs capteurs et circuits électroniques
permettant le traitement des signaux, le stockage de l'énergie récupérée et la communication par ondes
radioélectriques. De tels dispositifs n'existent pas à l'heure actuelle, car la plupart des microgénérateurs
thermoélectriques du commerce ne supportent pas plus de 100°C sur la face chaude ce qui limite
considérablement leur domaine d‟application. De plus ces dispositifs sont généralement réalisés à partir
de tellures de bismuth, matériaux très nocifs pour l‟environnement. La structure originale du
microgénérateur, que nous proposons de développer, pourra apporter une solution à un tel problème, la
première face pouvant être portée à plus de 200°C alors que la seconde face, solidaire du circuit
électronique pourra facilement être maintenue à une température inférieure à 100°C en raison de la
grande résistance thermique de notre microgénérateur. Cette condition est indispensable car la plupart
des composants électroniques courants ne peuvent pas fonctionner à une température supérieure à 135°C.
De plus, le dispositif que nous proposons de réaliser est basé sur une technologie silicium CMOS qui
présente un très faible impact environnemental.
Abstract :
Energy harvesting is a growing field. The most abundant source of energy is undoubtedly the heat and it
offers the opportunity to be easily exploited. The topic proposed within the framework of this PhD will
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focus of the development of a thermoelectric micro-generator able to produce electrical energy from heat
generated by domestic or industrial appliances which operating at temperature exceeding 200 °C. Most of
commercial thermoelectric microgenerators (µTEG) do not support more than 100°C on the hot face
which limits considerably their scope. Furthermore, these devices are usually based on using of bismuth
tellurides very harmful to the environment. In this work, we propose to realize an original structure of
micro-generator with high thermal resistance. The first face of the µTEG can be increased to over
200 °C while the second face sustaining the electronic circuit can be easily maintained at a temperature
below 100 ° C. This is necessary because most common electronic components cannot operate at
temperatures above 135 ° C. In addition, the device that we propose to realize is based on a CMOS
silicon technology that has a very low environmental impact.
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Titre : Etude du traitement de solutions aqueuses en microsystème par interaction avec des
microdécharges (application à la croissance et modification de nanoparticules)
Financement prévu : Université Lille
Cofinancement éventuel : (Co)-Directeur de thèse : Philippe SUPIOT
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse : Rémy DUSSART
E-mail : [email protected]
Laboratoire : IEMN– UMR 8520 et GREMI - UMR 7344
Equipe : P2M - BioMEMS
Descriptif :
Le projet s‟appuie sur le développement d‟un dispositif original couplant des microplasmas froids à
pression atmosphérique avec une solution aqueuse s‟écoulant dans un microcanal ou en
microgouttelettes, évalué au travers de la production de nanoparticules métalliques. Ce sujet ouvre un
nouveau champ de recherche prometteur pouvant conduire à une large palette d‟applications allant de la
chimie analytique et de synthèse, en biologie et biochimie. Les atouts majeurs de tels systèmes de
production de nanoparticules sont un coût énergétique réduit, des temps de transports faibles du fait d‟un
rapport surface/volume élevé, gage d‟une moindre dispersion de leurs propriétés. Ce défi nécessite la
génération de microplasmas permettant un contact très localisé avec les surfaces des fluides, problème
scientifique inédit. Le travail principalement expérimental visera à étudier (i) la génération des espèces
énergétiques et leur transport en présence d‟eau ou d‟une solution modèle d‟AgNO3, (ii) la cinétique
d‟interaction plasma/liquide conduisant à la formation de nanoparticules aux propriétés
physicochimiques bien définies et reproductibles et (iii) les performances du procédé de formation de
nanoparticules de types nano-Ag et nano-Ag2O et de modification de particules existantes. Ce projet
répond à ces défis en proposant le développement d'un démonstrateur de laboratoire associant deux
dispositifs microplasma distincts (IEMN-Univ. Lille et GREMI-Univ. Orléans) compatible avec un
dispositif microfluidique de transport du liquide pouvant présenter un microcanal ou une
microgouttelette. Ces deux sources plasma permettront un contact particules chargées-liquide plus ou
moins franc. L‟étude des phases gazeuses sera menée par spectroscopies optiques d‟émission et
d‟absorption (UV-Vis-IR), alors que le suivi de l‟évolution de la phase liquide traitée se fera par
spectrométrie ex- et in situ d‟absorption UV-Vis. On étudiera aussi les propriétés des nanoparticules :
morphologie et taille par microscopies TEM, SEM, AFM, structure physico-chimique par les techniques
FTIR, Raman, SERS, XPS, DRX, réponse catalytique sur une réaction chimique modèle.
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Titre : Evaluation ultrasonore du phénomène d’adhésion par une mesure d’autocorrélation. Application à
la mesure d’encrassement en agroalimentaire
Financement prévu : Région Nord Pas de Calais
Cofinancement éventuel : Université de Valenciennes
(Co)-Directeur de thèse : Emmanuel MOULIN
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse : Guillaume DELAPLACE
E-mail : [email protected]
Laboratoire : IEMN UMR 8520
Equipe : MAMINA / TPIA
Descriptif :
Dans les industries laitières, les procédés de transformation du lait conduisent à la formation de dépôts
indésirables sur les parois des équipements. En raison du manque de solutions pour minimiser ces dépôts et
assurer la sécurité et qualité des transformations, des procédures de nettoyage aux impacts économiques et
environnementaux conséquents sont réalisées.
Dans ce contexte, disposer d‟outils capables de discriminer l‟adhésion des dépôts en fonction des
conditions d‟expérience est une nécessité. Cette thèse fait suite à une première thèse qui a permis
d‟interpréter acoustiquement le phénomène d‟adhésion d‟un dépôt sur substrat et de confirmer l‟aptitude
d‟une technique échographique classique à discriminer différentes situations d‟adhésion. Pour améliorer la
sensibilité de la mesure et permettre une meilleure intégration sur ligne, dans cette thèse nous proposons
d‟utiliser une nouvelle approche basée sur la corrélation de champs ultrasonores diffus. Cette méthode est
en effet bien adaptée à l'imagerie de milieux complexes (multi-diffusants ou réverbérants) mais n'a jamais
été utilisée, à notre connaissance pour évaluer une propriété d'adhésion.
Cette thèse présente une partie fondamentale où il s‟agira d‟établir une relation entre le coefficient de
corrélation des signaux rétro-diffusés et la mobilité moléculaire du fluide (représentative de son adhérence
à la paroi), notamment en étudiant les effets de la constitution du milieu (degré d'hétérogénéité). Elle
présente également une partie technique : il sera nécessaire d‟utiliser les techniques de base en microtechnologie pour réaliser le capteur ultrasonore adapté. Une partie expérimentale permettra notamment de
mettre en place le nouvel outil et de tester ses limites en termes de résolution spatiale, temporelle ainsi que
sa dépendance à la température. L'évaluation de l'outil sur ligne pilote sera finalement réalisée à l'INRA.
24
Titre : Amélioration des Performances des Caloducs par les Self Rewetting Nanofluides : application au
refroidissement des convertisseurs de puissance pour le ferroviaire
Financement prévu : IRT Railenium
Cofinancement éventuel :
(Co) Directeur de thèse : Souad HARMAND
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse : Bertrand NONGAILLARD
E-mail : [email protected]
Laboratoire : TEMPO / IEMN
Groupe de recherche : DF2T / MAMINA
Descriptif :
La gestion thermique représente actuellement un enjeu majeur dans de nombreux secteurs de l‟industrie.
Les caloducs sont des systèmes intégrés qui utilisent des modes de transferts de convection, évaporation et
condensation. Ainsi, ils représentent une opportunité idéale pour l‟application des nanofluides. En effet,
l‟efficacité des échanges de chaleur peut, en particulier être améliorée par l‟introduction de nanoparticules
dans les fluides caloporteurs.
Les enjeux technologiques de ce projet sont tout d‟abord l‟analyse de l‟amélioration des performances des
caloducs à l‟aide de l‟utilisation des nanofluides, en particulier de „self rewetting fluids‟ propice à
l‟augmentation de la circulation du fluide au sein du caloduc. L‟optimisation des performances des
caloducs nécessite une meilleure compréhension des phénomènes physiques s‟y produisant.
Dans ce travail, une approche expérimentale originale sera mise en place autour de mesures thermiques,
fluidiques et acoustiques. Cette approche de caractérisation croisée par des méthodes expérimentales
complémentaires est originale et permettra d‟apporter des éléments de réponse sur des phénomènes
physiques aux interfaces entre nanofluides et micro/nanostructures.
Abstract :
Heat pipes performances improvement using self-rewetting Nanofluids: application to power converter
cooling in the rail industry.
Thermal management is an important issue in the field of industry. Heat pipes are integrated systems using
convection, evaporation or condensation transfer modes. It represents an interesting application of
nanofluids. In fact, the efficiency of heat exchanges can be improved by the introduction of nanoparticles in
the fluids.
The technological aspects of this project are the improvement of heat pipes performances using nanofluids
especially self-rewetting fluids which can improve the circulation of the fluid in the heat pipes. It requires a
better comprehension of the physical phenomenon taking place in these heat pipes. Thermal, fluidic and
acoustic experiments will have to be achieved. This crossed characterisations approach using
complementary methods is original and will make it possible to bring some answers to interrogations about
physical phenomena taking place at the interface between nanofluids and micro/nanostructures.
25
Titre : Etude théorique de composants semi-conducteurs à transfert électronique pour la réalisation de
sources térahertz de puissance à température ambiante.
Theoretical study of transferred electron devices for the realization of terahertz power sources at room
temperature
Financement prévu : Contrat Doctoral
Cofinancement éventuel :
(Co) Directeur de thèse : Christophe DALLE
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse : Jean-Luc THOBEL
E-mail : [email protected]
Laboratoire : IEMN
Groupe de recherche : Silphyde
Descriptif :
L'extension du champ d'application des systèmes de traitement de l'information aux ondes submillimétriques térahertz (300 GHz-3 THz) nécessite des circuits réalisant les principales fonctions de
l'électronique. La réalisation de sources de puissance RF à l'état solide constitue encore aujourd'hui un
verrou technologique. Les quelques solutions envisageables (laser à cascade quantique, source optique à
battement de signaux laser, multiplicateurs de fréquence, etc.) sont complexes, souvent insuffisamment
performantes et peu pratiques d‟utilisation (nécessitant un dispositif de refroidissement). Dans ce contexte,
nous nous proposons d'évaluer les performances potentielles des composants semi-conducteurs à transfert
électronique pour la réalisation de sources de puissance fonctionnant à température ambiante dans cette
gamme de fréquence. Cette famille de composants comprend les diodes GUNN de structure mésa
(verticale) et les transistors à transfert électronique à injection, MESFET ou bipolaire, à homo (BICTED)
ou hétérojonction (HeBiCTED). Nous irons jusqu'à l'étude physique de structures distribuées utilisant les
propriétés liées à la propagation, l'interaction avec les porteurs de charge et l'amplification d'une onde
électromagnétique dans la zone active de la structure. Ce travail sera mené à l'aide d'une modélisation
physique numérique temporelle. Elle visera en premier lieu à comparer les résultats de modélisations du
transport des charges libres issues de la méthode microscopique (basée sur la méthode de Monte-Carlo) et
macroscopique de type énergie-moment (basée sur la méthode des moments appliquée à l'équation de
transport de Boltzmann). Cette étude permettra en particulier de déterminer la limite fréquentielle de
fonctionnement des structures à transfert électronique. Nous disposons ainsi d'un ensemble de modèles de
type 1D, 2D et 3D permettant des approches électrostatique et électromagnétique en ce qui concerne la
solution des équations de Maxwell. Les différents aspects de la technologie (en particulier le choix du
matériau semi-conducteur : GaN, InN, InP,…) et du fonctionnement des structures (mode de
fonctionnement de type accumulation et temps de transit, couche dipolaire à simple et multiple transit)
seront abordés en relation avec les contraintes électroniques (conditions du transfert de la puissance émise
au circuit de charge, adaptation d'impédance) et thermique (rendement, polarisation continue, fiabilité de
fonctionnement).
26
Abstract :
The development of electronic systems up to terahertz frequencies requires basic circuits realizing the main
electronic functions. RF solid-state sources still remains a major stumbling block. The available solutions
(quantum cascade laser, optical sources based on laser mixing, frequency multipliers,.etc,) suffer from
rather poor performance and complex practical use (device cooling). In this context, we propose to
investigate the potential for the realization of RF power sources at terahertz frequencies of Transferred
Electron Devices (TEDs), namely : mesa structures (Gunn diodes), Transferred Electron transistors :
MESFET injection and bipolar injection (homojuntion : BiCTED and heterojunction : HeBiCTED). This
study will also address distributed devices based on propagation and interaction with the free carriers and
amplification of an electromagnetic wave through the device active zone. This work will be carried out
from a general point of view by means of a time domain physical numerical modelling. The goal will be
firstly to determine the device RF operating frequency limit by means of a comparative theoretical study
performed by both microscopic (based on the Monte-Carlo method) and macroscopic/energy-momentum
free carrier transport modelling. We have developed a set of models allowing 1D, 2D and 3D electrostatic
and electromagnetic approaches for the solution of the Maxwell equations. The different features of the
device RF operation will be investigated in relation with the electronic limitation (impedance matching)
and thermal limitation (circuit reliability).
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Titre : Réseaux d'énergie embarqués dans les systèmes de transport : Communication et diagnostic passif
par courant porteur en ligne (CPL)
Financement prévu : Cofinancement Région et Labinal Power Systems (Safran)
Cofinancement éventuel :
(Co)-Directeur de thèse : Virginie DEGARDIN
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse :
E-mail :
Laboratoire : IEMN – UMR 8520
Equipe : TELICE
Descriptif :
Dans le contexte des avions plus électriques de nouvelle génération, connus sous la dénomination MEA
(More Electrical Aircraft), le remplacement des sources d‟énergie hydraulique et pneumatique par des
sources d‟énergie électrique conduit à une augmentation de la puissance électrique nécessaire et à un
accroissement des besoins de communication entre systèmes. Cela implique des câbles et des connexions
supplémentaires, avec des conséquences en termes de poids, de fiabilité et de maintenance. Les besoins de
communications et la surveillance des réseaux électriques sont ainsi devenus une des priorités du monde de
l‟aéronautique.
Une solution envisageable pour pallier à ces besoins de communications croissants consiste à combiner la
transmission des données avec celle de la puissance et qui est souvent appelée «transmission par courant
porteur en ligne (CPL) ». Cette technologie est couramment développée dans l‟environnement domestique
et a été récemment standardisée (IEEE 1901-2010 standard). Le domaine des Transports s‟est déjà penché
sur l‟intérêt d‟utiliser les techniques CPL dans les réseaux embarqués. Cependant même si au travers de
nombreux projet, la faisabilité des CPL sur ces réseaux a été démontrée, il existe encore des verrous
scientifiques et technologiques à lever tels que la conformité avec les contraintes de temps réel, notamment
en aéronautique (latence stricte, temps de récupération, déterminisme), ou avec les exigences de
Compatibilité Electromagnétique (CEM). Il est ainsi apparu que les temps de latence liés aux standards
CPL pour le domestique sont prohibitifs pour une application Transport. Il est donc indispensable de
modifier la couche physique et la couche MAC (Medium Access Control) des standards afin de proposer
des systèmes permettant une reconfiguration immédiate après un redémarrage volontaire ou involontaire,
même si c‟est au prix d‟une diminution des débits numériques. Concernant la couche physique, un travail
important devra également être mené sur l‟aspect synchronisation, les systèmes CPL se basant en général
sur une modulation OFDM nécessitant une synchronisation horloge et trame et qui affecte fortement les
temps de latence du système.
Dans un domaine connexe, la surveillance de la qualité des réseaux filaires et de leur intégrité est
également de première importance. Le terme général de « Health Monitoring » se rapporte ainsi à la
surveillance en temps réel de « l‟état de santé » des équipements, à la détection des prémices de panne et au
déclenchement d‟actions de maintenance. Concernant la surveillance des réseaux, les techniques de
réflectométrie sont classiquement utilisées mais nécessitent des systèmes et des signaux dédiés. Dans cette
28
thèse, l‟idée originale serait donc d‟utiliser la technique de communication numérique CPL applicable au
domaine des Transports, afin de lui adjoindre cette fonctionnalité supplémentaire qu‟est la surveillance des
réseaux, et notamment la détection et la localisation des défauts.
Les verrous à lever dans le cadre de cette thèse sont donc d‟une part de fiabiliser la technique CPL en
garantissant les exigences de déterminisme, et de fiabilité en environnement électromagnétiques sévères
spécifiques du domaine des Transports, et d‟autre part, de développer des techniques aveugles de
diagnostic du réseau d‟énergie en utilisant le signal CPL pour la surveillance du réseau et donc la détection
et localisation de défauts. Les techniques de transmission du signal et les algorithmes permettant de
surveiller le réseau qui auront été développés seront validés sur un banc test représentant un réseau
arborescent grâce à un prototype de modem CPL reconfigurable existant au laboratoire. Pour cela, des
défauts seront réalisés sur le banc de test, permettant de valider, en post traitement, les algorithmes de
traitement du signal qui auront été étudiés. Cette mise en œuvre expérimentale nécessitera la réalisation et
l‟optimisation du coupleur assurant la transmission du signal CPL sur le réseau.
29
Titre : Massive MIMO for increasing energy and spectral efficiency: channel properties and impact on the
PHY layer
Financement prévu : Contrat d’Etablissement
Cofinancement éventuel :
(Co)-Directeur de thèse : Martine LIENARD
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse :
E-mail :
Laboratoire : IEMN – UMR 8520
Equipe : TELICE
Descriptif :
In 2012, 5% of the global worldwide electricity consumption is dedicated to ICT among which 33% is
consumed by the communication network. Looking in detail, 90% of this energy goes to base stations
(BS) which only radiate more or less 5% of its power consumption, the low efficiency of the power
amplifiers being one of the main causes. In addition to this finding, over the decade 2010-2020, the
mobile internet traffic will approximately grow by a factor of 150 to approach 40 exabytes/month.
Consequently, the objectives of 5G is twofold: reducing the energy consumption in communication
networks by up to 90% by 2020 and increasing the spectral efficiency as well. Some disruptive
technologies are investigated, i.e., device centric architectures, mmWave for small cell backhaul, smarter
devices or Massive MIMO (M-MIMO). M-MIMO consists of utilizing a very high number of low
powered antennas at the base station and to distribute on each time-frequency resource, message to
several devices or user equipments. M-MIMO can also be used to focus the radiated energy toward
dedicated directions allowing efficient interference management. Therefore, better spectral efficiency
will be obtained owing to this M-MIMO transmission scheme. Furthermore, load adaptive network
management and using low power amplifiers feeding a large number of antennas will also increase the
energy efficiency*. However, despite this very promising solution, the road between ideas and reality is
littered with challenges. The channel estimation is currently one of the main limiting factors. To solve
system and deployment issues, accurate knowledge of the propagation channel and an adequate modeling
are essential.
The objectives of this thesis are threefold. First, multidimensional real time channel characterization will
be performed by considering different sizes and shapes of antenna arrays in order to extract i) the
correlation properties of the channel allowing to predict the spatial diversity gain, ii) the coherence time
(Tc) corresponding to the time window during which the channel can be considered as stationary. This
parameter is critical in M-MIMO because all the N channels (N being equal to the number of BS array
elements time the number of users) must be estimated during a time interval much shorter than Tc, iii)
the large scale fading over the massive antenna array. Secondly, according to the M-MIMO channel
characteristics, the conventional channel modeling based on the multipath clusters concept should be
revisited. Thirdly, recommendations must be given on the optimum structure of antenna array or sub
30
antenna array to optimize energy and spectral efficiency, on the network planning according to the load
and lastly on the optimum pilot arrangement.
