Pour augmenter sa compréhension du monde qui l’entoure, le physicien moderne ne cesse de travailler au développement d’outils théoriques ou expérimentaux pour l’aider à répondre à ses questions fondamentales. Une partie de ces chercheurs tente de répondre à une question bien définie, mais simultanément très vague : qu’est-ce que le bruit électro- nique? Guidés par cette idée, certains étudient des dispositifs comme la jonction tunnel ou la jonction Josephson, alors que d’autres travaillent à l’amélioration des méthodes de détection du bruit. Le présent mémoire de maîtrise traite donc de la conception d’un outil de détection bien particulier, le micro-bolomètre supraconducteur de niobium-titane-niobium. La théorie derrière le fonctionnement d’un tel dispositif est expliquée à l’aide d’une comparaison entre un bolomètre conventionnel et un bolomètre supraconducteur. Des concepts comme la sensibilité d’un détecteur, la conductance thermique et la méthode d’utilisation sont présentés. Les étapes du procédé de fabrication sont ensuite explicitées dans les moindres détails. Finalement, les propriétés électroniques d’un tel micro-bolomètre sont analysées à l’aide de la courbe caractéristique courant-tension, de la courbe de transition supraconductrice en température et de dfférentes mesures en réflectométrie. La puissance équivalente de bruit (NEP) mesurée est de l’ordre de 10[indice supérieur −17] W/√Hz et le temps caractéristique de détection est de 1.43 μs. Le dispositif présenté dans ce mémoire a un avantage important par rapport aux bolomètres supraconducteurs généralement utilisés : il ne nécessite pas de courant de polarisation continu pour le mettre en fonctionnement. Ceci peut résulter en divers avantages technologiques.

L’objectif de ce travail de thèse est de développer des absorbants large bande et un détecteur thermique à base de matériaux carbonés issus de la pyrolyse de polymères, pour des applications dans le domaine terahertz. Deux types de polymères précurseurs ont été utilisés: un polymère organique (polyimide) et un hybride organique-inorganique (organopolysiloxane). La conversion thermique sous atmosphère inerte a été suivie par diverses techniques d’analyse : la thermogravimétrie couplée à la spectrométrie de masse, les spectroscopies Infrarouge et Raman. Les matériaux issus du polymère organique sont constitués principalement de carbone graphitique avec des rendements à la pyrolyse de 55% en poids. En revanche, la pyrolyse des organosiloxanes conduit à des matériaux céramiques de type composite dans lesquels des domaines de graphène sont répartis dans un réseau oxycarbure de silicium, avec des rendements de 85% en poids. L’absorption THz de 78%, sur une large bande 0.2-3 THz, a été obtenue sur l’échantillon d’épaisseur 0.95 mm, issu de la pyrolyse à 1500 °C du polymère organosilicé. Le principal avantage de l’utilisation de polymères réside dans la facilité de leur mise en forme pour obtenir des formes complexes aux dimensions souhaitées, grâce au procédé par coulage. Comme preuve de concept, la fabrication d’un micro-bolomètre, utilisant le matériau carboné céramique à structure pyramidale comme absorbant THz à large bande, a permis d’atteindre une sensibilité SV de 0.76V/W, une constante de temps de 180ms et un seuil de détection de puissance de 2 nW/Hz1/2, valeur avoisinant, voire meilleure, que celle des dispositifs actuellement disponibles sur le marché. / The aim of this work is the development of broadband absorbers and thermal detectors, based on carbon materials issued from pyrolysis of polymers and devoted to terahertz (THz) applications. Two types of polymer, organic (polyimide) and hybrid organic-inorganic polysiloxane, have been used. The progress of thermal conversion of these polymers in inert atmosphere was followed by thermogravimetric analysis coupled with mass spectrometry, and IR and Raman spectroscopies. The pyrolysis of polymers up to 1200 °C left black residues materials.Organic-derived materials are composed of mainly graphitic-carbon with a yield of about 55 wt%, while organosiloxane polymers result in a ceramic composite material, in which free carbon domains are embedded into an oxycarbide network, with a yield of 85 wt%.It has been found that the presence of sp2 carbon is necessary but not sufficient in and itself for the absorption of terahertz radiations. Carbon must be at least partially ordered into a few stacked-graphene layers. The THz absorbance of up to 78% over the broadband of 0.2-3 THz was obtained for a 0.95 mm thick sample resulting from pyrolysis of organosiloxane polymer at 1500 °C. The main advantage of using polymers lies in their ability to form complex small parts in a near net-shape by the casting process.Finally, using net-shaped pyramidal ceramic structures as absorbers, a proof of concept was achieved with the fabrication of a broadband terahertz micro-bolometer, with a responsivity of 0.76 V/W, time constant of 180 ms, and noise equivalent power of 2 nW/Hz1/2, thus putting it in fair competition with commercial thermal detectors.

