Les microscopes champ proche micro-ondes sont des instruments émergents pour la caractérisation de matériaux. Dans ce travail, un microscope champ proche micro-ondes fait maison est d'abord décrit et analysé en termes de résolution et de largeur de bande de fréquences de fonctionnement. Ensuite, il est mis en œuvre pour la caractérisation d'une grande variété de matériaux tels que par exemple des métaux, des semi-conducteurs, des diélectriques, des liquides et des nanomatériaux 2D. Le système intégre un interférométre pour améliorer la sensibilité de la mesure pour des fréquences de fonctionnement couvrant la bande 2-18 GHz. La sensibilité et les différents modes de fonctionnement disponibles (contact, sans contact, environnement liquide) permettent d'adresser une grande variété de domaines d'applications. La résolution latérale obtenue par cet instrument est plus petite de plusieurs ordres de grandeur que la longueur d'onde de fonctionnement, ouvrant ainsi la voie à une caractérisation locale. Les propriétés électromagnétiques des matériaux ont été extraites en utilisant la méthode de perturbation et celle de la ligne de transmission. En particulier, les propriétés diélectriques de solutions salines aqueuses et l’impédance complexe du graphène ont été étudiées dans une large bande de fréquence. Ce microscope champ proche micro-ondes basé sur une méthode interférométrique qui permet une analyse quantitative des propriétés des matériaux de manière non-destructive peut adresser un grand éventail d’applications dans de nombreux domaines scientifiques. Enfin, l’ensemble des résultats montre que potentiellement la microscopie champ proche micro-ondes dispose des atouts pour devenir un outil de métrologie important pour la caractérisation en micro- et nano-électronique. / Near-field microwave microscopes are emerging instruments for materials characterization. In this work, a home-made near-field microwave microscope is first described and analyzed in terms of resolution performance and frequency band of operation. Then, it is applied to the characterization of a large variety of materials such as metals, semiconductors, dielectrics, liquids and 2D nanomaterials. The system is based on an interferometric technique to improve the measurement sensitivity in the entire frequency range of operation spanning from 2 to 18 GHz. The sensitivity and the different operating modes available (contact, non-contact, liquid environment) allow addressing a large variety of application fields. The instrument allows a sub-wavelength lateral resolution which is more than two orders of magnitude smaller than the operating wavelength, opening the way to a local characterization. The cavity perturbation and transmission line approaches have been used to extract the electromagnetic properties of materials. In particular dielectric properties of saline aqueous solutions and complex impedance of graphene have been investigated in a broad frequency band. It provides a quantitative analysis of material properties in a non-destructive manner to address numerous applications in many scientific fields. Finally, all the results together show that the interferometer-based near-field microwave microscope has the potential to become an important metrology tool for characterizations in micro- and nano-electronics.

Ce travail présente le développement d'une nouvelle technique d'imagerie thermique utilisant une nanoparticule fluorescente comme capteur de température. La particule est fixée à l'extrémité d'une pointe de microscope à force atomique. En contact avec une surface ou un dispositif plus ou moins chaud, la fluorescence de la particule varie et permet de déterminer la température. La particule utilisée contient des ions de terres rares (erbium et ytterbium) dont certaines raies d'émission sont en équilibre thermique. La mesure de l'intensité relative de ces raies permet de déterminer la température absolue du matériau, et donc de la surface avec lequel il est en contact. Nous avons tout d'abord utilisé cette technique pour étudier l'échauffement de pistes résistives (aluminium et nickel) parcourues par un courant continu. Dans le cas de pistes d'aluminium, la résolution latérale thermique que nous avons obtenue est d'environ 250 nm, de l'ordre de la taille de la particule fluorescente. Nous avons ensuite utilisé cet instrument pour observer l'échauffement de pistes parcourue par un courant alternatif. Ce mode permet d'observer où sont localisées les variations de température, mais ne permet pas pour l'instant de déterminer la température absolue du dispositif. A l'aide de ce mode de fonctionnement, nous avons observé l'échauffement dans des pistes de nickel dont la largeur est de l'ordre de 200 nm. Enfin, en effectuant des courbes d'approche/retrait, nous avons aussi pu mesurer l'importance relative des différents mécanismes de transfert de chaleur entre la pointe et la surface. Dans le cas de pistes de taille submicronique, le transfert de chaleur par contact direct est de loin le plus efficace.