*Energy efficiency is defined as the ratio of the traffic being carried by the network (for example,
measured in Gbytes) to the total energy required to support that traffic over the duration of one year (for
example, measured in TWh)- GreenTouch white paper, June 2013.
31
Titre : Dynamic propagation model for Vehicle to Vehicle (V2V) communication
Financement prévu : Contrat d’Etablissement
Cofinancement éventuel :
(Co)-Directeur de thèse : Martine LIENARD
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse :
E-mail :
Laboratoire : IEMN – UMR 8520
Equipe : TELICE
Descriptif :
Cooperative Intelligent Transportation Systems (C-ITS) relying on networked vehicles are expected to
have a positive impact on road safety and traffic efficiency. Most of such vehicular ad hoc networking
(VANET) solutions are intended to work in medium- to large-scale scenarios, whose surface ranges from
the several hundred m2 of a single road intersection up to the several hundred km2 of citywide street
layouts. Moreover, they require a vast majority of the vehicles traveling in such areas to be
communication-enabled. These assumptions often make direct experimental assessments impractical, due
to economic costs, deployment complexity and maintenance issues. As a result, simulation plays a
critical role in the validation of new network architectures and protocols for large-scale vehicular
environments. However, there is lack of common reference datasets in terms of both vehicular mobility
and signal propagation models, whose lack of realism and heterogeneity afflicts most of today‟s
vehicular networking literature. A wealth of models has been published starting from simple empirical
propagation models, based either on the free space propagation model or on two-path models to purely
stochastic channel modelling as log-normal shadowing model and Nagakami fast fading model.
However, these channels do not take into account diffraction phenomena that could occur in shadowing
region due to trucks, buses or local obstacles as well as V2V channel time variation which is one of the
most critical parameters for V2V protocol in high traffic density or high mobility.
The objective of the thesis is twofold: define realistic reference scenarii and develop dynamic signal
propagation models to be used for validating new network architectures. Special attention will be given
not only to a possible increase in path loss due to masking effects of neighbor vehicles but also to fast
and slow fading characteristics. Real time multidimensional channel characterization will also be carried
out for estimating the coherence time and the spatial distribution of incoming signals. Such an approach
would also lead to the development of a model describing the stochastic part due to traffic. Owing to data
set of traffic, deduced either from theoretical or experimental results, performances of the MAC layer in
terms of packet losses, packet collisions as well as latency, will be predicted.
Key words: Channel modeling, propagation, channel characterization, PHY layer, Mac layer, IEEE
802.11p.
32
Titre : Steep subthreshold slope devices based on tunneling between 2D quantum states.
Financement prévu :
Cofinancement éventuel :
(Co) Directeur de thèse : Xavier WALLART
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse :
E-mail :
Laboratoire : IEMN
Groupe de recherche : Epiphy
Descriptif :
Les limitations physiques en terme de dissipation d‟énergie auxquelles fait face la technologie CMOS,
actuellement réduite à l‟échelle nanométrique, nécessite le développement de nouveaux composants qui
permettent un fonctionnement à très faible tension d‟alimentation.
Pour ce faire, ces dispositifs doivent pouvoir basculer leur sortie de l‟état bloqué à l‟état passant pour une
très faible variation de la tension de commande. Leur caractéristique doit ainsi présenter une pente-sousle seuil très abrupte, meilleure que la limite intrinsèque de la technologie CMOS de 60 mV par décade de
courant.
Le transistor à effet tunnel (TFET), basé sur un mécanisme d‟injection tunnel, est un candidat potentiel
pour ce type d‟application. L‟ingénierie de bandes qu‟offre en outre l‟utilisation d‟hétérostructures de
matériaux III-V peut permettre d‟exploiter pleinement cette propriété grâce au confinement quantique
bidimensionnel.
Le travail de thèse consistera donc en l‟élaboration par épitaxie par jets moléculaires et la caractérisation
physique de ces hétérostructures pour la réalisation de transistors à effet tunnel avec une efficacité de
commutation optimisée.
Abstract :
The CMOS technology has reached its limit in terms of overall power dissipation. Increasing further the
density of integration of microprocessors requires the development of devices working at very low
supply voltage. To do so, these devices must switch their output voltage for a very low variation of the
gate voltage. This means that their characteristics should exhibit a very steep subthreshold slope, much
lower than the intrinsic limit of CMOS which is 60 mV/decade of current.
The tunnel field effect transistor (TFET), based on interband tunneling, is a good candidate to achieve
these properties. Using III-V materials, it may also be possible to design 2D quantum heterostructures
improving the switching properties of the device.
The PhD work will consist in the design, growth and characterization of these heterostructures in order to
realize an efficient TFET with a very low subthreshold slope.
33
Titre : Communications sans fils aux fréquences THz : application à la transmission vidéo haute-définition
temps-réel
Financement prévu : DGA
Cofinancement éventuel : Allocation Président Lille 1
(Co) Directeur de thèse : Jean-François LAMPIN
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse :
E-mail :
Laboratoire : IEMN
Groupe de recherche : Photonique Térahertz
Descriptif :
L‟IEMN développe depuis de nombreuses années des photo-mélangeurs opto-électroniques, permettant
aujourd‟hui de créer des sources de rayonnement térahertz à partir de sources optiques autour de 1,55 μm
et 0,8 μm. A 1,55 μm, les dispositifs efficaces de photomélange sont les photodiodes à transport
unipolaire (UTC-PD). Ainsi, grâce à ce photomélangeur, des flux de données véhiculés dans les fibres
optiques peuvent être directement convertis en flux de données sur porteuse millimétrique ou THz. Parmi
les applications de ces ondes, les communications sans fils à très haute vitesse (super WiFi, évolution des
réseaux télécoms sans fils) sont très étudiées au niveau mondial car elles permettent de véhiculer des
grandes quantités d‟information comme des flux vidéo haute définition non comprimés. Le projet vise à
utiliser des photo-mélangeurs THz à base de photo-diode InGaAs/InP à transport unipolaire (UTC-PD)
en les optimisant (antennes résonantes planaires et circuit passif d‟adaptation) et en les intégrant à des
fréquences de fonctionnement spécifiques pour réaliser des démonstrateurs en situation opérationnelle.
Le travail de thèse consistera en quatre grandes étapes : la fabrication des puces UTC, la mise en boitier
(intégration), l‟évaluation de la réponse du canal de propagation, et les tests en situation opérationnelle en
réalisant des tests de transmission sur le terrain (environnement outdoor). La portée visée sera de 100 à 1
km en champ libre, pour véhiculer des flux de données par exemple de la vidéo haute-définition non
compressée.
De plus, une étude de la propagation aux fréquences THz permettra d‟appréhender les éléments
spécifiques de la propagation à ces fréquences (220-500 GHz), afin d‟identifier les potentialités de ces
communications en environnement hostile (fumées, poussières,…).
Abstract :
IEMN has developed since several years an expertise on opto-electronic photomixers, devices used for
optical to THz signal conversion. These photomixers can be used to down-convert the optical modulated
signals in optical fiber into wireless at millimetric frequencies, ie as THz sources. The optical feeding can
be at 0.8 μm or 1.55 μm, the latest it is very attractive as it can be fiber optic compatible. These
millimetric frequencies are very attractive due to the potentialities to use them for very high data rate
wireless communications, like super WiFi or high speed cellular phones accesses networks, one of the
application is for example the wireless transmission of uncompressed real-time video signals. In this
34
context, the PhD candidate will first fabricate the InGaAs uni-travelling carrier photodiodes by
optimizing the geometry of the devices and the antennas, in order to realize system level demonstrators
around 300 GHz. The key target is the realization of outdoor communication demonstration at 100m or
1km range using these UTC-PD devices, which will be fabricated in the IEMN micro-nano fabrication
clean room. In order to reach these operational objectives, the PhD will then participate to device
packaging, study the millimetric propagation in real conditions using the IEMN facilities (quasi-optic S
parameter measurements) in the range 220-500 GHz.
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Titre : Structure électronique et propriétés de réseaux cohérents de nanocristaux de semiconducteurs
Electronic structure and properties of coherent superlattices of semiconductor nanocrystals
Financement prévu : Université
Cofinancement éventuel :
Directeur de thèse : Christophe DELERUE
E-mail : [email protected]
Laboratoire : IEMN
Groupe de recherche : Physique
Descriptif :
Ce projet porte sur l‟étude théorique par
des
approches
analytiques
ou
numériques de la structure électronique,
des propriétés optiques et de transport de
réseaux
bidimensionnels
de
nanocristaux de semiconducteurs. Ces
réseaux monocristallins sont synthétisés
par l‟équipe de Daniel Vanmaekelbergh (Debye Institute, université d‟Utrecht, Pays-Bas). Suivant les
conditions de synthèse, des réseaux rectangulaires ou en nid d‟abeille (voir figure) peuvent être formés
par auto-assemblage des nanocristaux. Les réseaux en nid d‟abeille présentent de nombreuses analogies
avec le graphène qui a suscité un fort intérêt ces dernières années. Des calculs que nous venons
d‟effectuer prédisent l‟existence de phases quantiques originales (isolant topologique, effet Hall
Quantique de Spin), en particulier quand les semiconducteurs présentent un fort couplage spin-orbite.
Ces phases quantiques pourraient être exploitées pour une électronique (de spin) originale. L‟objectif de
la thèse sera d‟explorer les propriétés physiques remarquables de ces assemblages de nanocristaux.
Abstract :
The objective of the thesis is to study theoretically using analytic or numerical approaches the electronic
structure, the optical and transport properties of two-dimensional superlattices of semiconductor
nanocrystals. These monocrystalline networks are synthesized by the group of Daniel Vanmaekelberg,
Debye Institute, Utrecht University (Holland). Depending on the experimental conditions, rectangular or
honeycomb superlattices (figure) can be synthesized by self-assembling of nanocrystals. Honeycomb
superlattices of nanocrystals present clear analogies with graphene that recently received very high
attention. Calculations from our group predict the existence of original quantum phases (topological
insulator, Quantum Spin Hall effect), in particular when the semiconductor is characterized by a strong
spin-orbit coupling. These quantum phases could be exploited to make original (spin) electronic devices.
The project aims at investigating the remarkable properties of these assemblies of nanocrystals.
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Titre : Spectroscopie électronique de nanostructures et molécules par microscopie à force atomique à
basse température
Financement prévu : Université
Cofinancement éventuel :
(Co) Directeur de thèse : Thierry MELIN
E-mail : [email protected]
Laboratoire : IEMN
Groupe de recherche : Groupe de PHYSIQUE
Descriptif :
L‟objectif de ce travail est la caractérisation locale des états électroniques quantiques de nanosystèmes
(nanostructures semiconductrices ou molécules) sur substrats isolants, dans un contexte de
nanoélectronique. Cet objectif passe par l‟utilisation de techniques en champ proche dérivées de la
microscopie à force atomique (AFM), pour lesquelles des travaux fondateurs ont été réalisés en 2009
dans le groupe de Gerhard Meyer à IBM Zürich par l‟utilisation de leviers raides (diapasons en quartz) en
microscopie à basse température. Ces travaux ont montré : (i) la possibilité d‟imager le squelette carboné
de molécules individuelles par l‟utilisation de ces sondes en régime de faible amplitude d‟oscillation [L.
Gross et al., Science 325, 1110-1114 (2009)]; la possibilité d‟imager des charges électriques élémentaires
avec une résolution latérale de quelques Angström [L. Gross et al., Science 324, 1428-1431 (2009)]. Le
projet de de cette thèse vise à réaliser, sur un système cryogénique arrivant à l‟IEMN à l‟été 2015 : une
spectroscopie de charges de nanostructures à résolution de charge unique ; l‟imagerie de fonction
d‟ondes quantiques de ces nanostructures ; et au-delà, l‟étude des transferts de charges au sein de
nanodispositifs électroniques.
Abstract:
The objective of this PhD proposal is the local electronic characterization of nanosystems (semiconductor
nanocrystals or molecules) on insulating substrates, in a context of nanoelectronics, using high-end
techniques derived from atomic force microscopy, and in particular a low-temperature atomic force
microscopy to be delivered at IEMN during Summer 2015. The aim will be to perform single charge
spectroscopy experiments on semiconductor nanocrystals / molecules on insulating surfaces ; to image
quantum wave functions in confined systems ; and more generally to study charge transfers within
electronic nanodevices.
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Titre : Etude de métamatériaux acoustiques mixtes pour le contrôle et la focalisation des ondes élastiques
Financement prévu :
Cofinancement éventuel : Direction Général de l’Armement
(Co) Directeur de thèse : Yan PENNEC
E-mail : yan[email protected]
Co-directeur de thèse : Bahram DJAFARI-ROUHANI
E-mail : [email protected]
Laboratoire : IEMN
Groupe de recherche : EPHONI / Groupe de PHYSIQUE
Descriptif :
Les métamatériaux acoustiques sont des structures artificielles hétérogènes, souvent périodiques, dans
lesquelles les inclusions élémentaires sont à l‟échelle sub-longueur d‟onde, c‟est-à-dire avec une taille de
un à deux ordres de grandeur inférieure à la longueur d‟onde. Ces matériaux donnent lieu à des propriétés
physiques uniques comme la réfraction négative, l'inaudibilité (équivalent acoustique de l'invisibilité), la
formation de boucliers sonores ou de transmission exaltées…
Le travail de thèse portera sur l'étude par simulation numérique d'un métamatériau acoustique mixte des
propriétés élastiques d‟une fine membrane sur laquelle nous déposerons des cylindres creux. A l'intérieur
de ces cylindres, il sera possible d'infiltrer différents types de matériaux élastomères, liquide, solides...
Deux applications sont envisagées. Dans la première, il s'agira de contrôler la propagation des ondes
élastiques de manière à étudier les propriétés d‟hyper-focalisation. La maîtrise d‟une telle focalisation
permet d‟envisager des applications majeures autour de la conversion (Energy transfert), de la
récupération (Energy harvesting) ou encore de l‟absorption de l‟énergie élastique (acoustic black holes).
La seconde application, d'enjeu social très important, vise à utiliser le métamatériau choisi pour des
applications de capteurs sensibles à la détection de liquides et de gaz biochimiques, de polluants... Les
simulations seront faites sur la base de méthodes numériques connues (éléments finis (FEM), différences
finies (FDTD), ondes planes (PWE)) ayant fait leurs preuves dans le domaine.
Abstract:
Acoustic metamaterials are artificial structures in which all dimensions are one or two orders lower than
the working wavelength. These materials present amazing physical properties such as negative refraction,
cloaking, sound shielding, extraordinary transmissions... In the PhD project, we will study, using usual
methods of simulation (FEM, FDTD, PWE), a new metamaterial constituted by hollow cylinders
deposited on a thin plate, filled or not with different organic materials, solid or liquid. The objective is
double. We will focus firstly our interest on the acoustic field focalisation for energy harvesting
applications and secondly on the sensitivity of the vibrational states to biochemical liquid or gaz for
sensing applications.
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Titre : Optimisation des propriétés thermiques et rhéologiques de dispersions de nanoparticules pour
évacuation de la chaleur
Financier : Contrat d’Etablissement
Cofinancement éventuel :
Directeur de thèse : Evelyne LAMPIN
E-mail : [email protected]
Laboratoire : IEMN
Groupe de recherche : Physique/SDYNA
Descriptif :
L'augmentation rapide des densités de puissance en microélectronique rend cruciale la recherche de
matériaux efficaces pour évacuer la chaleur. L'utilisation de dispersions de nanoparticules peut
augmenter considérablement les performances de systèmes de refroidissement par circulation et par
piègeage de chaleur en face arrière.
Dans le premier cas, des nanofluides (suspensions colloïdales de nanoparticules solides) sont considérées
comme des matériaux très prometteurs [1]. Ils présentent, d'une manière inattendue, une conductivité
thermique élevée déjà à faible fraction volumique de nanoparticules. Cette augmentation a été expliquée
de manière théorique par une aggrégation linéaire des particules [2]. Toutefois, l'aggrégation augmente
également la viscosité du fluide et limite sa capacité à circuler dans le système de refroidissement.
En ce qui concerne la dissipation par piègage de chaleur en face arrière, une amélioration des
performances est obtenue en travaillant sur les matériaux thermiques d'interface. Dans ce but, on utilise
des pâtes isolantes électriquement mais conductives thermiquement. Il a été montré [3] que la
conductivité de ces pâtes thermiques peut être augmentée par des inclusions nanostructurées, comme des
nanotubes de carbone ou des lamelles de graphène. Dans ce cas également, l'inconvénient est que la
viscosité augmente avec la charge en inclusions. Cela s'accompagne d'une baisse de malléabilité et donc
de capacité à remplir les trous d'air entre le radiateur et le dispositif.
Il s'ensuite que le lien entre l'augmentation de la dissipation thermique et la dégradation des propriétés
rhéologiques est l'une des principales limites à l'application des dispersions de nanoparticules à
l'évacuation de la chaleur.
La dynamique moléculaire est une méthode théorique largement utilisée pour étudier les propriétés de
transport d'aggrégats atomiques. La conductivité thermique, la viscosité ou viscoélasticité sont des
propriétés typiquement étudiées avec cette technique pour un large spectre de composés moléculaires et
de structures. La méthode permet d'apporter la vision à l'échellle nano des mécanismes en jeu.
Dans ce projet, la dynamique moléculaire sera tout d'abord appliquée à l'étude de la conductivité
thermique et de la viscosité de nanofluides composés de particules à base de carbone et de silicium
dispersées dans l'eau en fonction de leur fraction volumique et de leur taille. Le comportement
macroscopique obtenu sera corrélé aux détails de l'aggrégation et au final aux propriétés de l'interaction
solide-fluide. Dans un deuxième temps, les connaissances obtenues par la première étude serviront de
guide pour comprendre le rôle de l'aggrégation de nanoparticules dans la pâte thermique. Dans ce cas,
une matrice polymère sera introduite et le degré de polymérisation sera considéré comme paramètre
supplémentaire pour l'optimisation des propriétés thermiques et rhéologiques.
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Le projet bénéficiera de l'expérience en dynamique moléculaire du groupe SDYNA à la fois sur le
transport thermique à la nanoéchelle [4] et en rhéologie [5]. Par ailleurs, le projet s'intègre tout à fait dans
le context de l'IEMN de part l'intérêt pour les applications microélectroniques et la montée en puissance
des expériences de thermique dans le laboratoire.
Abstract :
Optimization of the thermal and rheological properties in nanoparticle dispersions for heat
removal
Rapidly increasing of the power density in micro-electronics made efficient heat removal a crucial issue.
As a matter of fact, the performances of both flow based cooling systems and back-end heat sink can be
largely increased exploiting the transport properties of nanoparticle dispersions.
In the first case nanofluids (colloidal suspensions of solid nanoparticles) are considered as very
promising materials [1]. They show an unexpected and dramatic thermal conductivity enhancement also
at low nanoparticle volume fraction. This increase has been theoretically explained by accounting for
linear particle aggregation [2]. But, on the other hand, particle aggregation also increases fluid viscosity
limiting the capability of nanofluids to flow into the cooling systems.
Regarding the back-end heat sink an improvement of the performances is obtained by improving the
efficiency of the thermal interface material. To this aim adhesive compounds with electrically insulating,
but thermally conductive fillers are exploited.
It has been proved [3] that the conductivity of these thermal pastes can be enhanced by nanostructured
fillers such as e.g. carbon nanotubes or graphene flakes. Also in this case the drawback is the increasing
of the material viscosity with the filler loading. This is accompanied by a decrease in workability and
therefore in capability of filling air gaps between the heat sink and the heat source on the device.
It follows that the interplay between thermal dissipation enhancement and the corresponding degradation
of the rheological properties is one of the main limits in the application of nanotechnology to heat
removal.