La mission Herschel est un des projets phare du programme scientifique de l'agence spatiale européenne (ESA). Son objectif est d'explorer le ciel dans l'une des régions du spectre électromagnétique les moins connues à ce jour : l'infrarouge lointain. Sa résolution, sa sensibilité mais aussi son domaine spectral font de Herschel un observatoire unique et parfaitement adapté à l'étude des mécanismes de formation d'étoiles et d'évolution des galaxies. Parmi les autres thµemes scientifiques qui bénéficieront des observations Herschel se trouvent les noyaux actifs de galaxie, les disques circumstellaires ou encore les comµetes de notre systµeme solaire.<br />De nombreux instituts de recherche ont participé à l'élaboration de ce projet ambitieux, notamment le CEA qui a développé un nouveau type de détecteur bolométrique pour le photomµetre de l'instrument Herschel/PACS.<br />Ce manuscrit rend compte du travail de recherche que j'ai effectué au Service d'Astrophysique du CEA dans le cadre de ma thµese de doctorat. Ma tâche a consisté d'une part à développer une procédure de caractérisation adaptée aux nouvelles matrices de bolomµetres du CEA, et d'autre part à réaliser l'étalonnage du photomµetre PACS et à optimiser ses performances dans les différents modes d'observation ouverts à la communauté astronomique.<br />Dans ce manuscrit, je présenterai les grandes lignes de l'astronomie infrarouge de la découverte du rayonnement infrarouge par William Herschel à la réalisation de l'Observatoire Spatial Herschel. Je décrirai également les développements d'hier et d'aujourd'hui dans le domaine de la bolométrie refroidie afin de mettre en perspective les innovations apportées par le CEA, à savoir la fabrication collective de bolomµetres, la thermométrie haute impédance, le multiplexage à froid et l'absorption du rayonnement par cavité résonante. J'exposerai ensuite le principe de fonctionnement des matrices de bolomµetres, étape nécessaire pour comprendre la problématique de la procédure de caractérisation que nous avons mise au point. Puis je présenterai et analyserai en détail les résultats obtenus lors de la campagne d'étalonnage du Photomµetre PACS qui s'est achevée en Juin 2007. Enfin, je traduirai les mesures réalisées en laboratoire en terme de performances "observationnelles" du Photomµetre PACS.

Plusieurs catégories de MEMS nécessitent un environnement sous vide pour fonctionner de manière optimale, tel le micro-bolomètre. Le fonctionnement optimal de ce détecteur, à la base des imageurs infrarouge non refroidis, nécessite qu’il soit thermiquement isolé, et donc qu’il évolue dans une atmosphère raréfiée (< 10-2 mbar). Le maintien sous vide d’une matrice bolométrique durant la durée de vie d'une dizaine d’années du composant est réalisé par une encapsulation dans un boîtier de très faible volume (de 0,5 à 30 µL).Cette encapsulation sous vide fait appel à deux techniques complémentaires : le scellement hermétique sous vide et l’intégration d’un dispositif d’absorption du gaz dans la cavité, appelé getter. La technique de scellement donnant un joint de scellement suffisamment hermétique (<10-14 atm.cm3.s-1) est la soudure métallique. Le getter est un film mince métallique à base de métaux de transition. Il acquiert une activité de sorption lorsqu’il est chauffé.Les procédés d’encapsulation sous vide de l’état de l’art permettent l’encapsulation de micro-bolomètres à des températures de 300°C. Mais il est fort probable que les futurs matériaux micro-bolométriques en cours de développement ne supporteront pas des températures de recuit supérieures à 280°C. Leur encapsulation demande donc la mise à disposition d’un nouveau procédé de scellement sous vide à plus basse température et d’un nouveau film getter s’activant aussi à basse température.Ces deux techniques ont par conséquent été développées, au moyen de caractérisations en laboratoire et de tests sur composants industriels. / Some kinds of MEMS like micro-bolometers require vacuum to operate optimally. This IR sensor is the cornerstone for uncooled infrared detection. Its best sensing capacity is achieved by thermal insulation, which is realized by placing it under vacuum (< 10-2 mbar). The vacuum is maintained throughout the camera lifetime thanks to a microvolume packaging (0.5 to 30 µL).The MEMS vacuum packaging implies the combination of two complementary technical solutions: first hermetic sealing, then getter device integration absorbing internal gas. The sealing technique retained (which enables leak rate <10-14 atm.cm3.s-1) is the metallic bonding. The getter is a thin transition metal film. When activated by an annealing, its surface traps gaseous molecules. The sorption process of the getter is ideally activated during the sealing process of the bonding.The typical temperature packaging process for micro-bolometers is 300°C. It is expected that sensibility of new types of micro-bolometers materials will be degraded if they are exposed to temperatures higher than 280°C. Consequently, their encapsulation require the elaboration of a new low temperature packaging technology.Such a technology has been developed based on experimental studies in laboratory and tests under industrial conditions.

