Thèse doctorat : Dispositifs de l'Electronique Intégrée : Villeurbanne, INSA : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 135-146.

Ce travail s'inscrit dans le contexte des microscopies optiques à très haute résolution. Nous proposons un nouveau concept de sonde active pour la microscopie optique en champ proche (SNOM), exploitant les effets de génération de second harmonique (SHG) de molécules. L'idée développée vise à s'affranchir de l'une des principales limitations des sondes actives fluorescentes réalisées jusqu'à présent : l'accrochage des sondes à l'extrémité de la pointe SNOM, étape toujours délicate et souvent peu fiable. Pour ce faire, nous avons mis en œuvre une technique qui consiste à utiliser la localisation du champ électrique au sein d'une jonction pointe métallique-substrat conducteur immergée dans une solution de molécules non-linéaires dipolaires. L'interaction champ-molécules entraine l'orientation locale un nano-volume de ces molécules dont l'excitation par un laser permet ensuite la génération d'un signal de second harmonique. Après avoir validé ce concept dit de " nano-EFISHG " (Electric Field Induced SHG) nous avons conçu un nouveau banc expérimental, dédié à l'imagerie de second harmonique haute résolution : celui-ci a permis d'obtenir les premières images présentant un contraste de second harmonique sur un échantillon structuré à l'échelle micronique.Nous avons ensuite travaillé à l'optimisation de la résolution de l'expérience mise en place : nous avons notamment démontré la possibilité de tirer parti d'effets d'exaltation locale du champ électromagnétique se produisant à l'extrémité de pointes ou de nano-objets métalliques. L'extrapolation des résultats obtenus montre que de telles exaltations devraient permettre d'atteindre des résolutions de l'ordre de 50 nm.

Ce travail de thèse à été financé par le projet LICORVE (Développement de garnitures légères, innovantes, recyclables et poly-sensorielles pour les applications de coffres de véhicule). Il consiste à développer une méthodologie de mesure pour localiser et caractériser les sources de bruit dans un coffre de voiture. L'environnement de mesure se caractérise par un petit volume où les réflexions de la source d'intérêt et des sources perturbatrices sur les parois ne peuvent être négligées. La méthode doit donc permettre de séparer les différents contributions pour estimer le plus précisément possible les sources étudiées (déconfinement). Dans un premier temps, deux méthodes de séparation : Double Layer SONAH (Statistically Optimal Near el Acoustical Holography) et Field Separation Method (FSM) sont étudiées numériquement. Les limites et avantages de chacune ont été déterminés dans un environnement de mesure confiné. Cela a permis de choisir la méthode la plus adaptée à notre problématique. Dans un deuxième temps les principales conclusions de l'étude numérique sont validées expérimentalement. Dans ce cadre, un ensemble de mesures sont réalisées dans une maquette avec la méthode FSM pour localiser et caractériser des sources maitrisées. Après avoir validée la fiabilité de la méthode de séparation, FSM a été mise en œuvre dans le coffre d'une Peugeot 508 sw en condition de roulement. Les résultats obtenus ont permis d'orienter le choix des garnitures pour un traitement acoustique optimal.

En microscopie optique en champ proche (NSOM, Near-Field Scanning Optical Microscopy), une source de lumière de dimension très inférieure à la longueur d'onde est approchée de l'échantillon à étudier, à des distances très inférieures à lambda. En balayant la sonde en face de l'échantillon, on reconstruit une image optique d'une résolution non limitée par la diffraction, mais par la taille de la source de lumière utilisée. L'utilisation d'une nanoparticule (de taille de l'ordre de 10 nm) luminescente unique comme source de lumière permettrait donc d'avoir accès à des résolutions réellement nanométriques.<br />Nous avons développé un microscope dual confocal/NSOM adapté à l'étude et l'utilisation de telles nanoparticules. A l'aide de ce microscope, nous avons acquis des images construites en utilisant la fluorescence d'un nanocristal de CdSe/ZnSe unique (~ 4 nm) rapporté en extrémité d'une pointe NSOM normale comme source de lumière. Le caractère intermittent de cette fluorescence, combiné avec le photoblanchiment de ces nanocristaux, ont empêché de reconstruire des images complètes permettant de quantifier la résolution latérale atteinte. Notre recherche s'est ensuite portée vers la caractérisation d'autres nanoparticules dont la luminescence ne présente ni blanchiment, ni clignotement. Le premier type de particules présentant ces caractéristiques sont des agrégats de YAG :Ce3+ produits par LECBD, d'une taille inférieure à 5 nm. Nous décrivons les premières caractérisations optiques de ces nanoparticules. La seconde alternative réside dans les nanoparticules de diamant dopées avec des centres NV. Nous avons démontré que notre dispositif permet de sélectionner les nano-diamants qui sont fluorescents, de mesurer leur taille et, dans le cas des particules fluorescentes, de déterminer celles qui hébergent un seul centre NV unique dont l'état de charge est de plus déterminé in situ. Nous montrons ainsi que notre NSOM détecte aisément le centre NV unique dans une nanoparticule de diamant de 25 nm. Cette démonstration ouvre la perspective de pouvoir utiliser une telle particule mais de taille arbitrairement petite comme source de lumière.