Molecular Dynamics is a theoretical method largely adopted to study transport properties of atomic
aggregates in different states. Thermal conductivity, viscosity or viscoelasticity are in fact the typical
properties achievable by this technique for a large spectra of molecular compounds and structures. At the
same time the results of the calculations can be interpreted by the meaningful insight of the nanoscale
mechanisms revealed by the simulations.
In this project, Molecular Dynamics will be firstly applied to the study of the thermal conductivity and of
the viscosity of nanofluids composed by carbon and silicon based nanoparticles dispersed in water as a
function of their volume fraction and size. The obtained macroscopic behavior will be correlated to the
details of the aggregation and finally to the properties of the solid-fluid interaction.
At a later stage the physical insight obtained by the first study will be adopted as guideline to understand
the role of nanoparticle aggregation in thermal paste. In this case a polymer matrix will be introduced and
the degree of polymerization will be considered as an additional parameter for the optimization of the
thermal and rheological properties.
The project will take profit from the experience of SDYNA group in both nanoscale thermal transport
[4] and rheology [5] via Molecular Dynamics. Moreover the IEMN context, where an increasing number
of experimental groups are actually working on thermal transport, will allow a crucial connection with
experiments and micro-electronics applications both to drive the work and to apply the obtained
theoretical results.
40
[1] J.A. Eastman, S.R. Phillpot, S.U.S. Choi, P. Keblinski, Annual Review of Materials Research
Vol. 34: 219-246, (2004).
[2] P. Keblinsky, R.Prasher, J. Eapen, Journal of Nanoparticle Research, October 2008, Volume 10,
Issue 7 pp 1089-1097.
[3] A. A. Balandin, Nature Materials 10, 569–581 (2011)
[4] E. Lampin, P.-L. Palla, P.-A. Francioso, F. Cleri, Journal of Appl. Phys. (2013)
[5] P-L. Palla, C. Pierleoni, and G. Ciccotti, Physical Review E 78, 021204 (2008)
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Titre : Phénomènes moléculaires dans l’endommagement de l’ADN par rayonnements ionisants
Financement prévu : Bourse Région-NPC
Cofinancement éventuel : Bourse PRESIDENT
(Co) Directeur de thèse : Fabrizio CLERI
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse :
E-mail :
Laboratoire : IEMN
Groupe de recherche : PHYSIQUE
Descriptif :
La destruction des cellules tumorales par des faisceaux de photons en radiothérapie du cancer est encore
aujourd‟hui basée sur une compréhension empirique de l‟endommagement de l‟ADN par les rayonnements.
Il est bien établi que les photons produisent des cassures simple brin (SSB) et double brin (DSB) de l‟ADN,
par plusieurs mécanismes directs et indirects, mais leurs détails et efficacité sont fort mal connus.
Nous avons récemment proposé une nouvelle approche multi disciplinaire, avec un premier projet financé
par l‟INSERM (Plan Cancer 2013), suivi par un projet IBL-IEMN labellisé SIRIC OncoLille, pour mesurer
sur l‟ADN exposé à l‟irradiation les taux de production des SSB et DSB.
La théorie et modélisation multi-échelle de l‟endommagement de l‟ADN, qui est le thème de ce projet de
thèse, doit nécessairement complémenter ces expériences, pour arriver a une réelle compréhension des
interactions microscopiques entre rayonnements ionisants et ADN, permettant d‟établir des relations causeeffet conséquent aux différentes conditions expérimentales. Dans cette thèse le candidat pourra étudier, par
des simulations de dynamique moléculaire, classique et quantique, la corrélation entre défauts
microscopiques induits dans l‟ADN par la radiation, et réponse mécanique de la molécule, telle qu‟elle est
mesurée par le dispositif micromécanique, en étroite collaboration avec les équipes expérimentales au
Centre „Oscar Lambret‟ de Lille et aux laboratoire LIMMS de l‟Université de Tokyo..
Abstract :
The destruction of tumor cell by therapeutic photon beams is still based on an empirical assessment of the
level of damage to the DNA by ionizing radiations. It is well established that photons induce simple- and
double-strand breaks in the DNA, by several direct and indirect mechanisms, but their details and efficacy
are very poorly known. We recently proposed a new interdisciplinary approach, with a first project funded
by the INSERM, followed by another project of the IBL-IEMN teams supported by the SIRIC OncoLille,
to directly measure the production rate of the DNA defects under irradiation.
Multi-scale theory and modelling of DNA damage, which is at the focus of this thesis work, must
necessarily complement the experiments, to arrive at a deeper understanding of the microscopic
interactions between ionizing radiations and DNA, and to establish cause-effect relationships, correlated to
the experimental conditions. In this project, the candidate will study such correlations by means of
molecular dynamics computer simulations, with both classical and ab-initio forces. The study will be
42
carried out in close collaboration with the experimental teams at the „Oscar Lambret‟ radiotherapy centre in
Lille, and the LIMMS laboratory of the University of Tokyo.
carried out in close collaboration with the experimental teams at the „Oscar Lambret‟ radiotherapy centre in
Lille, and the LIMMS laboratory of the University of Tokyo.
43
mTitre : Conception et fabrication de neurones artificiels pour le traitement bioinspiré de l’information
Financement prévu : Allocation Région Nord Pas de Calais et allocation Président Lille1
Cofinancement éventuel :
(Co) Directeur de thèse : Alain CAPPY
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse : Virginie HOEL
E-mail : [email protected]
Laboratoire : IEMN/IRCICA
Groupe de recherche : Projet Bioinspiration
Descriptif :
L‟industrie de la microélectronique doit aujourd‟hui relever de nombreux défis. Le plus grand est de
continuer à augmenter les performances de nos ordinateurs tout en maîtrisant leur consommation
énergétique. Par ailleurs, le cerveau des êtres vivants est un organe fascinant et puissant qui possède des
performances remarquables dans des domaines aussi variés que la complexité des informations traitées,
la tolérance aux fautes, l‟apprentissage, la consommation énergétique et la régénération du signal. Dans
ce contexte, nous souhaitons proposer une nouvelle technologie de composants et développer une filière
totalement nouvelle du type « BioInspiré ». En étudiant le fonctionnement du cerveau et en utilisant les
récents progrès des neurosciences et des nanotechnologies, nous proposons de concevoir et fabriquer
des neurones artificiels pour le traitement bioinspiré de l‟information. Plus précisément, l‟objectif de
cette thèse est de concevoir et fabriquer des dispositifs et circuits reproduisant les propriétés du neurone
avec ses trois composantes fondamentales : le soma ou est généré le potentiel d‟action, les axones et
dendrites qui propagent ce potentiel d‟action sans atténuation et les synapses qui connectent les neurones
entre eux. Une part importante de la thèse concernera l‟efficacité énergétique des neurones artificiels.
Cette thèse sera effectuée dans le cadre du projet multidisciplinaire „architectures bioinspirées‟ associant
plusieurs laboratoires de l‟université de Lille (CRIStAL, IEMN, IRCICA).
Abstract :
The microelectronics industry today faces many challenges. The biggest is to continue to increase the
performance of computers computing while controlling their energy consumption. Furthermore, the brain
of leaving beings, is a fascinating and powerful organ that has remarkable performance in areas as varied
as complexity of the processed information, fault tolerance, learning, energy consumption and
regeneration of the signal. In this context, we wish to propose a new technology for developing a totally
new „bioinspired‟ device family. By studying brain function and using recent advances in neuroscience
and nanotechnology, we propose to design and fabricate artificial neurons for the bio inspired processing
of information.
More precisely, the objective of this thesis is to design and manufacture a device or a simple circuit
reproducing the properties of the neuron with its three basic components: the soma where is the action
potential is generated, axons and dendrites that propagate this action potential without attenuation and
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synapses that connect neurons together. A significant part of the thesis will concern the energy efficiency
of the artificial neurones.
This thesis will be carried out in the frame of the multidisciplinary „Bio inspired architecture‟ project
gathering several laboratories of Lille University (CRIStAL, IEMN, IRCICA).
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Titre : Etude du transport électronique dans GaN sous fort champ électrique
Study of electron transport in GaN under high electric field
Financement prévu : 100% GaNex
Cofinancement éventuel :
(Co) Directeur de thèse : Michel ROUSSEAU
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse : Frédéric ANIEL
E-mail : [email protected]
Laboratoires : IEMN-Lille / IEF / CHREA
Groupe de recherche : Composants et Dispositifs Microondes de Puissance
Descriptif :
Le matériau GaN est un semiconducteur à large bande interdite devenu très populaire avec le
développement des diodes électroluminescentes. La portée cette révolution technologique a d‟ailleurs été
saluée en 2014 par le comité Nobel. De plus, les propriétés électroniques du GaN (champ de claquage
diélectrique et vitesse des électrons entre autres) sont telles que des composants électroniques déjà très
performants sont désormais en phase de développement. Cependant, les phénomènes liés au transport des
électrons sous fort champ électrique sont encore relativement mal connus alors que la maîtrise de ces
effets est essentielle pour optimiser et même développer de nouveaux composants. Ainsi, l‟ionisation par
choc et la chute de mobilité des électrons à haute énergie sont des phénomènes qui peuvent limiter les
performances des composants ou, dans certains cas, être exploités (diodes à avalanche, diodes à effet
Gunn…).
Le principal objectif de cette étude sera donc d‟étudier des structures épitaxiales à base de GaN en vue de
la compréhension de ces phénomènes et de la quantification de leurs paramètres (énergies, temps de
relaxation etc…). C‟est dans un contexte de transport électronique vertical que se situera l‟étude avec
pour commencer des diodes fabriquées à partir de matériau GaN dopé n+ n- n+ puis des hétérostructures
avec par exemple, un émetteur AlGaN. Ces structures seront réalisées au CRHEA. L‟essentiel du temps
de recherche sera partagé entre l‟IEMN et l‟IEF. Des diodes seront fabriquées en salle blanche et
mesurées à l‟IEMN (mesures I-V et C-V en fonction de la température) et l‟IEF réalisera des
caractérisations complémentaires (mesures de bruit, mesures d‟électroluminescence). Les topologies des
composants seront définies en commun entre les laboratoires. Des modélisations seront également
menées chez ces deux partenaires. A l‟IEF, ces modélisations porteront sur les structures électroniques,
l'ionisation par choc, les temps de relaxation. A l‟IEMN, les modélisations porteront sur l‟influence des
effets thermiques sur l‟apparition d‟un domaine de propagation, l‟influence des dimensions des diodes
Gunn sur les performances électriques (statique et micro-ondes). Dans un second temps, au-delà des
optimisations, des structures de type HET (hot electron transistor) pourront être définies en fonction des
paramètres extraits des mesures et des modélisations. Cette thèse est proposée dans le cadre du
laboratoire d‟excellence en réseau GaNex du plan d‟Investissements d‟Avenir (ANR-11-LABX-0014).
De par l‟aspect multi-site de la thèse, le candidat sera amené à effectuer plusieurs séjours longs de 6 à 9
mois dans les laboratoires IEMN (Lille) et IEF (Orsay) et des séjours courts au CRHEA (Valbonne).
46
Abstract :
GaN is a wide bandgap semiconductor which present exceptional electronic properties (high breakdown
field and high electrons velocity among others). However, the phenomenon related to the electrons
transport in strong electric field is still relatively poorly known. Thus, the impact ionization and reduced
electrons mobility under strong electric field are phenomena that can limit the performance of devices or,
in some cases, be exploited (avalanche diodes, Gunn diodes affect ...). The main objective of this thesis
will be to study epitaxial GaN-based structures for the understanding of these phenomena and
quantifying their parameters (energy, relaxation time...). It is in the context of vertical electron transport
that will lie to begin with the GaN n+/n-/n+ diodes and others heterostructures. These structures will be
carried out CRHEA. Most of the research time will be split between IEMN and IEF. Diodes will be
fabricated in clean room and measured at IEMN (IV and CV measurements as a function of temperature)
and IEF conduct additional characterizations (noise measurements, measurements electroluminescence).
The topologies of components will be defined jointly between laboratories. Modelling will be conducted
in both partners. At IEF, these models focus on the electronic structures, the impact ionization, and
relaxation times. A IEMN, the models focus on the influence of thermal effects on the appearance of a
field spread the influence of the Gunn diodes size on the electrical performance (static and microwave).
In the multi-site aspect of the thesis, the candidate will have to make several long stays of 6 to 9 months
in IEMN (Lille) and IEF (Orsay) laboratories and short steps in CRHEA (Valbonne).
Autre contact : Ali SOLTANI, [email protected]
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Titre : Composants de puissance hyperfréquence de la filière GaN sur différents substrats fonctionnant en
bandes V et W.
Gallium Nitride based microwave power components on different substrates operating in V and W bands.
Financement prévu :
Cofinancement éventuel : Thèse de l’université de Lille1
(Co)-Directeur de thèse : Jean-Claude DE JAEGER
E-mail : [email protected]
Laboratoire : IEMN – UMR 8520 et LN2
Equipe : Composants et Circuits Microondes de puissance (PUISSANCE)
Descriptif :
Ce sujet de thèse a pour thème le développement de composants basés sur le transistor à effet de champ de
type HEMT (High Electron Mobility Transistor) à base de GaN (Nitrure de Gallium) fonctionnant en
bandes V et W pour différents types d‟applications entre autres, aérospatiales, défense, sécurité et
télécommunications. Ces bandes de fréquences sont à l‟heure actuelle de plus en plus utilisées, aussi la
demande d‟amplificateurs de puissance dans ce domaine s‟avère nécessaire. On peut notamment citer les
télécommunications en bande E (80GHz). L‟objectif est donc de réaliser des transistors pouvant délivrer
de hautes puissances à des fréquences les plus élevées possibles. Pour ce type d‟applications la filière
nitrure de gallium est sans aucun doute la plus prometteuse. Les propriétés de ce matériau sont en effet tout
à fait adaptées pour concilier haute puissance et montée en fréquence.
Dans ce contexte, notre objectif est l‟optimisation du procédé de fabrication pour les filières de matériaux
AlGaN/GaN, InAlN/GaN et InAlGaN/GaN afin d‟assurer la montée en fréquence des composants
hyperfréquences de puissance de la filière nitrure de gallium. Différents types de substrats seront étudiés :
Si, SiC ou GaN auto-supporté.
L‟étudiant sera impliqué dans un travail essentiellement expérimental utilisant les plateformes
technologiques et de caractérisation disponibles à l‟IEMN. Une partie de la thèse portera sur l‟optimisation
des différentes étapes du procédé de fabrication des transistors (marques, isolation, contacts ohmiques,
contact Schottky, plots épaississements …). Une attention particulière sera portée à la fabrication de
composants de longueur de grille inférieure à 80nm. Une autre partie de la thèse sera orientée vers la
caractérisation des transistors fabriqués par le doctorant afin de valider la technologie mise en œuvre.
Celle-ci comportera notamment la caractérisation physique basée sur des mesures type effet Hall, C(V),
Raman, SIMS… Le candidat sera également impliqué dans des mesures électriques et hyperfréquences
ainsi que de puissance.
Il s‟agit d‟un sujet de thèse à fort impact industriel basé sur des collaborations avec d‟autres laboratoires
académiques et des partenaires industriels.
Ce sujet de thèse s‟inscrit dans le cadre de différents projets ANR :
- Le projet SATELLITE (Partenaires : IEMN, CRHEA, OMMIC, VECTRAWAVE, BLUWAN)
dont l‟objectif est de développer des composants HEMTs GaN sur substrat silicium pour des
applications en ondes millimétriques.
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- Le projet FreeGaN (Partenaires : IEMN, CRHEA, LUMILOG/SAINT GOBAIN, LN2, OMMIC)
dont l‟objectif est de développer des composants de type HEMT AlGaN/GaN sur substrat GaN
autosupporté. L‟utilisation de cette homoépitaxie, présentant une faible densité de défauts, permettra
d‟améliorer les performances hyperfréquences, la tension de claquage et la fiabilité des composants.
Contacts :
Jean-Claude DE JAEGER ([email protected]) Directeur de thèse
Marie LESECQ ([email protected]) Co-encadrante
Abstract :
This thesis subject regards the development of components based on Field Effect Transistors called
HEMTs (High Electron Mobility Transistors) based on GaN (Gallium Nitride) working in V and W bands
for different applications such as airborne, military, safety and telecommunications. At present, these
bandwidths are more and more used so, the need of power amplifiers in this domain is necessary. In
particular, one can cite telecommunications in E band (80GHz). Hence, the objective consists to fabricate
transistors delivering high power at the highest frequency. For the proposed applications, Gallium Nitride is
the most promising semiconductor. Its material properties are indeed well suited to get high power at high
frequencies.
In this frame, our objective is the process optimization based on AlGaN/GaN, InAlN/GaN and
InAlGaN/GaN semiconductors in order to fabricate microwave components. Different substrates will be
studied: Si, SiC or GaN free-standing.
The work proposed to the student is mainly based on experiment using technology and characterization
facilities available at IEMN. Part of the thesis will concern the optimization of the technological process of
transistors (marks, isolation, ohmic contacts, Schottky contact, thick interconnection…). Specific attention
will be done to the fabrication of components with a gate length lower than 80nm.
Another part of the thesis will be the characterization of the transistors made by the PhD in order to
validate the technological process. Physical characterization (Hall, C(V), Raman, SIMS…) will be
conducted as well as electrical and microwave power measurements.
This subject is strongly linked with industrial companies and based on collaborations with other academic
and industrial partners.
This thesis subject deals with different ANR projects:
- SATELLITE project (Partners: IEMN, CRHEA, OMMIC, VECTRAWAVE, BLUWAN): the
objective consists to develop GaN based HEMTs on silicon substrate for applications in millimetric
waves.
- FREEGaN project (Partners: IEMN, CRHEA, LUMILOG/SAINT GOBAIN, LN2, OMMIC). The
objective consists to develop GaN based HEMTs on GaN free-standing substrate. Using this
homoepitaxy makes it possible to reach a low defects density in order to improve microwave
performance, breakdown voltage and components reliability.
Contacts:
Jean-Claude DE JAEGER ([email protected]) Thesis supervisor
Marie LESECQ ([email protected]) Co-supervisor
49
Titre : Mesures de la température dans les transistors HEMTs AlGaN/GaN en fonctionnement –
Amélioration de la conductivité thermique
Temperature measurement of AlGaN/GaN HEMTs in operation – Improvement of the thermal conductivity
Financement prévu : DGA
Cofinancement éventuel : LN2- université de Sherbrooke (Canada)
(Co)-Directeur de thèse : Jean-Claude DE JAEGER
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse : Hassan MAHER
E-mail : [email protected]
Laboratoire : IEMN – UMR 8520 et LN2
Equipe : Composants et Circuits Microondes de puissance (PUISSANCE)
Descriptif :
Le sujet proposé s‟inscrit dans une des lignes prioritaires de la DGA qui concerne la nanothermique, et la
mesure de température dans les composants.
Une partie du travail de thèse sera orientée vers la fabrication des composants en salle blanche où l‟objectif
sera d‟intégrer des microcapteurs dans des composants de type HEMT afin de contrôler leur température en
régime de fonctionnement. Il s‟agira d‟une conception basée sur des lithographies optique et électronique
où toutes les étapes technologiques devront être développées. L‟autre partie du travail de thèse sera dédiée
aux différentes mesures de ces microcapteurs afin de déterminer la température maximale dans le
composant ainsi que sa résistance thermique. Une validation de ces mesures sera faite par d‟autres
approches usuelles (Caméra IR / Raman). Cette étude s‟inscrit dans le cadre d‟un projet ANR ASTRID
TEMPO dont les partenaires sont l‟IEMN, le LN2, XLIM, l‟IMN et OMMIC.
- Des capteurs résistifs seront intégrés au transistor sur la passivation primaire. La calibration est faite en
chauffant le composant de manière à obtenir l‟évolution de la résistance en fonction de la température.