Ce document synthétise mes travaux de recherches sur la période 2002-2009. Les axes majeurs de mon activité portent sur le couplage de molécules avec des particules métalliques, supportant des modes plasmons (SPP) : - Microscopie et spectroscopie optiques en champ proche, - Relaxation moléculaire par couplage aux plasmons, en particulier, la possibilité de modifier les propriétés d'émission de molécules par couplage avec des structures métalliques, – Composants plasmoniques pour la photonique intégrée, où, à l'inverse, l'ingéniérie de matériaux optiques (polymères dop´es, non linéaire, . . .) permet de contrôler la propagation de SPPs le long de films métalliques. Finalement, je démontrerai que ces axes peuvent converger vers la notion d'antenne plasmonique, axe que je souhaite d´evelopper dans les prochaines ann´ees. A chaque fois que cela sera possible, je replacerai dans le contexte national ou international mon apport dans ces thématiques.

Thèse doctorat : Nucléaire et Thermique : Villeurbanne, INSA : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. à la fin de chaque chapitre.

Dans la conception d’un système en électronique de puissance par exemple dans le cas d’un convertisseur ou d’un filtre CEM, les problèmes de la compatibilité électromagnétique ne sont pris en compte que lors de la phase finale durant des tests de vérification et de certification du système. Ainsi un prototype non-conforme à ces tests va engendrer des surcoûts importants ou l’adoption de solutions de « secours » non nécessairement reproductibles et surtout non satisfaisantes car elles impliquent dans la majorité des cas l’ajout d’éléments initialement non prévus (filtres, blindages, ‘). Aussi, il s’avère important et utile d’étudier les problèmes de la CEM dès la phase de conception, c’est l’objectif principal de ce travail de recherche.L’objectif de ce travail est d’établir des modèles permettant de prédire le couplage en champ proche entre les systèmes ou les sous systèmes, comme par exemple entre les éléments constituant un convertisseur. Cette « brique élémentaire » de modélisation est un élément actuellement manquant pour contribuer à la modélisation globale des systèmes d’électronique de puissance d’un point de vue CEM. Pour ce faire, il suffit de recréer le champ électromagnétique rayonné par chacun des systèmes, qui sera représenté comme une source équivalente.Ces sources équivalentes seront utilisées pour calculer le couplage entre les différents éléments en fonction de la distance et de leur placement respectif. La détermination de ces différents couplages nous aidera à mieux optimiser la position des différents composants au sein de la structure pour minimiser les perturbations et augmenter son efficacité.Le modèle construit qui représente le rayonnement en champ proche des différents éléments nous permettra de fournir des bibliothèques qui seront intégrées par la suite dans un logiciel de type circuit, pour une modélisation « globale » du système. / To design a system in power electronics, for instance a converter or an EMC filter, the problems of electromagnetic compatibility are taken into account during the final phase of testing, verification and certification of the system. The aim of our research is to consider the problems of EMC early in the design flow of a product. The objective of this work is to develop models to predict the near-field coupling between systems or subsystems, such as between elements of a converter. To do this, it is important to re-create the electromagnetic field radiated by each system, which will be represented as equivalent source. These equivalent sources are used to compute the coupling between the different elements depending on the distance and their respective position. The determination of these couplings can allow optimizing the position of the components in the structure to minimize the electromagnetic interferences and increase the performance of the system. The method used for the implementation of this approach is the multipolar expension, it can model the influence of generic structures (coils, capacitors, ...) in a spherical reference (r,θ, φ).This representation allows the construction of equivalent field sources for each element. For information or to validate some of our equivalent models, we used the software Flux3D®which is a calculation tool based on the finite element method, developed by CEDRAT andG2Elab.Furthermore, it was important to use a measurement protocol that allows us to inform or validate our models if we do not know all the electrical and geometrical parameters of the system or when the system have a too complex geometry to be modeled numerically in 3D.A measurement bench that can directly measure the components of the decomposition in spherical harmonics is used. The constructed model which represents the near-field radiation of the different elements will allow providing libraries that will be integrated later in a circuit software.