Planck est un satellite de l'ESA lancé en 2009, qui avais pour mission de faire une carte de très grande précision du rayonnement fossile de l'Univers, afin de mieux comprendre comment il s'est formé. Cet objectif ambitieux nécessite un niveau de maîtrise extrême des effets instrumentaux. Cependant en cours de mission il s'est avéré que le composant responsable de la numérisation des données scientifiques introduisait un bisais important qui compromettait l'exploitation scientifique des données de l'instrument Planck/HFI. Ce travail décris comment ce biais a été compris et corrigé avec succès. Une analyse très poussée a été conduite sur les détecteurs du satellite, la chaine cryogénique embarquée et le composant de numérisation lui même. Ce qui a nécessité une méthodologie spécifique afin de télécharger les données nécessaire depuis le satellite avant sa fin de mission et son décommissionnement. / Planck is an ESA spacecraft launched in 2009, its mission goal was to map with an exquisite precision the first light of Universe, to help understanding how it has formed. This ambitious objective requires a very high level of control on the instrumental effects. During the mission, it has been found that the component responsible of the digitization of scientific data introduced an unexpectedly high bias effect, preventing full exploitation of data from the Planck/HFI instrument. The present work relates how this bias effect was understood and successfully corrected for. A very deep analysis of the spacecraft detectors, the cryogenic chain, and the digitization component has been performed, which required a specific methodology to gather data from the spacecraft before the end of the mission and its decommissioning.

Les particules cosmiques sont émises par différentes sources galactiques et sont composées de protons et de noyaux d'hélium. Ces éléments interagissent avec les matériaux et y déposent leur énergie par interaction nucléaire. L'instrument Planck/HFI a observé le ciel depuis l'espace dans le but de cartographier le fond diffus cosmologique. Pour cela, HFI embarque un plan focal refroidit à 100 mK composé de 54 bolomètres. Le flux de particules cosmiques, interagissant avec les composants des détecteurs (thermomètre, grille, wafer), chauffe ponctuellement les capteurs (glitches) ce qui entraine une dégradation du signal scientifique. Leur étude a révélé un autre effet thermique caractérisé par un chauffage global du plan focal de l'ordre du microkelvin, les High Coincidence Events (HCE). Deux familles de HCE ont été isolées dans les données : les rapides, générés par des gerbes de particules secondaires formées dans les couches externes du satellite et interagissant avec l'ensemble de l'instrument HFI ; les lents, généré par la vaporisation d'hélium formant un lien thermique ponctuel entre le plan focal et l'étage à 1,6 K lui faisant face. L'exposition d'une matrice de bolomètres TES à une source de particules α a démontré une réponse similaire mais également des glitches simultanés entre les pixels.Ces recherches démontrent que les particules cosmiques et les gerbes de particules doivent être étudiées afin d'éviter des effets thermiques prédominant. Le développement des prochaines générations de détecteurs, devront ainsi prendre en compte ces interactions indissociables d'une mission spatiale et s'en prémunir. / Cosmic rays are emitted from different galactic sources and consist of protons and helium nuclei. These elements interact with matter and deposit part of their energy by nuclear interaction.The Planck/HFI instrument observed the sky from space to map the Cosmic Microwave Background. For this purpose, HFI has a focal plane cool down to 100 mK and composed of 54 bolometers. The interactions of the cosmic ray flux with the detectors' components (thermometer, grid and wafer) heat up regularly the sensor (glitches) which leads to a degradation of the scientific signal. Studying them revealed another thermal effect characterized by a thermal increase of the entire focal plane up to the microkelvin range, the High Coincidence Events (HCE).Two HCE famillies were separated: the fast ones, generated by cosmic ray showers developed in the external layers of the satellite and interacting with the entire HFI instrument and the slow ones, generated by the vaporisation of helium forming a ponctual thermal link between the focal plane and the 1.6 K stage facing it.Exposure of a TES bolometer matrix to an α particules source showed a similar response but also simultaneous glitches on several pixels. This work demonstrates that cosmic rays and particle showers on next low temperature experiments has to be studied to prevent predominating thermal effects from it. The developpement of futur space experiments will have to take these interactions into account to elimiate them from data.