La mesure de résistance est ensuite faite sur le composant en fonctionnement, ce qui permet d‟évaluer
la valeur de la température grâce à la courbe de calibration.
- Un autre type de capteur (pont de Wheatstone) intégré au transistor sera étudié. Les mesures relatives à ce
type de capteurs sont de deux natures : l‟échauffement est obtenu soit par impulsion électrique soit par
impulsion Laser. Un déséquilibre ΔV causé par l‟excitation et proportionnelle à ΔT est mesuré,
décrivant la propagation de la chaleur de l‟échauffement au refroidissement. La conductivité thermique
est estimée par la suite à l‟aide d‟un modèle sous l‟environnement Matlab.
- Ces capteurs pourront également être enterrés à différents niveaux de l‟épitaxie de manière à connaitre
avec précision la conductivité thermique des différentes couches ainsi que la résistance thermique aux
interfaces.
Des méthodes non invasives seront également envisagées :
- L‟utilisation de la caméra thermique infrarouge donnera une mesure moyenne de la température du
HEMT en fonctionnement. La spectroscopie Raman sera également utilisée en première approche ainsi
qu‟une autre méthode plus originale basée sur le principe 3ω à partir de l‟utilisation du RON du
50
transistor comme élément chauffant. Cette méthode de mesures permettra également d'obtenir la
conductivité thermique de l'échantillon.
Le sujet de thèse sera également orienté vers l‟application de ces méthodes pour évaluer l‟amélioration de la
conductivité thermique sur des composants réalisés sur substrat GaN auto-supporté. Cette étude s‟inscrit dans
le cadre d‟un projet ANR FreeGaN. Les partenaires de ce projet sont l‟IEMN, le CRHEA,
LUMILOG/SAINT GOBAIN et OMMIC. L‟objectif de ce projet est de développer et qualifier de nouveaux
dispositifs par la conception de structures GaN fiables de type transistors. Pour obtenir une telle fiabilité, un
nouveau type de substrat GaN autosupporté associé à un buffer et une épitaxie appropriés va être
développé. L‟objectif est le développement d‟un épimatériau innovant présentant une faible densité de
défauts afin d‟améliorer les performances hyperfréquences, la tension de claquage et la fiabilité de nos
nouvelles structures. Une mesure de conductivité thermique de ces composants par les différentes méthodes
proposées permettra de confirmer l‟intérêt d‟une homoépitaxie pour la fiabilité des transistors.
Il s‟agit d‟une thèse en cotutelle entre l‟Institut d‟Electronique, de Microélectronique et de
Nanotechnologie (IEMN) et le Laboratoire Nanotechnologie et Nanosystèmes (LN2) de l‟université de
Sherbrooke au Canada. 50% de l‟activité aura lieu sur chaque site
Contacts :
Jean-Claude DE JAEGER ([email protected]) Directeur de thèse
Hassan MAHER ([email protected]) Directeur de thèse
Marie LESECQ ([email protected]) Co-encadrante
Abstract :
The proposed subject is linked to priority topics of the French MOD (DGA) regarding nanothermic and
temperature measurement in the components.
The thesis work is based on the fabrication of components in clean room where the objective is the
integration of microsensors in HEMTs devices in order to control the temperature in operation. It will be a
making based on optical and electrical lithographies where all the different technological steps will be
developed. Another part of the work will be measurements based on these microsensors in order to
determine the maximum temperature in the component and the thermal resistance as well as a validation
obtained from other usual approaches (IR imaging / Raman). This study will be conducted in the frame of
an ANR ASTRID TEMPO project where the partners are IEMN, LN2, XLIM, IMN and OMMIC.
- Resistive sensors will be integrated into the transistor on the primary passivation. Calibration is
obtained from component heating to deduce the evolution of the resistance versus temperature.
Resistance measurement is then performed in operation, making it possible to evaluate temperature
value thanks to calibration determination.
- Another sensor type (Wheatstone bridge) integrated into the transistor will be studied. Measurements based
on these sensors are stemming from two methods: heating is obtained ever from electrical pulse or laser
pulse. An imbalance ΔV due to excitation and proportional to ΔT is measured, describing the heat
propagation from heating to cooling. Thermal conductivity is then estimated from modeling based on
Matlab software.
- These sensors can be also buried at different levels into the epitaxy in order to know accurately the
thermal conductivity of the different layers and the interface thermal resistances as well.
Other well-known methods will be also envisaged:
- Infra-red thermal camera will permit to get an average measurement of HEMT temperature in
operation. Raman spectroscopy will be also used in a first approach as well as an original method based
51
on 3ω method using RON of the transistor as heating element. This method will also permit to determine
the thermal conductivity of the component.
The thesis subject will be also oriented to the application of these methods to evaluate the improvement of
the thermal conductivity in components made on GaN free-standing substrates. This study is linked with
the ANR FreeGaN project. Partners of this project are IEMN, CRHEA, LUMILOG/SAINT GOBAIN and
OMMIC. The project objective consists to develop and qualify new devices based on reliable structures of
transistors. To obtain such a reliability, a new GaN free standing substrate associated with an appropriate
buffer and epitaxy will be developed. The objective is to develop innovative epimaterial presenting a low
density of defects in order to improve microwave performances, breakdown voltage and reliability.
Thermal conductivity determination of these components using the different proposed approaches will
permit to confirm the interest of homoepitaxy for transistor reliability.
This is a co-tutorial thesis between Institut d‟Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
(IEMN) and Laboratoire Nanotechnologie et Nanosystèmes (LN2) from Sherbrooke university in Canada.
Half part of the activity will be done in each site.
Contacts:
Jean-Claude DE JAEGER ([email protected]) Thesis supervisor
Hassan MAHER ([email protected]) Thesis supervisor
Marie LESECQ ([email protected]) Co-supervisor
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Titre : Conception d'un filtre acoustooptique multifréquence à sélection de polarisation et compensation
de biréfringence. Application à l'imagerie hyperspectrale
Financement prévu : Université de Valenciennes
Cofinancement éventuel :
(Co)-Directeur de thèse : Jean-Claude KASTELIK
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse :
E-mail :
Laboratoire : IEMN DOAE Université de Valenciennes
Equipe : Composants et Systèmes Acousto-Optiques (CSAO) ; Groupe Opto
Descriptif :
Le sujet concerne la conception, la réalisation et l‟expérimentation d‟un filtre acousto-optique
hyperspectral
dioxyde de tellure pour ses propriétés acousto-optiques exceptionnelles sur une gamme de longueurs
d‟onde de 0,35 à 4,5 microns. Il est de plus disponible en grandes dimensions (25 mm par 25 mm) le
rendant favorable pour la réalisation de composants à grande ouverture optique. L‟interaction acoustooptique présente l‟avantage, outre l‟absence de parties mécaniques mobiles, d‟une large plage
d‟accordabilité avec des temps de réponse très courts (quelques microsecondes), autorisant plusieurs modes
d‟analyse : multifréquences, balayage continu ou aléatoire.
L‟originalité du dispositif envisagé consiste en la mise en cascade de deux composants dans une
architecture à compensation de biréfringence. La configuration d‟interaction envisagée est de type
anisotrope autorisant une extraction simultanée des 2 composantes de polarisations orthogonales du
faisceau lumineux analysé traversant le cristal biréfringent. Les deux composants seront également équipés
de réseaux de transducteurs Cette architecture inédite permettra une utilisation simultanée de plusieurs
fréquences d‟accord sélectionnant autant de bandes optiques avec des résolutions également accordables.
Applications :
Un tel filtre de par son accordabilité sur une large gamme spectrale est destiné à une utilisation dans des
systèmes de spectroscopie, d‟imagerie hyperspectrale et polarimétrique pour lesquels les applications sont
très nombreuses : domaine biomédical, industrie pharmaceutique, industrie agroalimentaire, détections de
polluants, identification d‟objets …
Collaboration :
Société AA-Optoélectronique pour la réalisation du composant
Abstract :
The proposed study consists in the design and experimental validation of a specific bulk acousto-optic
device for spectral imaging. The acousto-optic material is the tellurium dioxide allowing tunability over a
large optical bandwidth. An original optical architecture will be considered based on two cascaded devices
allowing the compensation of the optical birefringence and the use of several simultaneous ultrasonic
frequency carriers.
53
Titre : Etude des cavités actives dans les nanostructures périodiques à gap de photons
Financement prévu : Université de Valenciennes
Cofinancement éventuel :
(Co)-Directeur de thèse : Joseph GAZALET
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse :
E-mail :
Laboratoire : IEMN DOAE Université de Valenciennes
Equipe : Composants et Systèmes Acousto-Optiques (CSAO) ; Groupe Opto
Descriptif :
Contexte scientifique : Les cristaux photoniques sont des structures périodiques, nanostructurées qui ont
la propriété d‟inhiber la propagation des ondes optiques dans certaines bandes de fréquences. Ces
matériaux font l‟objet d‟intenses investigations pour les applications liées au contrôle des photons
(modulateurs, capteurs). Ces matériaux permettent de réaliser des modulateurs optiques à grand
rendement.
Objectifs de la thèse : Le sujet concerne la conception d‟un modulateur à cavité photonique. La cavité est
constituée d‟un défaut de structure : l‟absence d‟un ou plusieurs motifs. Les ondes sont fortement
confinées à l‟intérieur des défauts, il en résulte un facteur de qualité potentiellement très élevé (Q>10 5).
Ces dispositifs sont aussi très sensibles aux perturbations (acousto-optiques et électro-optiques par
exemple). Consécutivement, un composant conçu à partir de ces structures devrait présenter une
efficacité de modulation accrue : il devient envisageable de diminuer la puissance des signaux de
commande d‟un ordre de grandeur. Le matériau considéré sera semi-conducteur, qui se prête bien aux
réalisations technologiques.
Le candidat mettra en œuvre des modèles numériques d‟optimisation de cavité en tenant compte du
caractère multiphysique du problème : évolution du facteur de qualité en présence d‟une perturbation
acousto - électro - optique.
Ce sujet s'inscrit dans la continuité des travaux de l'équipe CSAO qui ont donné lieu à publications dont :
Opt. Express, 22, 13 (2014) 16288-16297
Abstract:
The subject is related to photonic cavity modulator design. The cavity consists of a structure defect
introduced by the lack of one or more unit cell pattern. The waves are strongly confined into the cavity
with a potentially very high quality factor (Q>105). These devices are also very sensitive to additional
perturbations (acousto-optic or electro-optical for instance). Consecutively, such a component should
exhibit increased modulation efficiencies: it allows decreasing the control
54
Titre : Caractérisation de dépôts et revêtements minces par ondes de surface et guidées générées et
détectées par sources laser
Financement prévu : Ministère
Cofinancement éventuel : Université de Valenciennes
Directeur de thèse : Mohammadi OUAFTOUH
E-mail : [email protected]
Laboratoire : IEMN UMR 8520
Groupe : TPIA
Descriptif :
L‟utilisation de revêtements et de couches minces sur substrat est courante dans de nombreux domaines
notamment en microélectronique où les propriétés électriques, magnétiques ou mécaniques souhaitées sont
souvent réalisées en déposant des films minces ayant ces propriétés sur des substrats de silicium.
L‟importance de la caractérisation élastique de ces films est motivée essentiellement par le besoin
d‟analyser l‟adhérence de la couche sur le support et/ou le souhait de disposer d‟un indicateur de son
endommagement, provoqué par des micro-fissures ou des micro-porosités.
La technique laser-ultrasons a été largement utilisée ces dernières années pour la caractérisation de ces
structures. Cependant, la quasi-totalité des travaux réalisés dans ce domaine exploitent uniquement les
ondes de volume à partir de l‟analyse des ondes réfléchies à l‟interface entre le film et le substrat. Pour des
épaisseurs de couche du même ordre que celles rencontrées en microélectronique, ceci nécessite d‟utiliser
des fréquences acoustiques de plusieurs dizaines (voir centaines de GHz), que l‟on peut générer en
disposant d‟un laser femtoseconde. Notre approche consiste à privilégier le phénomène de résonance de la
structure couche sur substrat en utilisant les ondes de surface et guidées. L'avantage principal de
l'utilisation de ces ondes réside dans leur capacité d'interroger des zones très larges et parfois inaccessibles.
L‟autre avantage de cette approche est de réduire les fréquences acoustiques de travail en comparaison à
celles exigées en utilisant les ondes de volume. Ainsi, l‟emploi de sources laser picoseconde devrait
largement suffire dans bon nombre de cas.
Un des objectifs du travail proposé sera d‟améliorer les modèles utilisés jusqu‟à présent afin de rendre
compte de certaines interactions ondes-défauts. D‟un point de vue pratique, l‟utilisation de deux lasers
impulsionnels (nanoseconde et picoseconde) permettra de valider les développements théoriques dans une
large gamme de fréquences. Il sera également nécessaire de mettre au point un dispositif optique autorisant
la détection en haute fréquence (jusqu‟à 300MHz) des ondes acoustiques de surface ou guidées.
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Titre : Evaluation ultrasonore du phénomène d’adhésion par une mesure d’autocorrélation. Application à
la mesure d’encrassement en agroalimentaire
Financement prévu : Région Nord Pas de Calais
Cofinancement éventuel : Université de Valenciennes
(Co)-Directeur de thèse : Emmanuel MOULIN
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse : Guillaume DELAPLACE
E-mail : [email protected]
Laboratoire : IEMN UMR 8520
Groupes : TPIA / MAMINA
Descriptif :
Dans les industries laitières, les procédés de transformation du lait conduisent à la formation de dépôts
indésirables sur les parois des équipements. En raison du manque de solutions pour minimiser ces dépôts et
assurer la sécurité et qualité des transformations, des procédures de nettoyage aux impacts économiques et
environnementaux conséquents sont réalisées.
Dans ce contexte, disposer d‟outils capables de discriminer l‟adhésion des dépôts en fonction des
conditions d‟expérience est une nécessité. Cette thèse fait suite à une première thèse qui a permis
d‟interpréter acoustiquement le phénomène d‟adhésion d‟un dépôt sur substrat et de confirmer l‟aptitude
d‟une technique échographique classique à discriminer différentes situations d‟adhésion. Pour améliorer la
sensibilité de la mesure et permettre une meilleure intégration sur ligne, dans cette thèse nous proposons
d‟utiliser une nouvelle approche basée sur la corrélation de champs ultrasonores diffus. Cette méthode est
en effet bien adaptée à l'imagerie de milieux complexes (multi-diffusants ou réverbérants) mais n'a jamais
été utilisée, à notre connaissance pour évaluer une propriété d'adhésion.
Cette thèse présente une partie fondamentale où il s‟agira d‟établir une relation entre le coefficient de
corrélation des signaux rétro-diffusés et la mobilité moléculaire du fluide (représentative de son adhérence
à la paroi), notamment en étudiant les effets de la constitution du milieu (degré d'hétérogénéité). Elle
présente également une partie technique : il sera nécessaire d‟utiliser les techniques de base en microtechnologie pour réaliser le capteur ultrasonore adapté. Une partie expérimentale permettra notamment de
mettre en place le nouvel outil et de tester ses limites en termes de résolution spatiale, temporelle ainsi que
sa dépendance à la température. L'évaluation de l'outil sur ligne pilote sera finalement réalisée à l'INRA.
56
Titre : Etude de molécules optiquement stimulables par Conducting-AFM en spintronique moléculaire
Study of optically switchable molecules by Conducting-AFM in molecular spintronic
Financement prévu : Ecole Doctorale
Cofinancement éventuel :
(Co) Directeur de thèse : Stéphane LENFANT
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse :
E-mail :
Laboratoire : IEMN – CNRS UMR 8520
Groupe de recherche : Nanostructures et Composants Moléculaires (NCM)
Descriptif :
Dans le cadre de la spintronique (exploitation des propriétés du spin de l‟électron dans des composants
électroniques), l‟utilisation de molécules exploitant l‟avantage offert par la chimie de pouvoir façonner la
molécule selon les propriétés recherchées, présente une réelle alternative au-delà de la spintronique
inorganique conventionnelle.
Notre groupe NCM spécialisé dans l‟étude du transport électronique de jonctions moléculaires et
s‟appuyant sur un nouveau microscope à force atomique (AFM), fonctionnant à basse température (4K) et
doté d‟un champ magnétique, propose d‟étudier des systèmes moléculaires stimulables pour la
spintronique. Pour atteindre cet objectif, plusieurs étapes devront être validées : (i) le greffage et la
caractérisation structurale de monocouches auto-assemblées (SAM) sur des électrodes ferromagnétiques ;
(ii) la caractérisation électrique de SAMs non stimulables (mesure de référence, chaînes alkyles) par
conducting-AFM à basse température et sous champ magnétique à l‟aide d‟une pointe AFM couverte d‟un
métal ferromagnétique (Co, Ni ou Fe) afin de mesurer la magnétorésistance, (iii) étendre ces
caractérisations à des SAMs composées de molécules stimulables i.e. avec deux états réversibles
contrôlables optiquement et de conductances différentes (azobenzène, diaryléthène) [1]. Cette étude ouvre
la voie à la réalisation de mémoires et de capteurs ajustables et également à la démonstration de nouvelles
approches de calcul et de logique pour une technologie « beyond CMOS ».
Abstract :
In the framework of spintronic (study of the spin-dependent transport for electronic), and in order to
overcome the conventional inorganic spintronic, molecular spintronic exploits the unique tailoring
opportunity offered by chemistry by designing a molecule which exhibits the desired function.
Our group NCM specialist in the study of electron transport in molecular junctions can access to a new
atomic force microscope (AFM), operating at low temperature (4K) and with an integrated magnetic field.
Our group offers to study functional molecular systems for spintronics. In order to reach this final aim, we
will address: (i) the grafting and the structural characterization of self-assembled monolayers (SAM) on
ferromagnetic electrodes; (ii) electrical characterization of non-functional SAMs (reference measurements,
alkyl chains) by Conducting-AFM at low temperature and under a magnetic field using an AFM tip
covered with a ferromagnetic metal (Co, Ni or Fe) in order to measure the magnetoresistance, (iii) expand
these characterizations to SAMs composed of functional molecules with two reversible states (azobenzene,
57
diarylethene). These two optically controllable states have different conductance values [1]. This study may
open new ways for the fabrication of tunable memory devices and sensors, but also for the design of novel
elements for classical or quantum bits and logics for beyond CMOS technology.
[1] K. Smaali, S. Lenfant, S. Karpe, M. Oçafrain, P. Blanchard, D. Deresmes, S. Godey, A. Rochefort, J.
Roncali, D. Vuillaume,
High On−Off Conductance Switching Ratio in Optically-Driven Self-Assembled Conjugated Molecular
Systems
ACS Nano, 4 (4), 2411–2421 (2010)
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Titre : Conception, réalisation et caractérisation de composants mémoires nanométriques en régime
hyperfréquence
Financement prévu : ANR VACSMM
Cofinancement éventuel :
(Co) Directeur de thèse : Didier THERON
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse : Dominique VUILLAUME
E-mail : [email protected]
Laboratoire : IEMN
Groupe de recherche : NCM/NAM6
Descriptif :
L‟intégration croissante des systèmes de traitement de l‟information implique la réalisation de composants
possédant des dimensions caractéristiques de quelques dizaines de nanomètres. Plus particulièrement, les
mémoires résistives représentent un enjeu majeur permettant de réaliser des mémoires aux densités
d'intégration et vitesse de fonctionnement sans précédents. Cependant, en raison des dimensions ultimes
atteintes, la caractérisation électrique en régime dynamique de tels objets ne peut être réalisée à partir des
systèmes de mesures conventionnels.
C‟est dans ce contexte que nous proposons, au travers de ce projet de thèse, de développer des techniques
de caractérisation dans le domaine des micro-ondes de composants mémoires par une approche innovante.