Le contexte d'intensification du déploiement de tout type de réseau de communication sans fil motive la mise au point d'outils de prédiction électromagnétique de plus en plus précis.<br /><br />Par ailleurs, la complexité environnementale grandissante des antennes nous amène à dissocier les zones de champ proche et lointain.<br /><br />D'un côté, dans la zone de champ lointain, les méthodes asymptotiques hautes fréquences basées sur le concept de rayon sont privilégiées. Nous avons utilisé la théorie uniforme de la diffraction (TUD) pour mettre au point ICARE-EM, version électomagnétique d'un logiciel préalablement développé pour l'acoustique au CSTB.<br /><br />De l'autre côté, dans la zone de champ proche, ce sont les méthodes rigoureuses ou expérimentales qui sont les plus pertinentes. Nous avons appliqué la méthode des moments (MoM) au problème de la<br />propagation électromagnétique. Mais nous avons également utilisé les techniques de champ proche développées à Supélec. Nous avons appliqué ces<br />méthodes au système de coordonnées cylindriques.<br /><br />Puis, afin de disposer d'un outil global de prédiction, nous proposons une formulation intégrale du champ électromagnétique.<br />Cette formulation permet de faire le lien sur une surface de couplage entre les méthodes asymptotiques utilisées dans la zone de champ lointain et les méthodes rigoureuses ou expérimentales adaptées à la zone de champ proche. Une condition aux limites spécifique permet d'obtenir une forme compacte de cette représentation intégrale. La fonction de Green dyadique associée à<br />l'extérieur de la surface de couplage est estimée par ICARE-EM. La source et son environnement proche sont quand à eux caractérisés par une mesure en champ proche ou un calcul numérique exact par la MoM.<br /><br />La validité de cette méthode de couplage a été montrée dans le cas canonique de la diffraction par une sphère métallique et dans le cas plus général de deux plaques métalliques éclairées par un dipôle<br />électrique ou par une antenne de station de base. Des mesures dans la chambre anéchoïque de Supélec ont permis de caractériser expérimentalement les différentes configurations.

Le principe de la RMN repose sur la détection de l'aimantation provenant de spin des noyaux atomiques tels que 13C, 31P et 1H. L'échantillon est placé dans un champ magnétique statique, qui polarise l'ensemble des spins. Ces derniers sont ensuite excités par les impulsions radiofréquences (environ un mètre de longueur d'onde), qui font basculer l'aimantation de ces spins dans le plan transversal. Lorsque l'aimantation retourne à sa position d'équilibre, il génère un champ électromagnétique qui est classiquement détecté par une antenne réceptrice (bobine avec un circuit d'accord/d'adaptation) à couplage inductif. Dans ce travail, nous proposons l'utilisation d'une sonde de taille micrométrique placée au voisinage de l'objet d'intérêt, à une distance bien plus courte que la longueur d'onde du signal de RMN rayonné. Notre microsonde présente des caractéristiques innovantes (i) un couplage capacitif (composante du champ électrique), (ii) une dimension réduite pour un positionnement précis, qui assure la détection du signal de RMN de l'échantillon et (iii) une détection à large bande, ce qui permet de l'utiliser pour détecter différents noyaux sans être accordée à la fréquence de Larmor. Pour vous présenter cette nouvelle alternative, les outils nécessaires à la compréhension de ce travail, en l'occurrence le principe de la RMN et de l'IRM et une introduction de la théorie du champ proche électrique sont donnés. Nous avons fait aussi un état de l'art des méthodes et techniques existant pour mesurer le signal RMN afin de recenser les avantages qu'un tel système (méthode : couplage capacitif et dispositif : microsonde de champ proche) peut apporter à la technique RMN. Ensuite, nous avons caractérisé notre microsonde pour améliorer sa détection hyper localisée, nous avons démontré que le signal RMN récupéré par notre antenne peut être décrit par l'expression du champ proche électrique :E(x, z) = A(Kz ) exp(i(z/L)) exp(−x/L) + Terme Propagatif. Enfin, nous avons appliqué notre système à des études RMN comme la spectroscopie, la relaxométrie ou encore de l'imagerie RMN. Nous avons aussi énoncé certains projets potentiels à la continuité de ce travail. / The principle of NMR is based on the detection of the magnetization originating from the spin of atomic nuclei such as 13C, 31P and 1H. The sample is placed in a static magnetic field, which polarizes the ensemble of spins and it is excited by radiofrequency pulses (wavelength about one meter), that tilt the axis of the magnetization. When the magnetization returns to equilibrium, it generates an electromagnetic field which is classically detected by a receiving antenna (coil with atuning/matching circuit) in inductive coupling.In this work, we propose the use of a micrometer-sized probe positioned in the vicinity of the object of interest, at a distance well shorter than the wavelength of the radiated NMR signal.Our microprobe presents innovative characteristics (i) a capacitive coupling (electric field component), (ii) reduced dimensions for an accurate positioning, which ensure the detection of NMR signal from the sample and (iii) it has a broadband, which allows use to detect any nuclei without being tuned to the Larmor frequency.To introduce you this new alternative, the tools necessary to the understanding of this work, in this case the principle of NMR/MRI and an introduction of the theory of the electric near field are given initially.We made also a state of the art of existing methods and techniques for measuring the NMR signal to identify the benefits that such a system (method : capacitive coupling and device : microprobe near field) can bring to the NMR technique.Then, we have characterized our microprobe to enhance its localized detection due to its small size (127 μm in diameter and 2mm in length). In this stage of characterization, we demonstrated that the NMR signal recovered by our antenna can be described by the electric near field expression :E(x, z) = A(Kz ) exp(i(z/L)) exp(−x/L) +Propagative TermFinally, we applied our system to make NMR studies such as spectroscopy, the relaxometry and NMR Imaging. We have outlined some potential projects to the continuity of this work.