L’objectif de cette thèse est le développement des détecteurs pour la microscopie champproche électromagnétique pour deux domaines fréquentiels. Pour le domaine des microondesnous présentons des micro-antennes non conventionnelles basées sur un guidagecoplanaire et l’effet de pointe. Nous pr´esentons les différentes étapes de la conceptionet de la réalisation avec les techniques de micro-fabrication. L’évaluation de leur performancea été obtenue avec une confrontation des résultats de mesure et de cartographie surdes éléments passifs et ceux d’une modélisation d’intégration finie. Pour le domaine desTérahertz, nous avons réalisé des micro-bolométres à température ambiante. Dans le butd’améliorer l’absorption de ces d´etecteurs, leur conception a été basée sur l’étude théoriquede l’absorption d’une onde électromagnétique en incidence normale sur un empilement descouches métalliques et diélectrique. Deux versions ont été réalisées et caractérisées é l’aidedes sources électroniques qui peuvent atteindre 1, 1 THz en continue. Les performancesde ces d´etecteurs en termes de bruit, de sensibilit´e et de temps de r´eponse sont mises enexergue. / The objective of this thesis is the development of detectors for near-field microscopy fortwo electromagnetic frequency domains. For microwave domain we present unconventionalmicro-antennas based on coplanar line and point effect. We present the different stages ofthe design and implementation with micro-fabrication technique. The evaluation of theirperformance was obtained with a comparison of measurement results and mapping ofpassive elements and those of a model of finite integration. For the THz domain, we performedroom temperature micro-bolometers. In order to improve the absorption of thesedetectors, their design was based on the theoretical study of the absorption of an electromagneticwave normally incident on a stack of metal and dielectric layers. Two versionswere prepared and characterized using electronic sources that can reach continuous 1,1THz. The performance of these detectors in terms of noise, sensitivity and time responseare highlighted.

Nous avons développé un récepteur hétérodyne terahertz (THz) compact et ultra-sensible à base de laser à cascade quantique (QCL) comme oscillateur local et de bolomètre à électron chaud (HEB) comme mélangeur. Le récepteur est basé sur un nouveau concept pour le couplage quasi-optique entre l'oscillateur local et le mélangeur ce qui a permis de ne pas utiliser de lame semi-réfléchissante pour la superposition du signal provenant du QCL et du signal à détecter. Le mélangeur utilisé est un HEB en nitrure de niobium avec une antenne planaire formée d’une double hélice log-spiral. Le HEB est monté sur la partie plane d’une lentille convexe en silicium. L’oscillateur local est un QCL que nous avons développé avec un système de contre-réaction répartie du troisième ordre avec une faible dissipation thermique, un faisceau peu divergent et un fonctionnement mono-mode à la fréquence cible de 2.7 THz. Le couplage entre l’oscillateur local et le mélangeur HEB a également été amélioré en couplant le QCL avec une fibre creuse en diélectrique ce qui a permis d’améliorer la directivité du faisceau laser à 55 dBi. Grâce aux précédents résultats, nous avons obtenu un récepteur THz hétérodyne compact qui présente une sensibilité proche de l’état de l’art à 2.7 THz. / We demonstrate an ultra-compact Terahertz (THz) heterodyne detec- tion system based on a quantum cas- cade laser (QCL) as local oscillator and a hot electron bolometer (HEB) for the mixing. It relies on a new opti- cal coupling scheme where the local oscillator signal is coupled through the air side of the planar HEB an- tenna, while the signal to be de- tected is coupled to the HEB through the lens. This technique allows us to suppress the beam splitter usu- ally employed for heterodyne mea- surements. The mixer is a Niobium Nitride HEB with a log-spiral planar antenna on silicon and mounted on the back of a plano-convex silicon lens. We have developed a low power consumption and low beam di- vergence 3rd-order distributed feed- back laser with single mode emis- sion at the target frequency of 2.7 THz to be used as local oscillator for the heterodyne receiver. The cou- pling between the QC laser and the the HEB has been further optimized, using a dielectric hollow waveguide that reliably increases the laser beam directivity up to 55 dBi. Upon the high beam quality, sufficient output power in a single mode at the tar- geted frequency and low power dissi- pation of our local oscillator, we have build an ultra compact THz hetero- dyne receiver with sensitivity close to the state of the art at 2.7 THz.