Les méthodes de mesure seront basées sur un équipement unique reposant sur un microscope à force
atomique hyperfréquence associé à un microscope à balayage électronique. Cette instrumentation permettra
d‟accéder à la topographie et à l‟imagerie d‟impédance complexe du matériau sous investigation. C‟est à
partir de ces grandeurs que des schémas équivalents ainsi que les propriétés électriques des mémoires
seront extraits en vue de leur optimisation.
Le programme de recherche abordera à la fois la réalisation des composants mémoires à partir des
techniques de pointe en nanofabrication présentes dans la salle blanche à l‟IEMN (www.iemn.univ-lille1.fr) et
la caractérisation micro-onde reposant sur une technique unique développée en partenariat avec l‟université
d‟Oldenburg (groupe AMiR- http://www.uni-oldenburg.de/en/amir/). Ce projet franco-allemand financé par
l‟ANR et la DFG (projet VACSMM) permettra au candidat d‟interagir avec les groupes experts dans ces
domaines en pleine expansion et d‟acquérir des compétences larges dans le domaine des nanotechnologies.
Ce poste basé à l‟IEMN (Université Lille 1) est à pourvoir pour la rentrée 2015 pour une durée de 3 ans.
Abstract:
Growing needs in device integration for ICT induces a continuous scaling down to few tenth of nanometers
of basic components. In particular, the field of resistive memory (RRAM) is a very promising direction
since it should offer unprecedented integration density and speed for memory applications. However, due
to the small feature sizes reach in such components, conventional electrical characterization technics in
dynamical regime is not adapted.
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In order to tackle this limitation, we propose through this PhD program to develop an innovative
characterization tool in the microwave regime for RRAM devices. Electrical characterization will be based
on microwave atomic force microscopy couple with a scanning electron microscope. Such measurement
technic will provide a direct access to topography and complex impedance parameters of material under
test. Equivalent circuit and basic electrical properties will be then extracted for device optimization.
The project will involve both device fabrication in cleanroom environment with state of the art processing
tools (www.iemn.univ-lille1.fr) and microwave characterization with vaccum scanning microwave
microscope developed in collaboration with university of Oldenburg (AMiR group –http://www.unioldenburg.de/en/amir/). This french/german project is supported by ANR and DFG (VACSMM) and will
offer to the candidate the opportunity to interact directly with experts in the different areas of investigation
and to develop strong skills in this very active field. Position is for 3 years and will start fall 2015.
60
Titre : Phononic Engineering Converters
Financement prévu : European Research Council - Starting Grant UPTEG (n°338179)
Cofinancement éventuel :
(Co) Directeur de thèse : Emmanuel DUBOIS
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse :
E-mail :
Laboratoire : Institut d'Electronique, Microélectronique et de Nanotechnologies (IEMN, Villeneuve d'Ascq)
Groupe de recherche : Microélectronique Silicium
Descriptif :
Les défis sociétaux, environnementaux et technologiques posés par l‟approvisionnement énergétique
poussent à rechercher des sources fiables, sûres et aisément disponibles d‟énergie. La thermoélectricité,
qui convertit un flux thermique en énergie électrique, remplit ces critères. Cependant, son coût et son
faible rendement limitent ses applications à quelques marchés de niche. L‟amélioration des performances
passe par la recherche de propriétés matériaux antagonistes telles que : un fort coefficient Seebeck qui est
à l‟origine du phénomène de conversion, une bonne conductivité électrique pour le transport électrique et
une forte résistivité thermique pour le maintien d‟un gradient thermique. Récemment, il a été montré
qu'un réseau périodique de trous nanométriques, connus sous le nom de cristal phononique, pouvait
réduire de façon exceptionnelle la conductivité thermique d'une membrane de silicium. De telles
structures sont envisagées en tant que matériaux thermoélectriques alternatifs et efficaces. Cependant, de
nombreux défis scientifiques et technologiques restent à relever: i) Quel est le rôle de la couche d'oxyde
natif à la surface du matériau ?, ii) Dans quelle mesure les cristaux phononiques dégradent la
conductivité électrique et le coefficient de Seebeck ? iii) Quelles sont les propriétés mécaniques de du
matériau artificiel ? Cette thèse a pour but de simuler, concevoir et caractériser des micro-plateformes de
caractérisation incluant des cristaux phononiques pour répondre à ces questions. Le candidat devra avoir
un Master2 ou diplôme équivalent et des connaissances solides en physique des solides. Des
compétences en micro et nanotechnologie sont un atout.
Abstract :
Societal, environmental and technological concerns raised by energy production stimulate research
efforts toward reliable, safe and abundant energy sources. Thermoelectricity, the conversion of a heat
flux into electric power, fulfils these criteria. However, its poor efficiency restrain its use to small
markets. Improving these performances requires obtaining materials properties such as: a large Seebeck
coefficient which is the basic conversion phenomenon, good electrical conductivity for charge transport
and a large thermal resistivity in order to achieve a thermal gradient. It has recently been proved that an
artificial nanoscale periodic patterning, also known as phononic crystal, is able to dramatically decrease
the lattice thermal conductivity in silicon membranes. Such artificial silicon structures are envisioned as
alternative, efficient, thermoelectric materials. Though, numerous fundamental and technological
challenges are still to be tackled such as: i) What is the role of the native oxide layer on thermal
61
conduction ? ii) In what extent phononic crystals degrade electrical conductivity and Seebeck coefficient
? iii) What are the mechanical properties of the artificial material ? This PhD aims at modeling, designing
and characterizing micro-integrated platforms using silicon phononic membranes to answer these
questions. The candidate must have a Master degree and a solid background in solid state physics. Skills
in micro-nanotechnologies are a plus.
62
Titre : Micro-Thermionic Converters
Financement prévu : European Research Council - Starting Grant UPTEG (n°338179)
Cofinancement éventuel :
(Co) Directeur de thèse : Emmanuel DUBOIS
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse :
E-mail :
Laboratoire : Institut d'Electronique, Microélectronique et de Nanotechnologies, IEMN, Villeneuve d'Ascq
Groupe de recherche : Microélectronique Silicium
Descriptif :
Les convertisseurs thermoélectriques usuels utilisent l'effet Seebeck qui génère une différence de
potentiel en présence d'un gradient thermique. En dépit de nombreux avantages, des limitations
intrinsèques expliquent une efficacité de conversion de quelques pourcents seulement pour les meilleurs
matériaux. Les Convertisseurs Thermoélectroniques sont une alternative. Ils utilisent l'injection
d'électrons au travers d'un espace vide sous l'effet de la chaleur. Ce mécanisme est efficace car les pertes
thermiques sont alors radiatives et donc bien inférieures aux pertes par conduction observées dans tout
matériau solide. En termes d'efficacité, les Convertisseurs Thermoélectroniques dépassent
potentiellement les convertisseurs à effet Seebeck. Cependant plusieurs verrous technologiques liés à la
difficulté de réaliser des électrodes faiblement espacées et à haute température ainsi que des matériaux à
faible travail de sortie sont longtemps restés insolubles. Aujourd'hui, le principe est revisité grâce aux
avancées en micro et nanotechnologies. Le but de cette thèse est de simuler, développer et caractériser les
matériaux pour concevoir un Convertisseur Micro-Thermoélectronique. Trois sujets seront abordés : i)
La conception et la simulation du fonctionnement du convertisseur. ii) La synthèse et la caractérisation
de matériaux à très faible travail de sortie (Cs2O and K2O2) pour la fonctionnalisation de la surface des
électrodes. iii) La réalisation d'un Convertisseur Micro-Thermoélectronique dans son architecture la plus
simple c'est-à-dire une simple paire d'électrodes. Le candidat doit être titulaire d'un Master ou diplôme
équivalent. De solides connaissances en physique sont nécessaires. Des compétences en micro et
nanotechnologies sont un plus.
Abstract:
Conventional thermoelectric generators rely the Seebeck effect that generates a potential difference under
application of a thermal gradient. Despite many advantages, intrinsic limitations lead to a few percents
efficiency for best materials. Thermionic Converters are an alternative. They use thermally activated
electronic emission across a vacuum gap as a very efficient conversion mechanism since radiative heat
losses through the gap are far below conductive losses in any material. In terms of conversion efficiency,
the Thermionic Converters potentially outperform Seebeck generators. However, several technological
lockers related to the engineering of closely spaced hot electrodes and low-workfunction materials
remained unsolved. Today, this concept is revisited thanks to advances in micro and nanofabrication. The
aim of this PhD is to simulate, develop and characterize materials and demonstrate a Micro-Thermionic
63
Converter. Three topics will be addressed: i) Design and simulate the operation of the converter. ii)
Synthesize and characterize very low workfunction materials (Cs2O and K2O2) for the surface
functionalization of the electrodes. iii) Fabricate a Micro-Thermionic Converters in its simplest
architecture i.e. a single electrode pair. The candidate must hold a Master degree. A strong background in
physics is required. Skills in micro-nanofabrication techniques are a plus.
64
Titre : Procédés de Microstructuration Laser pour l'Electronique Flexible Hautes Performances
Financement prévu : Université/Région NPdC
Cofinancement éventuel :
Directeur de thèse : Emmanuel DUBOIS
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse : Christophe GAQUIERE
E-mail : [email protected]
Laboratoire : IEMN - Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - UMR 8520
Groupe de recherche : Groupe Microélectronique Silicium
Descriptif :
Le projet phare Electronique Flexible de l'IEMN constitue le cœur scientifique et technique du projet
EQUIPEX LEAF. Son objectif est de développer des systèmes électroniques très hautes fréquences sur
substrat flexible permettant d‟accéder à un large éventail d‟applications non envisageables dans l‟état
actuel des technologies. L‟objectif différentiant de notre approche par rapport aux travaux existants est
clairement affiché comme étant i) la montée en fréquence dans le domaine multi-Ghz et ii) la mise en
œuvre d'une technique innovante de microstructuration par ablation laser développée dans le cadre de
LEAF.
Les objectifs spécifiques du sujet de thèse proposé sont:
i) Enrichir les technologies CMOS et BiCMOS à l‟état de l‟art industriel en leur conférant des propriétés
supplémentaires de flexibilité, de conformabilité et d‟étirabilité permettant d‟accéder à un large éventail
d‟applications non accessibles dans l‟état actuel de la technologie. La mise en œuvre de cet objectif
global requiert donc l‟intégration hétérogène de dispositifs/circuits silicium en régime ultra-mince
(<10µm) sur un substrat flexible tout en préservant les performances hautes fréquences d‟origine.
ii) Utiliser la microstructuration laser afin de modifier localement les propriétés du substrat porteur qui
est à l'origine des pertes hyperfréquences et de la génération d'harmonique (standard communication
3D/4D, WiFi, haut débit). La première approche consiste à évider le substrat dissipatif et non linéaire
localement en face arrière par trépanation laser. La seconde approche consiste à exfolier (ou effeuiller) la
surface supérieure d'un circuit en appliquant une couche de précontrainte et en activant un mécanisme de
clivage (pelage) assisté par ablation laser.
Ce sujet fait appel a un large spectre d'activité couvrant la technologie, la caractérisation RF ainsi que la
modélisation mécanique et électrique.
Abstract:
The IEMN flagship project on high performance flexible electronics constitutes the scientific and
technological heart of the LEAF EQUIPEX project. The main objective is to develop high frequency
electronic platforms on a mechanically flexible substrate to envision a wide spectrum of end-use
applications that are not possible today. The distinctive of our approach with respect to the existing stateof-the-art is i) to target very high frequency operation in the Multi-GHz range and ii) to implement the
LEAF innovative techniques of microstructuration based on laser photo-thermal ablation.
65
The specific objectives of the thesis project are:
i) To enhance state-of-the-art CMOS and BiCMOS industrial technologies with additional properties of
mechanical flexibility, conformability and stretching to enable new functionalities. This objective
necessitates the heterogeneous integration of devices and circuits in the ultra-thin regime (<10µm) onto a
flexible substrate while preserving the same high-frequency performance they have in their original rigid
flavor.
ii) To use laser photo-thermal microstructuration to locally modify the properties of the wafer carrier
which is at the origin of RF losses and non linear harmonic generation, a severe hurdle to the
development of new communication standards (4G, LTE Advanced). Based on laser trepanning, the first
approach will consist in locally hollowing out the back substrate face under devices sensitive to nonlinear effects. The second approach will be based on a spalling technique to pick-up the top surface of
wafers/circuits using stressor layers or laser-assisted cleavage.
This subject covers a wide range of activities including microtechnology, RF characterization as well as
mechanical and electrical modeling.
66
Titre : Contribution à l’amélioration des transmissions vidéo dans les réseaux ad-hoc véhiculaires
(VANET)
Financement prévu : Université de Valenciennes et du Hainaut Cambrésis (UVHC)
Cofinancement éventuel :
Directeur de thèse : François-Xavier COUDOUX
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse : Patrick CORLAY
E-mail : [email protected]
Laboratoire : IEMN-DOAE UMR 8520 (Institut d’Électronique de Microélectronique et de Nanotechnologie,
Département Opto-Acousto-Électronique).
Groupe de recherche : COMNUM (COMmunications NUMériques)
Descriptif :
Contexte scientifique : Les réseaux ad hoc de véhicules (VANET) constituent aujourd‟hui un des
domaines d‟application les plus prometteurs des réseaux sans fil dits ad-hoc, capables de s‟organiser sans
infrastructure prédéfinie. Ces réseaux véhiculaires permettent aux véhicules de communiquer entre eux
(Vehicle-to-Vehicle Communication) ou avec les infrastructures au bord de route (Vehicle-toInfrastructure) et permettront à terme d‟avoir des routes plus sûres et plus efficaces via l‟échange
d‟informations opportunes aux conducteurs et aux autorités (police, SAMU, ...). En particulier, la
transmission de données vidéo dans les VANETs représente un enjeu majeur car l‟information vidéo va
enrichir considérablement la qualité d‟expérience perçue par l‟usager et/ou la connaissance de
l‟environnement dans des applications telles que les appels vidéo d‟urgence, les conditions du trafic
routier, les informations touristiques, etc. Toutefois, la transmission de données vidéo dans les VANETs
constitue une tâche difficile : les réseaux véhiculaires sont un environnement hostile pour la transmission
des données (nombreuses pertes de paquets, mobilité des noeuds, ...), tandis que la transmission vidéo est
une application exigeante en termes de qualité de service car très sensible aux perturbations sur le canal
de transmission, notamment du fait de la compression appliquée aux données vidéo pour réduire la bande
passante occupée. Il devient alors nécessaire de mettre en place des stratégies de transmission
spécifiques, dites cross-layer, au niveau de la couche application mais aussi réseau voire couche
physique afin d‟optimiser la qualité vidéo en réception.
Objectifs de la thèse : Ce sujet de thèse vise à étudier, dans un premier temps, les performances d‟une
transmission de contenus vidéo au sein d‟un réseau véhiculaire du type VANET. Différents scénarios
seront envisagés (densité de nœuds, topologie, mobilité, ...) qui s‟appuieront sur les standards à l‟état de
l‟art en compression vidéo (H.264 et HEVC) et en transmission VANET (IEEE 802.11p, IEEE 802.16).
L‟effet des perturbations sur le canal de transmission sera mesuré et analysé. Le sujet se focalisera
ensuite sur la définition de schémas originaux de transmission cross-layer afin d‟optimiser la qualité
vidéo perçue en réception. On s‟intéressera notamment aux solutions introduites récemment dans les
standards de compression vidéo afin de rendre le flux compressé plus robuste vis-à-vis des pertes sur le
canal (ordonnancement flexibles des macroblocs, partitionnement de données), et à la façon de les
67
combiner efficacement avec les technologies réseaux dans un schéma de protection inégale des données.
Les solutions proposées seront implémentées et leurs performances seront validées par simulation.
Pour cela, une plateforme de simulation d‟un réseau ad-hoc véhiculaire VANET performante et fiable
sera développée durant le projet de thèse au sein du laboratoire, qui pourra par la suite répondre aux
problématiques rencontrées au sein du groupe de recherche COMNUM. Cette plateforme pourra être
développée en collaboration scientifique avec les partenaires du projet CPER 2007-2013 CISIT (Campus
International pour la Sécurité et l‟Intermodalité dans les Transports).
Abstract:
This thesis aims to study, at first, the performances of video delivery over VANETs using conventional
video transmission schemes. Then, the subject will focus on the development of original cross-layer
video transmission schemes with aim to improve the quality of received video. The proposed
transmission schemes will include unequal error protection of compressed video data based on a
combined source-network-channel approach. The performances of the proposed solutions will be studied
through extensive simulations. To do that, an efficient and scalable VANET simulation platform will be
developed. This platform will be available as a long-term scientific tool for transport research at IEMNDOAE.
Bibliographie :
P. Pinol et al. Evaluating HEVC video delivery in VANET scenarios, Wireless Days, IFIP, 1-6, Nov.
2013.
J-S. Park et al. Vehicular communications: emergency video streams and network coding, Journal of
Internet Services and Applications, 1(1), 57-68, 2010.
D. Krajzewick et al. Recent developments and applications of SUMO - Simulation of Urban MObility,
Int. Journal on Advances in Systems and Measurements, 5(3), 128-138, 2012.
I. Fatani et al. Robust train-to-wayside video communications in tunnels using H.264 error-resilient video
encoding combined with multiple antenna systems, Transp. Res. Pt. C-Emerg. Technol., 25, 168-180,
2012.
Profil du candidat souhaité : Afin de mener à bien ce travail, il est nécessaire que le candidat ait des
connaissances en réseaux de communication numériques, en programmation C/C++. Il est également
souhaitable d‟avoir des connaissances en compression vidéo et en programmation MATLAB.
Autre contact : Mohamed GHARBI, [email protected]
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Titre : Contribution à la mise en œuvre d’une plateforme de communication haut et bas débits pour
l’extraction d’informations train-sol dans le but de détecter des défauts de positionnement des aiguillages.
Financement prévu : IRT RAILENIUM
Cofinancement éventuel :
Directeur de thèse : Atika RIVENQ
E-mail : [email protected]
Co-encadrant de thèse :
E-mail :
Laboratoire : IEMN DOAE
Equipe : Groupe COMNUM (Communications Numériques)
Descriptif :
Les appareils de voie et en particulier les aiguillages sont des composants sensibles de l‟infrastructure
ferroviaire. Un mauvais fonctionnement de ces organes est souvent lourd de conséquences pour la
disponibilité du réseau ferroviaire. En conséquence, une bonne planification de leurs actions de
maintenance est indispensable pour pouvoir les maintenir en état opérationnel.
Le but est d‟optimiser les modes et fréquences d‟inspection et de maintenance par la conception et la
réalisation du bloc de capteurs, embarqué sur le porteur, fondé sur des capteurs de mesure de profil sans
contact. Ces derniers devront permettre de calculer l‟ensemble des paramètres géométriques des
composants en chaque point de l‟aiguillage pour le contrôle des points névralgiques du réseau. Toutes
ces mesures sont associées à des contrôles de dépassement de seuil(s) dans le but de générer
automatiquement une alerte et d‟enregistrer les profils adéquats pour l‟expertise.
Bref descriptif scientifique et travail demandé :
L‟objectif principal est : la concentration de l‟ensemble des mesures embarquées et la transmission des
données vers le module d‟étude et d‟analyse.
Ainsi, les protocoles et le démonstrateur seront à étudier et à mettre en œuvre. Pour aboutir à un transfert
de la totalité des informations, il sera nécessaire de répartir les données en deux groupes distincts faisant
appel à deux types de communications de données :
 Un groupe de donnée « Temps Réels » fournit au plus vite après le passage de l‟aiguillage
représentant les mesures critiques. L‟infrastructure sera de type réseaux de capteurs et devra
alerter le véhicule passant à proximité de l‟avarie d‟aiguillage.
 Puis un second groupe de données « techniques » nécessaire à l‟analyse fine, mais dont les
données pourront être transmises dans un second temps sans le critère « temps réels », pour des
volumes importants de données récupérées en gare ou en dépôt grâce à une solution haut débit.