Les nanostructures métalliques ont la capacité de supporter des résonances de plasmons de surface localisés se caractérisant par une oscillation collective des électrons libres du métal. Ce phénomène, connu pour générer localement un champ électrique intense, peut notamment être exploité afin d'exalter les processus d'optique non-linéaire à l'échelle nanométrique. Au cours de cette thèse, nous nous sommes intéressés au processus de génération de second harmonique (SHG) de nanostructures en aluminium et en or. Tout d'abord, nous avons étudié l'origine du processus non-linéaire et mis en évidence le rôle important joué, dans l'or, par la contribution non-locale, issue des gradients de champ dans le volume de la nanostructure. Ensuite, nous avons montré, en associant un phénomène de double résonance et un accord des modes plasmoniques à l'excitation et à l'émission, qu'il est possible d'exalter fortement la réponse harmonique d'une nanoantenne compacte en aluminium. Dans l'optique d'obtenir une intensité non-linéaire encore plus importante, une stratégie est de coupler ces nanostructures à un nanocristal non-linéaire afin de bénéficier à la fois de la forte exaltation du champ générée par le métal et de la non-linéarité du cristal. Afin d'optimiser l'intensité harmonique générée par ces structures hybrides, disposer de nanocristaux possédant une forte non-linéarité intrinsèque est nécessaire. C'est pourquoi, au cours de cette thèse, nous avons mesuré la réponse harmonique de nanocristaux d'iodates de lantane isolés, afin d'estimer leur potentiel pour intégrer ce type de structure. De plus, un microscope optique en champ proche a été mis en place sur le dispositif expérimental permettant la manipulation de nanocristaux à proximité de structures métalliques. Cette thèse, en apportant de nouveaux éléments pour comprendre et optimiser le processus de SHG dans les nanostructures plasmoniques, offre de nouvelles perspectives pour confectionner des composants optiques efficaces pour la conversion de fréquence à l'échelle nanométrique. / Plasmonic nanostructures have the ability to support localised surface plasmon resonances characterized by a collective oscillation of the free electrons in metal. This phenomenon, know to generate an intense local field, can be used to enhance nonlinear optical processes at the nanoscale level. In this thesis, we have investigated the second harmonic generation (SHG) process in aluminum and gold nanostructures. First, we have studied the origin of this nonlinear process and highlighted the major role played, in gold, by the bulk nonlocal contribution, originating from the field gradients inside the nanostructure volume. Then, we pointed out, by achieving a double resonance regime associated with a plasmonic mode matching at the excitation and emission, the possibility to enhance significantly the harmonic response of compact aluminum nanoantennas. In order to increase even more the nonlinear intensity, an idea is to couple these nanostructures to a nonlinear nanocrystal to benficiate both from the field enhancement provided by the metallic nanoantenna and from the nonlinearity of the nanocrystal. To optimise the harmonic intensity generated by these hybrid structures, have nanocrystals with a strong intrinsic nonlinearity is required. To this end, we have measured the harmonic response of single latanide iodate nanocrystals, in order to evaluate their ability to integrate this type of structure. Moreover, we have implemented a near-field optical microscope used to manipulate nancorystals in the vincinity of metallic nanostructures. This thesis, by bringing new elements to understand and optimise the SHG process in plasmonic nanostructures, provides new perspectives to elaborate efficient optical components to frequency conversion at the nanoscale.