Une des questions majeures de la physique moderne est la détermination de la nature de la matière noire non-baryonique. Les expériences de détection directe de WIMPs (acronyme signifiant particules massives interagissant faiblement) comme EDELWEISS testent l'hypothèse que celle-ci est composée de particules (neutralino) prédites par la supersymétrie et ayant une section efficace d'interaction avec les nucléons d'environ 10-8 picobarn. Pour ceci, EDELWEISS utilise des détecteurs cryogéniques en germanium ultra-pur à double composante ionisation/chaleur, ce qui permet la discrimination des reculs nucléaires attendus pour les WIMPs des reculs électroniques induits par les particules du bruit de fond radioactif. La principale limitation de cette méthode provient des évènements proches de la surface des détecteurs (dus notamment aux betas) qui peuvent être confondus avec des reculs nucléaires. La solution présentée dans cette thèse est l'utilisation de détecteurs à grilles coplanaires pour le rejet des évènements de surface sur la base des signaux d'ionisation. Nous décrivons le principe de ces détecteurs, la réalisation d'un prototype et son étude : tests pratiqués avec différentes sources radioactives en laboratoire de surface puis sur le site-même de l'expérience au Laboratoire Souterrain de Modane. Les résultats expérimentaux sont analysés en détail et comparés à une modélisation approfondie des signaux attendus pour les diverses populations d'évènements. Le pouvoir de rejet des évènements gamma et des évènements de surface betas obtenu démontre la possibilité d'atteindre au moins 10-8 picobarn dans le cadre de l'expérience EDELWEISS II qui a retenu ce type de détecteur pour l'avenir.

La mesure du rayonnement cosmologique (CMB pour Cosmic Microwave Background) en est à un point crucial. Les expériences qui le mesurent sont de plus en plus sensibles et précises. Ce manuscrit présente deux instruments dont l'objectif est de mesurer les anisotropies de température de ce rayonnement. Dans une première partie nous présentons le travail effectué sur l'optimisation du refroidissement des détecteurs grâce a une dilution en cycle ouvert de l'3He dans l'4He dans le cadre de l'expérience satellite Planck. Trois types de supports pour l'échangeur à contre-courant permettant d'atteindre 100 mK avec une puissance disponible de 100 nW sont étudiés. Lors des essais, nous avons approfondi la compréhension de phénomènes physiques présents dans une dilution à cycle ouvert. La deuxième partie présente un filtrage original pour atteindre une grande stabilité de température à 100 mK. En réalisant différentes expériences nous démontrons l'efficacité d'un filtre continu à forte capacité calorifique. Ce filtre, en HoY, a été qualifié d'un point de vue spatial afin d'être utilisé pour le satellite Planck. La troisième partie de ce manuscrit est entièrement consacrée à l'expérience Archeops. Dans ce cadre nous avons développé un cryostat spécifique pour la mesure en ballon stratosphérique. Cette expérience nous a permis d'approfondir plusieurs domaines de la mesure du CMB telles que la bolométrie, l'électronique et l'analyse d'un signal complexe. Les données prometteuses du dernier vol devraient contraindre les paramètres cosmologiques.