L‟étude devra prendre en compte le volume conséquent des données à transmettre, mais
également les problématiques liées à l‟infrastructure (perturbation du canal, distances entre
l‟appareil de voies et la borne de captation,…)
Pré-requis :
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L‟étudiant (e) devra posséder de bonnes connaissances dans les systèmes des communications sans fils et
plus particulièrement dans les solutions de type réseaux de capteurs, mais aussi très haut débit. De plus,
un (ou une) candidat (e) ayant de bonnes capacités à développer des solutions pratiques serait très
apprécié.
Autre contact : Michael BOCQUET, [email protected]
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Titre : Nouveaux systèmes de communication V2V basés sur la 5G
Financement prévu : Université de Valenciennes
Cofinancement éventuel :
Directeur de thèse : Atika RIVENQ
E-mail : [email protected]
Co-encadrant de thèse :
E-mail :
Laboratoire : IEMN DOAE
Equipe : Groupe COMNUM
Descriptif :
Avant l‟arrivée des nouvelles techniques de communication sans fils, les systèmes de gestion de trafic
conventionnels étaient basés sur des infrastructures centralisées où des caméras et des capteurs implantés
sur la route permettaient de collecter des informations sur la densité et l‟état du trafic. D‟autres études ont
été consacrées à l‟utilisation des dernières techniques de communication V2V de type WiMax,
IEEE.802.11p ou 4G-LTE. Ce type de système souffrait de plusieurs limitations dues entre autres au fait
que chaque information devait impérativement passer par une unité centrale de traitement avant d‟atteindre
sa destination.
Dans un contexte où le temps de transmission représente souvent un facteur vital et se basant sur les
réseaux sans fils, une nouvelle architecture de communication décentralisée a vu le jour : communication
de véhicule à véhicule V2V en lien direct.
L'idée est de permettre aux véhicules de communiquer entre eux sans passer par l‟infrastructure ; autrement
dit, cette architecture représente le fait de concevoir un système d'échange d'informations collaboratif entre
véhicules. Ce type de système va permettre une meilleure réaction dans des situations telles que les
collisions ou les accidents de la route. De cette manière, tous les futurs véhicules équipés du système V2V
seront capables de communiquer entre eux afin de faire véhiculer plus rapidement des informations
importantes. Les relais sont tout simplement les véhicules qui acheminent l'information de l'un à l'autre
sans avoir à passer par un RSU (Road Side Unit) de communication intermédiaire. Les nouvelles
techniques de communication envisagées dans la 5G prévoient ce type de lien (Mobile To Mobile) sans
passer toujours par une station de base afin d‟économiser l‟énergie transmise. L‟objectif de cette thèse est
de proposer un système de communication V2V basé sur ces nouvelles techniques et proposer une
architecture radio hybride (avec et sans relais) compatible avec les contraintes des applications véhiculaires
(accès multiple, effet doppler, priorité et pertinence des messages, très haut débit, …).
Autre contact : Yassin EL HILLALI, [email protected]
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Titre : Etude et développement d’un Radar UWB OFDM MIMO
Financement prévu : ANR cyclope
Cofinancement éventuel :
(Co)-Directeur de thèse : Atika RIVENQ
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse : Charles TATKEU
E-mail : [email protected]
Laboratoire : IEMN DOAE et IFSTTAR-LEOST
Equipe : COMNUM
Descriptif :
Cette thèse se place dans le cadre d‟un projet de recherche ANR dont le but est d‟équiper les Bus par des
radars qui augmente la visibilité des personnes vulnérable sur la route, et plus spécialement le cycliste.
Ce projet est consacré à la conception d‟une part, d‟un d‟équipement constitué de capteurs et effecteurs,
et d‟autre part des dispositifs réflecteurs pour améliorer la perception des cyclistes et des vélos par le bus.
En effet nous souhaitons développer un système de perception d‟environnement autour du bus capable de
mettre l‟accent sur la détection des cyclistes.
Une grande partie du travail de cette thèse portera sur la réalisation de la partie capteurs radar et
développement algorithmique des nouveaux capteurs de perception longue et courte portées aptes à
fournir l‟ensemble des données nécessaires au dispositif final. Ce type de capteurs doit assurer les
meilleures probabilités de détection et le minimum de fausses alarmes. De plus, pour améliorer les
performances des capteurs de perception de l‟environnement développés dans le cadre de cette thèse, il
convient de filtrer leur sortie en appliquant des algorithmes de suivi de cibles afin de réduire la
probabilité de fausses alarmes. Historiquement les radars conventionnels embarquent des algorithmes de
suivi de type Kalman ou Kalman étendu qui offrent de bonnes performances. Nous proposons de
développer des algorithmes spécialement adaptés à notre application et qui exploitent les particularités de
la SER des cyclistes. En plus de ceci, les algorithmes développés prendront en compte les signatures
radar des cibles pour enrichir les entrées du filtre.
Finalement, les travaux de cette thèse seront validés par une démonstration de faisabilité en implémentant
le système proposé sur des architectures programmables fonctionnant en temps réel.
Autre contact : Yassin EL HILLALI, [email protected]
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Titre : Metasurfaces aux fréquences terahertz, infrarouge et optique: lentilles et antennes plates
Financement prévu : Ministère ou Projet Européen
Cofinancement éventuel : ANR International
(Co) Directeur de thèse : Jean-François LAMPIN
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse :
E-mail :
Laboratoire : IEMN UMR 8520
Groupe de recherche : Photonique Terahertz
Descriptif :
Durant la thèse, nous nous intéresserons aux metasurfaces dans une large gamme de fréquence : allant du
terahertz jusqu‟au visible. Certains dispositifs seront étudiés après une initiation à des logiciels de
simulation électromagnétique et aussi multiphysique (Microwave Studio de CST, HFSS et Comsol). Des
designs et des simulations de lentilles plates seront effectués et également fabriqués dans la centrale de
technologie à l'IEMN. Ils seront caractérisés dans une très large bande fréquence. L‟idée est de donner
des fonctionnalités particulières aux structures proposées initialement par le Professeur Capasso (Harvard
Univ.) en réalisant de nouveaux designs qui peuvent être mono ou multi-couches mais tout en
conservant une structure de type membrane pour les lentilles plates. Pour certaines applications, il y a un
intérêt supplémentaire grâce à l‟utilisation de substrats souples. La flexibilité des substrats et le contrôle
par des actionneurs de type MEMS offre de nouveaux degrés de libertés. La partie dédiée aux antennes
plates représente une avancée par rapport aux antennes employées pour les QCL (lasers à cascade
quantique). Le procédé de fabrication est compatible avec la mise en réseaux de différents types de
sources avec un intérêt particulier accordé aux QCL en réseau linéaire dans les bandes THz et IR.
L‟objectif est d‟améliorer de manière significative les performances des QCL les rendant plus directives
et plus puissantes et d‟étudier des briques de base telles que les lentilles plates pour des applications de
type microscopie. Il est aussi possible d‟obtenir des focales courtes et également de générer des vortex.
Durant cette thèse l‟étudiant sera formé aux logiciels de simulation électromagnétique 3D, aux
techniques de fabrication en salle blanche et aux différentes caractérisations aussi bien en champ proche
qu‟en champ lointain. La caractérisation bénéficiera des acquisitions faites à l‟IEMN dans le cadre de
l‟Equipex Excelsior (VNA et NeaSpec pour le champ proche). Une partie de l‟étude sera menée en
collaboration interne mais aussi dans le cadre de collaborations internationales avec le groupe du Prof. A.
Zayats (King‟s College de Londres), celle du groupe de M. Beruete (Université Publique de Navarre) et
du Prof. T-J. Yen (National Tsing-Hua Univ, Taiwan).
Contacts : Tahsin AKALIN, [email protected]
Jean-François LAMPIN, Jean-Franç[email protected]
Quelques articles sur cette thématique:
73
"Dispersion characteristic of ultrathin terahertz planar lenses based on metasurface "
HU D., MORENO G., WANG X.K., HE J.W., CHAHADIH A., XIE Z.W., WANG B., AKALIN T., ZHANG Y. Optics
Communications, (Feb. 2014) doi: 10.1016/j.optcom.2014.02.017
"Terahertz corrugated and bull's-eye antennas "
BERUETE M., BEASKOETXEA U., ZEHAR M., AGRAWAL A., LIU S.C., BLARY K., CHAHADIH A., HAN X.L.,
NAVARRO-CÍA M., ETAYO SALINAS D., NAHATA A., AKALIN T., SOROLLA AYZA M.
IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, 3, 6 (2013) 740-747
doi: 10.1109/TTHZ.2013.2287096
"Spatial terahertz modulator "
XIE Z.W., WANG X.K., YE J.S., FENG S.F., SUN W.F., AKALIN T., ZHANG Y.
Scientific Reports, 3 (2013) 3347 (published november 26, 2013)
doi: 10.1038/srep03347
"Terahertz metasurfaces : fabrication and characterization of flat lenses and antennas "
AKALIN T.
[Invited Talk] Proceedings of 38th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves, IEEE-IRMMWTHz 2013, Mainz, Germany, september 1-6, 2013, paper WE7-3, ISBN 978-1-4673-4717-4
doi: 10.1109/IRMMW-THz.2013.6665762
74
Titre : Modulateurs à base de metamatériaux terahertz actifs et leurs applications à l’imagerie et aux
communications sans fil
Financement prévu : Ministère – Projet Européen
Cofinancement éventuel :
(Co) Directeur de thèse : Jean-François LAMPIN
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse :
E-mail :
Laboratoire : IEMN UMR 8520
Groupe de recherche : Photonique Terahertz
Descriptif :
Durant la thèse, nous nous intéresserons aux metamatériaux et aux modulateurs et en particulier dans la
gamme de fréquence Terahertz (de 100GHz à 10 THz). Le thème principal de la thèse sera de concevoir et
de réaliser des modulateurs à base de metamatériaux actifs et de les caractériser. L‟approche privilégiée
sera d‟utiliser des transistors rapides et robustes à des niveaux de puissance élevés afin de contrôler
électriquement les propriétés de transmission dans la bande THz. Ces modulateurs seront ensuite utilisés
dans des applications telles que les communications sans fil (avec des débits supérieurs à quelques dizaines
de Gb/s) et également pour l‟imagerie THz.
Les transistors seront utilisés pour le contrôle des résonateurs tels que les Split Ring Resonators (SRR) en
les plaçant dans les gaps de ces derniers. Deux voies particulièrement intéressantes seront explorées:
I. Approche sur ligne de transmission pour une propagation guidée
II. Approche sur une surface pour l'espace libre
Pour la première partie, nous avons démontré la modulation sur des structures statiques dans un article paru
dans Physical Review Express (PRX en 2011) avec les groupes du Prof. W. Padilla (Boston College) et du
Prof. D. R. Smith (Duke Univ). L'idée est d'intégrer des transistors suffisamment rapides et pouvant résister
à des champs électriques forts car ils seront placés dans les gaps des SRR. Les lignes employées sont à un
seul conducteur du type Goubau planaire avec une approche originale développée dans le groupe. Des
lignes de transmission plus classiques sont également retenues pour cette étude.
Pour la seconde partie, des études récentes ont montré la possibilité de moduler des signaux terahertz avec
des approches orientées sur un contrôle optique. Nous proposons pour cette thèse un contrôle électronique
par l'intégration de transistors en réseaux et l'exploitation de nouvelles techniques d'imagerie. Cette
approche ouvre la possibilité de contrôler de manière active l'absorption et le filtrage à différentes
fréquences suivant les caractéristiques des résonateurs.
Pour les deux parties, les performances de transistors fabriqués à l‟IEMN seront mises à profit pour des
commutations rapides tout en offrant des fortes modulations. L‟impact de ces travaux peut être
considérable notamment pour l‟imagerie dans les domaines de la sécurité. Des retombées sont attendues
dans le domaine de l‟étude du vivant, du contrôle qualité (de matériaux, semi-conducteurs etc) et également
pour les communications sans fil à très haut débit. Durant cette thèse l‟étudiant sera formé aux logiciels de
simulation électromagnétique 3D (CST, HFSS et COMSOL), aux techniques de fabrication en salle
blanche et aux différentes caractérisations électroniques et optoélectroniques pour la partie I et aussi bien
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en champ proche qu‟en champ lointain pour la partie II. La caractérisation bénéficiera des acquisitions
faites à l‟IEMN dans le cadre de l‟Equipex Excelsior (VNA et NeaSpec pour le champ proche). Ces
travaux seront menés en collaboration avec des équipes de recherche aux Etats-Unis et au Japon.
Contacts : Tahsin AKALIN, [email protected]
Jean-François LAMPIN, Jean-Franç[email protected]
Quelques articles sur cette thématique:
"Controlling gigahertz and terahertz surface electromagnetic waves with metamaterial resonators"
CHEN W.C., MOCK J.J., SMITH D.R., AKALIN T., PADILLA W.J.
Physical Review Express (PRX), 1, 2 (2011) 021016-1-6 (published december 6, 2011)
doi: 10.1103/PhysRevX.1.021016
"Terahertz metasurfaces : fabrication and characterization of flat lenses and antennas "
AKALIN T.
[Invited Talk] Proceedings of 38th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves,
IEEE-IRMMW-THz 2013, Mainz, Germany, september 1-6, 2013, paper WE7-3, ISBN 978-1-4673-47174
doi: 10.1109/IRMMW-THz.2013.6665762
"Spatial terahertz modulator "
XIE Z.W., WANG X.K., YE J.S., FENG S.F., SUN W.F., AKALIN T., ZHANG Y.
Scientific Reports, 3 (2013) 3347 (published november 26, 2013)
doi: 10.1038/srep03347
"Dispersion characteristic of ultrathin terahertz planar lenses based on metasurface "
HU D., MORENO G., WANG X.K., HE J.W., CHAHADIH A., XIE Z.W., WANG B., AKALIN T.,
ZHANG Y. Optics Communications, (Feb. 2014) doi: 10.1016/j.optcom.2014.02.017
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Titre : Antenne plates pour les fréquences terahertz et infrarouge
Financement prévu : Ministère – Projet Européen
Cofinancement éventuel :
(Co) Directeur de thèse : Jean-François LAMPIN
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse :
E-mail :
Laboratoire : IEMN UMR 8520
Groupe de recherche : Photonique Terahertz
Descriptif :
Le domaine des ondes électromagnétiques Terahertz (de 100GHz à 10THz sachant que 1THz=1000GHz)
connait un véritable engouement au vu des nombreuses applications: imagerie, télécommunications sans fil
à très haut débit etc. Nous travaillons sur l'amélioration des composants de base qui permettront d'accroître
les performances des systèmes futurs. L'approche ciblée dans ce projet est l'apport des réseaux
plasmoniques (ondes de surface) utilisés comme des antennes performantes en terme de directivité. Une
attention particulière sera dédiée aux travaux des groupes de recherche des professeurs F. Capasso
(Harvard Univ.), T. Ebessen (Univ. de Strasbourg) et de M. Beruete (Navarre Univ). Les design des
metasurfaces premettra d'obtenir des performances améliorées pour les applications terahertz telles que
l'imagerie, les communications sans fil à très haut débit ( > Gbit/s) et à la spectroscopie. L'un des premiers
objectifs est d'atteindre des directivités très élevées dans la direction normale à la surface de l'antenne (pour
des liaisons point à point en bande terahertz) et ensuite de pouvoir modifier sur une seconde génération
d'antennes l'angle du faisceau principal tout en conservant une grande directivité. Une formation aux
logiciels de simulation tels que Microwave Studio de CST permettra de visualiser les différentes approches
étudiées dans le cadre de collaborations internationales : projet européen et également avec des équipes de
recherche aux Etats-Unis et au Japon. La fabrication des antennes se fera dans les salles blanches de
l'IEMN suivant différentes techniques en fonctions des particularités géométriques des réseaux et des
gammes de fréquence visées.
Contacts : Tahsin AKALIN, [email protected]
Jean-François LAMPIN, Jean-Franç[email protected]
Quelques articles sur cette thématique:
"Terahertz corrugated and bull's-eye antennas "
BERUETE M., BEASKOETXEA U., ZEHAR M., AGRAWAL A., LIU S.C., BLARY K., CHAHADIH
A., HAN X.L., NAVARRO-CÍA M., ETAYO SALINAS D., NAHATA A., AKALIN T., SOROLLA
AYZA M.
IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, 3, 6 (2013) 740-747
doi: 10.1109/TTHZ.2013.2287096
77
"Small-divergence semiconductor lasers by plasmonic collimation,"
N. Yu, J. Fan, Q. J. Wang, C. Pflügl, L. Diehl, T. Edamura, M. Yamanishi, H. Kan, and F. Capasso, Nature
Photonics, vol. 2, no. 9, pp. 564–570, Jul. 2008
“77 GHz high gain bull‟s-eye antenna with sinusoidal profile”
BEASKOETXEA U., PACHECO-PENA V., ORAZBAYEV B., AKALIN T., MACI S., NAVARRO-CIA
M., BERUETE M.
IEEE Antennas Wirel. Propag. Lett. 14 (2015) 205-208 (available online september 25, 2014 ; published
february 2015)
doi: 10.1109/LAWP.2014.2360215
"Controlling gigahertz and terahertz surface electromagnetic waves with metamaterial resonators"
CHEN W.C., MOCK J.J., SMITH D.R., AKALIN T., PADILLA W.J.
Physical Review Express (PRX), 1, 2 (2011) 021016-1-6 (published december 6, 2011)
doi: 10.1103/PhysRevX.1.021016
"Terahertz metasurfaces : fabrication and characterization of flat lenses and antennas "
AKALIN T.
[Invited Talk] Proceedings of 38th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves,
IEEE-IRMMW-THz 2013, Mainz, Germany, september 1-6, 2013, paper WE7-3, ISBN 978-1-4673-47174
doi: 10.1109/IRMMW-THz.2013.6665762
"Spatial terahertz modulator "
XIE Z.W., WANG X.K., YE J.S., FENG S.F., SUN W.F., AKALIN T., ZHANG Y.
Scientific Reports, 3 (2013) 3347 (published november 26, 2013)
doi: 10.1038/srep03347
"Dispersion characteristic of ultrathin terahertz planar lenses based on metasurface "
HU D., MORENO G., WANG X.K., HE J.W., CHAHADIH A., XIE Z.W., WANG B., AKALIN T.,
ZHANG Y. Optics Communications, (Feb. 2014) doi: 10.1016/j.optcom.2014.02.017
78
Titre: Etudes de structures Ferroics et du couplage ferroélectrique/magnétique. Applications aux
composants accordables à hautes fréquences
Financement prévu : Bourse UVHC
Cofinancement éventuel :
Directeur de thèse : Denis REMIENS
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse : Tuami LASRI
E-mail : [email protected]
Laboratoire : IEMN
Groupe : MAMINA / MITEC
Descriptif en français:
Ce sujet de thèse porte sur la croissance de films ferroélectriques et de films ferromagnétique. Il s‟agit
plus précisément d‟hétéro structures. Les films sont déposés sur silicium par pulvérisation cathodique.
Outre la détermination des conditions de dépôts optimales, des analyses physico-chimiques des films
seront menées afin de corréler les conditions de dépôt et la structure, micro structure des films. Une part
importante du travail consistera à qualifier les films aussi bien du point de vue électriques que
magnétiques dans un large domaine de fréquence (plusieurs GHz). A ce titre une étude toute particulière
sera menée sur l‟intensité du couplage moment électrique/moment magnétique. Ce couplage est capital
car il devrait permettre de contrôler la perméabilité du matériau ferromagnétique par l‟action d‟un champ
électrique sur ce matériau. C‟est une approche complètement originale puisque classiquement ce contrôle
s‟effectue par application d‟un champ magnétique. Or dans le cadre d‟une intégration l‟utilisation d‟un
champ électrique est toujours plus simple à mettre en œuvre qu‟un champ magnétique. On attend de ce
travail la fabrication d‟un premier démonstrateur sur silicium ou l‟inductance d‟une bobine sera pilotée
par le champ électrique interne du matériau ferroélectrique.