Dans le domaine de la sécurisation des circuits intégrés, tel que les cartes à puce, les concepteurs de circuits sont contraints à innover, inlassablement, afin de trouver de nouvelles parades aux nouvelles attaques, notamment par canaux cachés. En effet, ces attaques, comme l'analyse des émissions électromagnétiques, permettent d'extraire des informations, contenues à l'intérieur des circuits, sensées être secrètes. Partant de ce constat, dans cette thèse, nous nous sommes focalisés sur l'étude et l'analyse électromagnétique et ce afin de quantifier les possibilités de ces attaques. Ce manuscrit est organisé de la manière qui suit. Dans un premier temps, une plateforme de mesures des émissions électromagnétiques temporelles, que nous avons développées, est présentée, ainsi que des résultats qui ont été obtenus, avec celle-ci, sur différents circuits. A partir de ces résultats, une synthèse des possibilités, relatives à la menace sécuritaire que constituent les analyses électromagnétiques est proposée ainsi que, des propositions de solutions, visant à réduire le rayonnement électromagnétique des circuits intégrés. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés aux méthodes de simulation de ces émissions électromagnétiques. Un état de l'art, des outils de simulation existants aujourd'hui, nous a permis de mettre en évidence qu'aucun d'eux ne permet d'avoir une résolution suffisamment fine en termes d'émissions électromagnétiques. Afin de combler ce manque, un flot de simulation a été développé. Pour valider ce flot, une comparaison entre les résultats de mesure et les résultats de simulation a été effectuée. / In the area of secure integrated circuits, such as smart cards, circuit designers are always looking to innovate to find new countermeasures against attacks by the various side channels that exist today. Indeed, side channels attacks such as the analysis of electromagnetic emissions permit to extract secret information contained in circuits. Based on this observation, in this thesis, we focused on the study of electromagnetic analysis to observe the analysis possibilities. This manuscript is organized as follows. Initially, we presented a measurement system for electromagnetic emissions in time domain, and the results obtained on different circuits. From these results, a summary of opportunities, relating to the security threat, posed by electromagnetic analysis, is proposed as well as solutions proposals to reduce electromagnetic radiations of integrated circuits. In a second step, we are interested in the simulation of electromagnetic emissions. A state of the art of simulation tools which exist today, has allowed us to demonstrate that none of them allowed to have a fine enough resolution in terms of electromagnetic emissions. To fill this gap, a simulation tool has been developed and to validate this flow, a comparison between measurement results and simulation results was performed.

Les microscopes en champ proche micro-ondes sont des outils émergents pour la caractérisation des matériaux. Dans ce travail, une sonde de champ proche a été conçue, décrite et analysée en termes de performance et de résolution. Cette sonde a été associée à deux microscopes en champ proche micro-ondes. Le premier microscope est basé sur de la réflectométrie en intensité et a permis d'évaluer la qualité et la résolution latérale de la sonde. Cette résolution peut atteindre une dimension sub-longueur d'onde ouvrant la voie pour une caractérisation locale des matériaux. La seconde expérience présente la conception d'un banc de caractérisation des matériaux. Ce système met en œuvre un mélangeur I/Q afin d'extraire l'information en intensité et en phase de l'interaction en champ proche. Enfin, la dernière expérience concerne l'injection électromagnétique en champ proche d'un signal hors-bande sur un module de communication. L'ensemble des résultats montrent que l'expérience d'injection en champ proche a le potentiel pour devenir un outil de métrologie important pour l'étude de la susceptibilité. / Microwave near-field microscopes are emerging tools for material characterization. In this work, a near-field probe was designed, described and analyzed in terms of performance and resolution. This probe has been associated with two microscopes in the near microwave field. The first microscope is based on intensity reflectometry and evaluated the quality and lateral resolution of the probe. This resolution can reach a subwavelength dimension, opening the way to local characterization of materials. The second experiment presents the design of a materials characterization bench. This system uses an I/Q mixer to extract information in intensity and phase of near-field interaction. Finally, the last experiment concerns electromagnetic injection in the near field of an out-of-band signal on a communication module. The overall results show that the near-field injection experiment has the potential to become an important metrology tool for susceptibility studies.