Sous forme de films minces peu de travaux ont été publiés sur ce sujet, une étude bibliographique devra
être menée afin d‟identifier l‟existant au niveau des réalisations similaires avec des matériaux
céramiques.
Descriptif en anglais:
The topic of this thesis concerns the growth of ferroelectric and ferromagnetic materials. More precisely
we focus on hetero structures. The films will be deposited on silicon by magnetron sputtering. The
determination of the best sputtering parameters will be coupled with fine physico chemical analysis. An
important part of this work will be relative to the electrical and magnetical properties evaluations. A
particular interest will be given to the coupling coefficient between the ferroelectric/ magnetic films in a
large frequency domain (few GHz). This coupling will be use to modify the film permeability by an
electric field and not by a conventional magnetic field. For integration the use of an electric field is easier
to fabricate. This approach is completely original. To conclude this work a new device will be fabricated
where the self inductance will be control by an internal electric field.
79
A very limited number of papers have been published on this topic with materials in thin film form. But
in bulk ceramic we don‟t know and a complete bibliography will be necessary in a first time.
The candidate must have a perfect knowledge in material and material sciences. A well know on
chemical and physical analysis of materials. Knowledge of micro waves will be appreciated.
Le candidat recherché doit disposer d’un fort potentiel en matériaux, science des matériaux. De bonnes
bases en caractérisations physico chimiques des matériaux. Des connaissances en hyperfréquences
seraient un plus.
80
Titre : Composants reconfigurables microondes à base de matériaux ferroélectriques.
Financement prévu : UVHC
Cofinancement éventuel :
Directeur de thèse : Denis REMIENS
E-mail : [email protected]
Laboratoire : IEMN - DOAE
Groupe de recherche : MAMINA
Descriptif :
Les communications sans fil s‟avèrent comme un domaine d‟applications privilégié des matériaux
accordables. Les communications dans les transports terrestres représentent à ce titre un champ de
recherche de première importance (communication entre entités mobiles, télépéages,…). En réalité la
question de la reconfigurabilité est centrale dans la problématique de mobilité qui est un des grands
enjeux des Systèmes de Transports Intelligents (STI). Dans un autre domaine d‟applications, la
communication entre réseau de capteurs nécessite également des antennes reconfigurables aussi bien à
l‟émission qu‟à la réception afin d‟assurer une sélectivité du diagramme de rayonnement.
L‟équipe MIMM du groupe MAMINA a obtenu un certain nombre de résultats sur l‟accordabilité de
matériaux tels que le BST, PST.
Le travail de cette thèse consiste d‟une part à une étude de différents matériaux en vue de la
détermination du matériau agile le plus approprié à ce type d‟applications. En particulier les possibilités
d‟intégration aux technologies silicium seront déterminantes. Le cahier des charges peut se résumer à :
faible perte, forte tunabilité, une permittivité ne devant pas être nécessairement élevée, la ligne coplanaire
est certainement la mieux adaptée pour cette étude même si elle n‟est pas complétement optimisée (50
). L‟étude concerne l‟évaluation des performances des matériaux et structures sélectionnés dans une
gamme de fréquences très large [1GHz – 100 GHz].
Abstract:
The wireless telecommunications turn out as a privileged field of application of the compatible materials.
The communications in the ground transport represent as such a field of first importance (communication
between mobile entities …). In the reality the question of the reconfigurability is central in the problem
of mobility which is one of the big stakes in the Systems of Intelligent Transport (STI). In another field
of application, the communication enters sensors „network also requires reconfigurable antennas as well
in the emission as in the reception to insure a selectivity of radiation pattern.
The MIMM team of the group MAMINA obtained a number of results on the accordability of materials
such as the BST, PST. The work of this thesis consists on one hand in a study of various materials with
the aim of the determination of the agile material the most suited to this type of applications. In particular
the possibilities of integration to the silicon technologies will be determining. The specifications can be
amount in: mow loss, strong tunability and a permittivity not in front of not to be inevitably raised. The
coplanaire line is certainly the best adapted for this study even if it is not completely optimized (50 ).
81
The study concerns the evaluation of the performances of materials and the structures selected in a wide
frequency band [1GHz – 100 GHz].
Le candidat recherché doit disposer d‟un fort potentiel en science des matériaux et des connaissances en
hyperfréquences seraient un plus
82
Titre : Environnements Impulsifs et dépendance dans les réseaux de capteurs
Financement prévu : Contrat d’Etablissement
Cofinancement éventuel : (Co)-Directeur de thèse : Laurent CLAVIER
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse :
E-mail :
Laboratoire : IEMN – UMR CNRS 8520
Equipe : CSAM
Descriptif :
Les télécommunications sont en pleine révolution : les réseaux de capteurs, la 5G, la radio cognitive, etc...
En moins d'une décennie, il n'est pas déraisonnable de supposer que les dispositifs autonomes vont
construire leur propre réseau : ils vont s'adapter à de nouveaux environnements, modifier leur
configuration, s'adapter à la disparition ou l‟apparition d‟autres nœuds communiquant. Ils devront choisir
les meilleures opportunités de communication et en assurer la fiabilité malgré des contraintes énergétiques
strictes. Une redéfinition complète des règles de communication est sans doute nécessaire pour faire face
aux principaux défis envisagés, les interférences et l'adaptabilité.
L'objectif de cette thèse est de proposer de nouveaux modèles pour représenter efficacement et avec
précision l'environnement de communication (canal radio, interférences) [1,2]. La modélisation des
dépendances [3] et des évolutions spatiales et temporelles seront nos principales contributions. Notre
approche réside principalement sur de nouvelles approches mathématiques en Télécommunication pour
mieux prendre en compte les évènements rares. Dans un deuxième temps, nous voulons montrer que les
stratégies de communication classique et de traitement de signal sont loin d'être optimale dans un tel
environnement, et donc que de nouvelles approches sont nécessaires.
Abstract :
Telecommunications are undergoing a significant and important revolution: sensor networks, 5G, cognitive
radio, etc. In less than a decade it is not unreasonable to speculate that autonomous devices will build their
own network: they will adapt to new environments, change their configuration, adapt to disappearing or
appearing nodes; they will have to track the best communications opportunities and ensure reliability with
strict energy constraints. However a complete redefinition of communication rules is needed to face the
main foreseen challenges, interference and adaptability, with a hard energy constraint.
The objective of this PhD is to propose new models to efficiently and accurately represent the
communication environment (radio channel, interference) [1,2]. Time and space dependencies [3] and
evolutions will be our main contributions. Our approach is mainly based on new mathematical approaches
to better take into account rare events. In a second step we aim to show that classical communication and
signal processing strategies are far from being optimal in such an environment and hence that new
approaches are needed.
83
[1] S. Weber and J. Andrews, “Transmission capacity of wireless networks,” in Foundations and Trends in
Networking. NOW Publishers, 2012, vol. 5, no. 2-3.
[2] M. Kountouris and N. Pappas, “Approximating the interference distribution in large wireless networks,”
in 11th International Symposium on Wireless Communications Systems (ISWCS), Aug. 2014, pp. 80–84.
[3] R. Ganti, F. Baccelli, and J. Andrews, “Series expansion for interference in wireless networks,” IEEE
Trans.Inform. Theory, vol. 58, no. 4, pp. 2194 –2205, april 2012.
84
Titre : Optimisation de la consommation des nœuds d’un réseau de capteurs
Financement prévu : Contrat d’Etablissement
Cofinancement éventuel : (Co)-Directeur de thèse : Laurent CLAVIER
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse :
E-mail :
Laboratoire : IEMN – UMR CNRS 8520
Equipe : CSAM
Descriptif :
Les réseaux de capteurs imposent aux couches physique et MAC des contraintes très spécifiques et
différentes des réseaux classiques. Pour les étudier nous mettons en œuvre une plate-forme TELECOM
permettant de tester les émetteurs et les récepteurs, les algorithmes de traitement numérique du signal et
la couche MAC. L‟originalité de cette plate-forme est d‟avoir une grande flexibilité sur le choix
technologiques, en particulier au niveau de la partie RF.
L‟un des premiers objectifs de la plate-forme est d‟étudier l‟impact de l‟interférence sur la
consommation. Des travaux existent pour améliorer les récepteurs dans le cas d‟une interférence non
gaussienne mais il faut maintenant en évaluer le coût d‟implémentation et le coût énergétique. De même,
la couche MAC peut tenter de limiter au maximum l‟interférence ou, au contraire, s‟adapter et tolérer un
certain niveau d‟interférence que la couche physique peut supporter. Les protocoles doivent alors être
modifiés ce qui permettrait en particulier d‟améliorer l‟efficacité des réseaux et la réutilisation spatiale de
la ressource. L‟objectif de cette thèse est d‟allier des expériences et des résultats théoriques pour
comprendre l‟évolution des environnements de communication et proposer des stratégies fiables et faible
consommation.
Abstract:
Sensor networks require physical and MAC layers with very specific and different constraints than
conventional networks. We implement a TELECOM platform for testing transmitters and receivers, the
algorithms of digital signal processing and the MAC layer protocols. The originality of this platform is to
have flexibility on the technological choices, especially at the RF part. One of the first objectives of the
platform is to study the impact of interference on consumption. Work exist to improve the receivers in
the case of non-Gaussian interference, but we must now evaluate their implementation and energy costs.
Similarly, the MAC layer may attempt to minimize interference or, conversely, to adapt and tolerate a
certain level of interference that the physical layer can support. The protocols should be modified to
improve the network efficiency and the spatial reuse of the resource. The objective of this thesis is to
combine experiments and theoretical results to understand the changing communication environments
and to propose reliable and low consumption strategies.
Autre contact : Alexandre BOE, [email protected]
85
Titre : Management thermique au sein d'une intégration hétérogène 3D pour systèmes communicants
autonomes - vers une application à l'électronique flexible.
Financement prévu : Université de Lille 1
Cofinancement éventuel :
(Co)-Directeur de thèse : Nathalie ROLLAND
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse :
E-mail :
Laboratoire : IEMN – UMR 8520
Equipe : CSAM
Descriptif :
L‟atteinte prévisible des limites de la loi de Moore dans les dix prochaines années poussent les concepteurs
de systèmes de communication à intégrer le maximum de fonctionnalités dans des modules 3D de plus en
plus petits, incluant des capteurs, de l‟intelligence embarquée, des modules radio avec leurs antennes,…
(Approche More than Moore). On passe donc du concept de SoC (System-on-Chip) au concept de SiP
(System-in-Package) pouvant intégrer des SoC mais offrant d‟autres fonctionnalités au niveau de la
perception de l‟environnement, de la communication, de la reconfigurabilité et de la possibilité d‟autoorganisation en réseau ad-hoc, tout en minimisant le volume et la consommation énergétique. La densité
d'intégration va inévitablement générer des points chauds au sein des systèmes intégrés.
L‟objectif de cette thèse est d‟utiliser la micro-structuration 3D d‟une plateforme silicium pour permettre
une haute fonctionnalité des systèmes tout en gérant le flux thermique au niveau du module. En effet, ces
dernières années ont vu émerger de véritables concepts de rupture dans le domaine de l‟invisibilité optique.
Le succès considérable de ces concepts a conduit à leur extension à d‟autres domaines disciplinaires
comme l‟acoustique, la mécanique des fluides ou l‟élasto-dynamique. Ainsi sont apparues des capes de «
silence », des capes « à vagues », des capes « antisismiques »… L‟objectif de cette thèse est de valider ces
concepts d‟invisibilité et les méthodes associées au domaine de la thermodynamique, et plus exactement au
contrôle des flux de chaleur. Il a été démontré théoriquement [1], [2] que, selon le méta-matériau thermique
considéré, il est possible de guider le flux thermique et ainsi de créer soit une zone chaude soit une zone
froide. Cette approche, compatible avec l'intégration hétérogène 3D (SiP) que nous développons dans le
groupe CSAM, pourra être appliquée aux nœuds dans les réseaux de capteurs sans fil intégrant différentes
fonctions : le système de communication, la source d'énergie, la localisation, l'intelligence, le(s)
capteur(s)... avec comme objectif une gestion thermique aux points les plus critiques.
Cette approche pourrait aussi à plus long terme être utilisée pour réaliser un thermocouple permettant de
récupérer de l‟énergie par thermoélectricité, et ce, afin d'augmenter l‟autonomie du système global. Dans le
cadre de la ville intelligente, par exemple, ce complément d'énergie serait un atout considérable pour
assurer l'autonomie prolongée des objets communicants enfouis dans les canalisations pour la surveillance
du réseau d'eau (fuite, pollution, attaque chimique,…).
86
Ce type de management thermique pourrait par ailleurs répondre à des besoins dans le domaine de
« l'électronique flexible ». Un autre objectif de la thèse sera donc de participer au projet Equipex LEAF qui
vise le développement de composants, puces et microsystèmes électroniques hautes performances sur
substrat flexible.
Ce sujet de thèse se fera en collaboration étroite avec l‟institut Fresnel (Marseille) qui est un des acteurs
majeurs dans le domaine de l‟invisibilité des ondes et qui a développé un premier modèle théorique
permettant de résoudre les problèmes de la transformation d‟espace appliquée à l‟équation de conduction
macroscopique de la chaleur.
[1] S. Guenneau, C. Amra et D. Veynante, Transformation thermodynamics: cloak and concentrator for heat, Optics Express, Vol. 20 Issue 7,
pp.8207-8218 (2012)
[2] R. Schittny, M. Kadic, S. Guenneau, and M. Wegener, “Experiments on transformation thermodynamics: Molding the flow of heat”, arXiv:
1210.2810v1 (10 Octobre 2012)
87
Titre : Screening des matériaux déposables en technologie film mince pour microdispositifs de stockage
Financement prévu : Contrat Doctoral
Cofinancement éventuel :
(Co)-Directeur de thèse : Nathalie ROLLAND
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse :
E-mail :
Laboratoire : IEMN UMR CNRS 8520
Equipe : CSAM
Descriptif :
Les objets miniatures communicants souffrent d‟un manque d‟autonomie énergétique. A très faible
encombrement surfacique, il s‟avère nécessaire de développer des sources d‟énergie permettant d‟adresser
ce besoin technologique.
A ce titre, et dans le cadre de cette thèse, un screening des différents matériaux déposables à l‟IEMN en
technologie film mince (PVD, ALD) sera entrepris pour sélectionner les meilleurs candidats permettant la
réalisation d‟un microdispositif de stockage « idéal ».
Le ou la candidat(e) sélectionné(e) devra montrer un attrait particulier au développement technologique et à
la science des matériaux.
88
Titre : Réalisation de micro-supercapacités à base de silice métallisée.
Financement prévu :
Cofinancement éventuel :
(Co) Directeur de thèse : Odile CRISTINI-ROBBE et Nathalie ROLLAND
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse :
E-mail
Laboratoire : IEMN/PhLAM/IRCICA
Groupe de recherche : CSAM-Groupe Photonique
Descriptif :
Ce sujet de thèse s'inscrit dans le cadre du développement de réseaux de capteurs autonomes à l'étude au
sein de l'IRCICA. Il se positionne plus particulièrement pour apporter des éléments de réponses à la
problématique que pose l‟autonomie énergétique de ces réseaux (récupération et stockage). Une voie à
l'étude actuellement est la réalisation de micro-supercondensateurs qui présentent des caractéristiques de
stockage complémentaire à celle des micro-batteries.
L'objectif global est la réalisation de super-condensateurs intégrables et donc compatibles avec un procédé
MEMS. Actuellement les électrodes de supercapacités sont réalisées majoritairement soit à partir de
carbone, soit à partir d‟oxydes métalliques. Trois paramètres sont essentiels à la réalisation de
supercapacités : le contrôle de la porosité (taille et dispersion), la conduction électrique du matériau
d‟électrode et sa stabilité chimique.
Le but de ce projet de thèse est de développer des électrodes de micro-supercondensateurs par des
méthodes chimiques en solution.
Le candidat aura en charge le développement d‟électrodes et de supercapacités à base de monolithes de
silice (dimensions latérales millimétriques et épaisseur de quelques centaines de micromètres) de porosité
contrôlée et ajustable, qui devront être métallisés. Pour cela deux voies, mettant en œuvre des procédés très
différents, seront étudiés afin de limiter les risques liées aux contraintes induites par les spécificités de
chaque procédé :
- le premier, déjà à l'étude, est basé sur une métallisation par irradiation laser de précurseurs d'or,
- le second, original, est basé sur l'imprégnation des monolithes par de la cellulose, qui traité
thermiquement sous atmosphère légèrement réductrice devrait permettre d'obtenir un revêtement de
carbone sur l'ensemble des pores.
L'intégration de ces micro-supercondensateurs constitue un verrou technologique. Ce projet prend en
compte cette problématique dès la conception. Nous proposons d'utiliser des cavités micro-usinées dans du
silicium. Ces cavités permettront la synthèse de la silice et la reprise de contact des électrodes. Cette étape
majeure permettra de démontrer l'intégrabilité de la solution retenue. Enfin, le développement d'électrolyte
quasi solide permettant de s'affranchir des encapsulations hermétiques sera abordé.
89
Titre : Ingénierie des contraintes des films minces pour le stockage d'énergie pour réseaux de capteurs
Financement prévu : ANR-Université Lille1
Cofinancement éventuel :
(Co) Directeur de thèse : Nathalie ROLLAND
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse :
E-mail
Laboratoire : IEMN
Groupe de recherche : CSAM
Descriptif :
Le développement de dispositifs embarqué de stockage de l'énergie est un point bloquant pour l'essor des
réseaux de capteurs de grande envergure. Une des voies prometteuse est la mise au point de capacités (de
type MIM Metal Insulator Metal) de grande valeur et de supercapacités. La valeur de la capacité dépendant
étroitement de la surface des électrodes, il est important d'augmenter fortement cette surface spécifique,
tout en conservant un volume limité. Cette thèse s'intéresse plus particulièrement au développement de
supercapacités et de capacités MIM 3D. Tous les développement seront optimisés pour être compatibles
avec une approche SIP (System In a Package) ou dans un procédé de type MEMS (MicroElectro Mecanical
Systems) standard, notamment silicium (sur CMOS ou SOI-CMOS). Cette intégration implique une reprise
de contact 3D totalement intégrée et est complètement originale et en rupture avec la fabrication classique
des supercapacités qui nécessite le report d'électrodes fabriquées séparément. Enfin, les matériaux choisis
seront le plus possible à faible empreinte écologique (procédés basse température, matériaux peu nocifs),
avec un impact limité tant sur le plan sanitaire qu'environnemental.
Le premier effort portera sur la caractérisation et la maîtrise des contraintes lors du dépôt de matériaux par
PVD (Physical Vapour Deposition) ou CVD (Chemical Vapour Deposition). Ces matériaux, après gravure
d'une couche sacrificielle, permettront d'obtenir des micro- et nanostructures en 3D hors plan.
L'introduction de matériaux à mémoire de forme (notamment TiNi) permettra d'apporter une agilité lors de
la formation des structures 3D. Ces développements seront aussi utilisés avec les matériaux faible coût
basés sur des procédés de chimie en solution bas coût (collaboration avec PhLAM). Cette étape conduira au
développement de dispositif de caractérisation des constantes mécaniques des films minces (module de
Young, courbe de traction, adhésion, …).
Ces différentes études permettront de concevoir des techniques de reprise de contacts électriques en 3D
afin de pouvoir connecter les supercapacités. Les matériaux développés par méthodes chimiques en
solution sont soumis à de très grandes variations de volume (évaporation du solvant lors des séchages)
limitant leur intégrabilité. Le développement de matériaux 3D et notamment des matériaux à mémoire de
forme permettront la conception de dispositif gérant ce changement de volume.
Le second axe sera le développement de techniques d'encapsulation compatibles avec les procédés CMOS.
Ce packaging permettra de finaliser les dispositifs obtenus par ingénierie des contraintes en les isolant de
l'environnement extérieur. Deux types de packaging seront à étudier : (1) une technique permettant un
90
scellement hermétique (applications spécifiques telles qu'implantation dans le corps humain) et (2) un
scellement bas coût dérivés des activités en cours à l'IEMN (packaging dans le groupe CSAM).
91
Titre : Approche faible consommation de la localisation 3D et la communication pour réseaux de capteurs
en milieu contraint pour les usines du futur
Financement prévu : Région
Cofinancement éventuel :
(Co) Directeur de thèse : Christophe LOYEZ
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse :
E-mail :
Laboratoire : IEMN
Groupe de recherche : CSAM
Descriptif :
L‟objectif de cette thèse est la contribution à la mise en place d‟une plateforme globale, ouverte,
multidisciplinaire et instrumentalisée, pour la conception optimale de systèmes de communication et de
localisation robustes et faible consommation dédiés aux usines du futur. Dans ce cadre, le noeud de
capteurs modélisé doit permettre de répondre aux exigences des procédés de production agiles. En
complément des recherches menées à l'IEMN sur les réseaux de capteurs, la présente thèse se focalisera
sur la mise en place d'un modèle comportemental fiable de tous les composants d'un nœud de capteur. Ce
modèle devra être générique et sera confronté aux différentes expérimentations menées à l'aide de la
plateforme. Par ailleurs, plusieurs travaux actuellement menés sur la géo-localisation, indispensable à de
nombreuses applications et opérations, ne prennent pas en compte la consommation énergétique des
moyens déployés. Un des objectifs de cette thèse est de développer un algorithme de géo-localisation 3D
précis basé sur une approche faible consommation et ce en milieu contraint (environnement métallique,
canal de propagation déficient, environnement perturbé, …). Cet algorithme sera implémenté au niveau
de la plateforme et ses performances seront testées in situ.
Abstract:
“Low power consumption approach of 3D localisation and communication for sensors networks
applied to the manufactory of the future”
The aim of this thesis is to achieve a global platform based on a multidisciplinary approach specific to the
optimal design of communication and localisation systems which can address low power consumption
applications devoted to the manufactories of the future. With such a context, each network node needs to
be modelled rigorously with the aim to meet the flexibility requirements of future industrial processes. A
key point of this thesis is the development of a behaviour model of the sensor node, including all the
components involved in the communication and localisation operations. The reliability of this model will
be validated experimentally. Another key point is the study of a specific 3D localisation algorithm based
on a low power approach. This algorithm will be implemented and its performance will be evaluated.
92
Titre : Conception de circuits à base d’une nouvelle technologie AlN/GaN/AlGaN en gamme millimétrique
sur substrat silicium pour applications télécom.
Financement prévu : Bourse DGA-Université lille1
Cofinancement éventuel :
(Co)-directeur de thèse : Christophe LOYEZ
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse :
E-mail
Laboratoire : IEMN – UMR 8520
Groupe de recherche : CSAM
Descriptif :
Les composants à base de Nitrure de Gallium (GaN) sont pressentis pour devenir la prochaine génération de
transistor en bande millimétrique. Un certain nombre de groupes ont démontrés la possibilité d‟obtenir une
combinaison unique de puissance et de rendement ainsi qu‟une bande passante plus élevée et une stabilité à haute
température supérieure avec le matériau GaN comparé aux technologies à base de GaAs ou de Silicium. Dans ce
cadre, une nouvelle hétérostructure à base d‟AlN/GaN de haute qualité est en cours de développement. Cette
nouvelle technologie laisse espérer une rupture des performances des circuits à haute fréquence. En effet, cette
nouvelle configuration permet d‟accroître la densité de porteur du transistor par un facteur 2 ou 3 par rapport aux
structures HEMT classiques AlGaN/GaN tout en offrant des rapports d‟aspects (longueur de grille/distance grillecanal) très favorable à la montée en fréquence du fait de la possibilité de bénéficier d‟épaisseur de barrière ultramince avec cette configuration. De plus, la croissance de cette hétérostructure a été entreprise sur substrat de
silicium au niveau industriel et arrive maintenant à maturité, ce qui permet d‟envisager des composants à coût
modéré, offrant une solution attractive pour l'intégration avec des technologies silicium matures tels que la filière
CMOS en utilisant une approche monolithique.
Notre groupe a démontré des résultats remarquables sur la filière AlN/GaN/AlGaN-sur-Si (double hétérostructure)
avec des performances bien au-delà de l‟état de l‟art international comparées aux composants GaN-sur-Si actuels.
En particulier, des performances fréquentielles de l‟ordre de 200 GHz combiné à une tenue en tension de plus de
100 V ont permis de générer une puissance de sortie conséquente à une fréquence d‟opération de 40 GHz pour la
1ère fois1. Par ailleurs, nous avons également mesuré le facteur de bruit entre 6 et 40 GHz dans ces mêmes
composants. Le très faible courant de fuite, le gain élevé ainsi que des effets de pièges réduits nous ont permis de
démontrer le plus faible niveau de bruit jamais observé dans un transistor GaN en bande K a23. Plus récemment,
l‟étude préliminaire de fiabilité effectuée sur ces composants en collaboration avec l‟université de Padova a montré
des résultats très encourageants en termes de stabilité et de robustesse avec plusieurs heures de mesure sur la
1
F. Medjdoub et al, “First demonstration of high power GaN-on-Silicon transistors at 40 GHz” Electron Device. Lett. 33, 8,
2012
2
F. Medjdoub et al, “Sub-1-dB Minimum Noise Figure Performance of GaN-on-Si transistors up to 40 GHz” Electron Device.
Lett. 33, 9, 2012
3
F. Medjdoub et al, “Demonstration of low leakage current and high polarization in ultrathin AlN/GaN high electron mobility
transistors grown on silicon substrate” Applied Phys. Letters 98, 223502, 2011
93
technologie de 100 nm de longueur de grille (AlN/GaN-sur-Si), ce qui constitue également une première mondial4.
Ces premiers résultats de fiabilité montrent que ces composants sont assez reproductibles pour envisager le
développement de fonctions tels qu‟un amplificateur faible bruit (LNA), un amplificateur de puissance (MPA) et
un mélangeur fonctionnant en gamme d‟onde millimétrique. Ces fonctions ainsi réalisées permettront d‟ouvrir la
voie à la conception de circuit MMIC GaN ultra-robuste de faible coût délivrant des performances en rupture avec
les filières existantes. Ceci devrait constituer un avantage décisif en permettant à l‟Europe de disposer d‟une
source de composant GaN fiable pour les amplificateurs fonctionnant en gamme millimétrique puisque notre
source d‟épitaxie EpiGaN est une PME basée en Belgique.
Ce projet vise à relever le défi de ces composants critiques. Nous proposons de démontrer les modules nécessaires
au développement de MMIC (circuit micro-ondes intégré monolithique) fonctionnant en bande Ka et délivrant des
performances en rupture avec les filières actuelles. L‟objectif de cette thèse est la fabrication, la caractérisation et
la modélisation de transistors III-Nitrure à effet de champs correspondant à cette nouvelle filière AlN/GaN à haute
fréquence qui donneront lieu à la conception des fonctions LNA, MPA et mélangeur.
Le candidat interviendra dans toutes les étapes du développement de ces modules de la manière suivante :
 Il participera à la fabrication technologique en salle blanche des composants.
 La caractérisation statique et hyperfréquence ainsi que la modélisation des composants seront réalisées en
étroite collaboration avec le laboratoire XLIM à Limoges.
 Enfin, il effectuera la conception des différentes fonctions en se basant sur les modèles développés.
Les spécifications des composants en bande Ka suivront le cahier des charges de Thalès communication avec
lesquels nous sommes en interaction. Les retombées militaires potentielles sont les suivantes :
Ce projet répond aux besoins à court terme de la DGA concernant la réalisation de composants et circuits haute
fréquence, large bande et de forte puissance en mesure de résister à des températures très élevées, aux
environnements agressifs et aux fortes radiations. Les principales applications visées ou potentielles sont :
- Les amplificateurs de forte puissance à haut rendement en bande Ka.
- Les commutateurs à faibles pertes et à forte isolation pouvant contribuer à la réalisation
d‟échantillonneurs-bloqueurs ultra-large bande, à très haute dynamique et à forte linéarité (ENOB > 10
bits à 10 GHz) ou celle d‟amplificateurs classe F en régime de commutation avec des rendements > 50% à
10 GHz ou encore à la réalisation de convertisseurs analogiques-numériques ou DC-DC à très haute
performance en terme de dynamique, de rapidité et de résolution.
- Des modulateurs/démodulateurs vectoriels à haute linéarité jusqu‟en gamme millimétrique avec
conversion directe.
- Enfin, ces composants sont capables de supporter des tensions grille-source supérieures à 50 V, ce qui les
rend peu sensibles aux agressions EM et permet la réalisation de LNA robustes de protection de chaîne de
réception vu le faible niveau de facteur de bruit de cette filière (NF ≤ 1 dB à 18 GHz).
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F. Medjdoub et al, “Highly stable Low Noise / High Power AlN/GaN-on-Silicon Double Heterostructure HEMTs operating
at 40 GHz” Accepted in Proc. of IEEE IRPS, 2013
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Titre : Caractérisation du canal radio dans les bandes ISM en environnement industriel.
Financement prévu : Université Lille1
Cofinancement éventuel : Région
(Co) Directeur de thèse : Nathalie ROLLAND
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse :
E-mail
Laboratoire : IEMN
Groupe de recherche : CSAM
Descriptif :
Les technologies de l‟information et de la communication n‟ont pas encore pénétré le monde industriel.
Pourtant, celui-ci est en attente de sa quatrième révolution appelée « Industrie 4.0 » qui lui permettra de
faire le lien entre les outils de conception (CAO), les outils de management de production (ERP), les
automates (API) pilotant les machines à commande numérique (CN) et les robots industriels. Un premier
pas a été franchi avec la reconnaissance lente mais progressive du protocole Ethernet industriel parmi les
multiples bus de terrain (ModBus, FieldBus, Profibus, HART). L‟usine intelligente doit pouvoir en outre
bénéficier des nombreux apports liés aux technologies de transmission sans fil. Néanmoins, les installations
industrielles représentent des environnements spécifiques tels qu‟il convient de vérifier l‟aptitude des
systèmes de communications sans fil civils déjà existants à y fonctionner de manière fiable. A l‟instar de
l‟internet des objets, l‟une des applications envisagées pour doter l‟usine du futur d‟intelligence est
l‟emploi de réseaux de capteurs sans fil permettant aux machines d‟échanger de nombreuses informations.
Celles-ci leurs apporteront par exemple la capacité à demander une opération de maintenance non prévue
(maintenance préventive collaborative), d‟adapter la réalisation d‟une opération par un robot en fonction de
la disposition de machines nouvellement installées ou encore d‟envoyer une demande de mise en veille en
raison de l‟interruption momentanée d‟une chaine de production en vue de réduire la consommation en
énergie de l‟atelier. Les systèmes de réseaux distribués qui seront utilisés fonctionneront dans les bandes de
fréquences réservées que sont les ISM (Industriel, Scientifique et Médical). Ainsi, le comportement des
ondes radioélectriques utilisant des fréquences situées autour de 433MHz, 868MHz, 2.4GHz et 5.2GHz est
à étudier tout particulièrement. Ce travail de thèse débutera, outre une étude bibliographique approfondie,
par de nombreuses campagnes de mesure réalisées dans les environnements industriels du Nord-Pas de
Calais et spécialement dans les domaines de l‟automobile et du ferroviaire mais aussi de l‟agro-alimentaire.
Le dépouillement des résultats fournira des modèles de canal de propagation capables d‟orienter les choix
d‟ingénierie radio à appliquer selon la typologie rencontrée. Contrairement à la plupart des travaux dans ce
domaine, il s‟agira également de s‟intéresser aux zones plus confinées propres aux installations
industrielles (convoyeurs hauts, plate-forme à base de poutrelles métalliques, cages d‟escalier, …). Une
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attention particulière sera apportée aux perturbations électromagnétiques pouvant résulter du rayonnement
des machines électriques à courants forts couramment présentes dans ce type d‟environnement. Une
méthodologie de caractérisation pourra être proposée afin de faciliter la conduite de telles mesures sur un
site quelconque.
Abstract :
Information and communication technologies did not still penetrate the industrial world. Though, the next
revolution in this domain, called Industry 4.0 will allow to link together the computer aided design (CAD),
Enterprise Resource Planning (ERP), Industrial Control Systems (ICS) and industrial robots. A first step
has been done with the progressive acceptance of the protocol Industrial Ethernet amongst the multiple
field bus (Modbus, FieldBus, Profibus, HART). Furthermore, the smart factory should be able to take
advantage of the large amount of contributions of the wireless communication technologies. Nevertheless,
the special characteristics of industrial sites require checking the ability of existing civil communication
systems to run with reliability on it. Like in the domain of the Internet of Things, one of the considered
applications to provide intelligence to future factory is to us wireless sensor networks in order to exchange
a lot of information from Machine to Machine (M2M). For instance, this information will bring the
capacity of robots to adapt a movement to the presence of new machines, to ask for a non-forecasted
maintenance and repair operation or to send a standby request due to the temporary break of a production
process in order to reduce the energy consumption of the workspace. Frequency bands of the distributed
networks systems which will be used, are called ISM for Industrial, Scientific and Medical. Thus, the
behaviour of radio waves using frequencies around 433MHz, 868MHz, 2.4GHz and 5.2GHz will be
specifically studied. This thesis work will start, besides a deep bibliography, with a huge amount of
measurement campaigns which will be carried out on industrial sites of the Nord-Pas de Calais with a focus
on the domains of automotive, railway and food. The post-processing of the results will provide
propagation channel models which should be used for engineering choices to apply according to the
encountered typology. Conversely to traditional works in that domain, we will examine also the coverage
of more confined areas such as high conveyors, plateforms made with metallic beams, stairwells, etc… . A
special study of the radiated disturbances will be achieved due to the presence of electrical machinery using
strong currents often used in industrial environments. A methodology of characterizing of radio channel
will be propose in order to facilitate these kind of measurements on any site.
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Titre : Etude de l’influence d’un environnement réel sur les performances d’un réseau de capteurs sans fil
utilisant une technique de formation de faisceaux collaboratifs
Financement prévu : Université Lille1, ANR
Cofinancement éventuel :
(Co) Directeur de thèse : Nathalie ROLLAND
E-mail :
Co-directeur de thèse :
E-mail
Laboratoire : IEMN
Groupe de recherche : CSAM
Descriptif :
Les performances de transmission de réseaux de capteurs sans fil peuvent être améliorées par l‟usage de la
technique de formation de faisceaux collaboratifs (cooperative beamforming). Cette amélioration est
optimale lorsque les capteurs communicants sont situés en une multitude de points fixes et dans un
environnement à configuration géométrique stable dans le temps. Cette distribution de capteurs correspond,
par exemple, à celle employée dans le contexte du smart grid où des mesures de l‟état d‟un réseau de
distribution d‟électricité, d‟eau ou de gaz doivent être réalisées en des points fixes disséminés sur
l‟intégralité du réseau. Dans ce cas, une étape d‟apprentissage doit être utilisée afin de synchroniser les
oscillateurs locaux et de récupérer les informations de l‟état du canal (Channel State Information : CSI)
avant de construire le faisceau permettant d‟assurer un lien entre des nœuds éloignés. Si on souhaite limiter
la consommation d‟énergie des nœuds, on peut envisager de réduire au maximum cette étape
d‟apprentissage mais en s‟exposant néanmoins à des baisses de performances dues à la modification de
l‟environnement. Cette thèse consiste à étudier théoriquement et expérimentalement l‟effet de l‟apparition
d‟obstacles (déplacement d‟individus) au milieu des nœuds d‟un réseau collaboratif en environnement
outdoor et indoor. L‟objectif est ainsi de quantifier l‟influence des écarts existants entre un cas idéal et des
cas plus réalistes sur les performances d‟un réseau de capteurs utilisant la technique du coopérative
beamforming.
Abstract:
Communication performances of Wireless Sensor Networks (WSN) may be improved using the technique
of cooperative beamforming (CB). This improvement is optimum when the communicating sensors are
located in multiple fixed points and within a steady state geometrical configuration environment. This kind
of sensors distribution is involved for instance in the smart grid case when measurement of the state of
distribution networks of fluids such as electrical energy, water or gas have to be achieved in several points
disseminated on the whole network. In that case, a preliminary learning step is required in order to
synchronise local oscillators and gather Channel State Information (CSI) before to build the cooperative
beamforming for transmission of data between distant nodes. If one wishes to limit the energy consumption
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of the nodes, it is possible to try to reduce the learning step duration but this implies that the
communication will be less performing according to the environment changes. This thesis consists in
studying theoretically and experimentally the effect of the emergence of obstacles (people displacement)
amongst the nodes of a Wireless Sensor Network based on the cooperative beamforming in outdoor and
indoor environments. The goal is to quantify the influence of the disparity between ideal case and actual
case on such a WSN
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Titre : Développement de surfaces à base de graphène pour le couplage SPR-spectrométrie de masse et la
détection ultra-sensible de biomolécules
Financement prévu : ED
Cofinancement éventuel :
(Co)-Directeur de thèse : Sabine SZUNERITS
E-mail : [email protected]
Co-directeur de thèse : Henri HAPPY
E-mail : [email protected]
Laboratoire : IEMN – UMR 8520
Equipes : NanoBioInterfaces & Carbon
Abstract :
Ce projet de thèse a pour but de développer de nouvelles interfaces permettant l'analyse et/ou la détection
ultrasensible de composés biologiques à partir de milieux complexes tels que le sérum, les cultures
cellulaires, échantillons médicaux (biopsie),…par couplage de la résonance plasmonique de surface
(SPR) et de la spectrométrie de masse (MS) (SPR-MS). Le projet est basé sur l‟utilisation du graphène
comme couche de fonctionnalisation active. Le graphène a déjà montré de manières séparées, de fortes
potentialités tant pour l‟analyse SPR que pour la détection par MS avec une désorption/ionisation par
laser, réalisée sans matrice organique, de petits composés organiques. Cependant, à ce jour aucun
couplage SPR-MS n'a été réalisé sur ce type de matériau.
Ce projet fait appel à des compétences variées mais complémentaires maitrisées par deux équipes de
l'IEMN: l'équipe NanoBioInterfaces (NBI) experte en développement de nouveaux capteurs et l'équipe
"Carbon spécialiste en croissance de graphène, son transfert sur substrat rigide ou flexible et sa
caractérisation. Cette collaboration met en exergue la collaboration entre deux équipes de l'IEMN dans le
cadre du Flagship "graphène".
Abstract :
This PhD project aims at developing new active interfaces for the ultrasensitive detection of biological
molecules from complex media such as serum, cell culture, medical samples (biopsies),... by coupling
surface plasmon resonance (SPR) with mass spectrometry (MS). In this project, we propose to use
graphene as active functionalization layer. Graphene has already shown strong potential and high
performance for both SPR and MS analysis separately. However, up to date, no SPR-MS coupling has
been made on this type of material.
This project is based on different but complementary skills mastered by two teams of IEMN: the
NanoBioInterfaces team (NBI) expert in development of new sensors and the Carbon team, specialist in
graphene growth and its transfer onto rigid or flexible substrates and characterization. This collaboration
highlights the collaboration between two teams of IEMN under the Flagship "graphene" project.
Autre contact: Yannick Coffinier [email protected]
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