Nous avons développé un microscope versatile combinant microscopie de force (AFM) et microscopie à effet tunnel (STM) à très basse température. Ce microscope permet d'étudier la densité locale d'états électroniques (LDOS) sur des nanocircuits supraconducteurs polarisables en courant.<br />La sonde du microscope est basée sur un diapason en quartz qui permet une détection entièrement électrique des interactions pointe-surface en mode AFM et qui hors résonance propose la rigidité nécessaire à la stabilité de la jonction tunnel en mode STM. Le diapason est bien adapté à un environnement cryogénique, dissipant une énergie inférieure à 1 nW. Notre microscope atteint en mode AFM la résolution atomique selon l'axe vertical et autorise en mode STM des jonctions tunnels de consigne Rtunnel < 10 MOhms<br />Nous avons développé un procédé de nanofabrication pour mettre au point des fils supraconducteurs de niobium (Nb) ayant pour section 10 x 300 nm2. Ce procédé permet d'obtenir une surface de Nb avec une rugosité subnanométrique.<br />Nous décrivons également la fabrication des pointes que nous collons sur les diapasons pour en faire des sondes.<br />Les LDOS mesurées à T=100 mK sur les fils de Nb sont comparées à la théorie BCS prenant en compte une énergie relative au processus inélastique, appelée paramètre de Dynes. Nos mesures sont en très bon accord avec ce modèle, en prenant en compte une température électronique effective supérieure à la température du cryostat. Enfin nous mesurons la LDOS sur un fil de Nb polarisé en courant qui démontrent la faisabilité des mesures de supraconductivité hors-équilibre par STM.

Les Micro et Nano Electro Mechanical Systems (MEMS et NEMS) font partis des meilleurs candidats pour les mesures d'interactions a l'echelle nanometrique. La resolution en force de l'ordre de l'attonewton a ete exploit ee avec succes aussi bien pour mesurer le poids de molecules uniques que pour la mesure du spin d'un electron unique. Les NEMS et les MEMS sont generalement des systemes fabriques a partir de composants sub-microniques l'un en face de l'autre. Lorsque leur distance atteint l'echelle sub-micronique, phenomenes generalement negliges, doivent ^etre pris en compte lors d'applications microscopiques. Les interactions mecaniques entre deux surfaces separees de moins d'un micron sont regies par des forces qui, dans des systemes macroscopiques, sont souvent negligeables. Dans ce travail de these, nous etudions les forces d'interaction entre surfaces separees par une distance allant de quelques nanometres a plusieurs micrometres. Premierement nous traiterons du probleme des forces hydrodynamiques agissant sur des micro-structures oscillantes en environnement visqueux. Nous montrerons que l'eet d'amortissement d'un uide conne depend de la taille du connement. Nous etudierons comment cet eet de connement peut modier les proprietes de cet oscillateur mecanique. Dans un second temps nous poserons le probleme des forces optiques agissant sur les micro-oscillateurs mecaniques. Par l'utilisation de l'absorption et de la diraction des faisceaux de rayons X nous verrons que les eets habituellement observes en lumiere visible le sont aussi par rayons X. Nous montrerons que les MEMS et potentiellement les NEMS sont des systemes adequates pour le developpement de nouveaux outils pour les techniques de la lumiere Synchrotron. Enn nous etudierons la radiation thermique entre deux surfaces a une distance micronique et sub-micronique ou la contribution des composantes champs proche ne peuvent plus ^etre negligees. Nous presenterons les mesures de radiation thermique entre deux surfaces de verres amenant une comparaison avec la theorie de la radiation thermique basee sur l'electrodynamique stochastique.

Pour connaître l'état magnétique d'un objet complexe, bien souvent, la seule solution est de mesurer l'induction créée par la pièce en un nombre discret de points. La difficulté est alors de remonter à l'aimantation à partir de ces mesures. Une modélisation des * sources magnétiques est d'abord recherchée. La décomposition en harmoniques sphériques du champ mesurable ainsi que la recherche de dipôles normaux équivalents répartis sur la surface de l'objet sont étudiées. Leurs avantages et inconvénients étant très complémentaires, un nouveau modèle, synthèse des deux précédents, est proposé. Ensuite, l'utilisation d'un algorithme bayésien permet d'intégrer dans la projection de la mesure sur le modèle, les incertitudes et incohérences créées par l'imperfection de la mesure. En contrepartie, nous n'obtenons plus qu'un intervalle de confiance sur les valeurs recherchées. Enfin, une étude paramétrique analytique permet de connaître les performances du système. En particulier, le choix du type de capteurs de mesure est abordé.

Les travaux présentés dans ce mémoire proposent une méthodologie d'étude des interférences électromagnétiques dans les systèmes intégrés RF. Cette thèse se focalise sur les problèmes de couplage rayonné en champ proche entre différentes parties d'une puce électronique ou entre circuits intégrés d'une carte.Ensuite cette méthodologie est appliquée sur deux cas d'études à différentes échelles, dans le premier cas l'étude du couplage entre un amplificateur de puissance 3G et un transceiver est présentée puis un modèle de couplage est réalisé reproduisant les effets parasites observés lors des mesures. Puis une étude pour extraire et évaluer les couplages entre blocs, ici inductance d'un VCO et structures proches, d'une puce électronique. Ensuite un modèle d'émission champ proche de ce circuit est proposé.Ces travaux mettent en évidence l'intérêt de réaliser des études CEM à chaque phase de conception d'un circuit ou d'un système ainsi que l'intérêt des mesures champ proche qui permettent de réaliser de l'investigation et du diagnostic CEM / The work presented in this PhD suggest a methodology for the study of electromagnetic interference in RF integrated systems. This thesis focuses on the problems of near-field radiated coupling between different parts of a chip or between ICs.Then this methodology is applied to two case studies on different scales, in the first case study the coupling between a 3G power amplifier and a transceiver is presented then a model of the coupling is made reproducing parasitic effects observed in measurements. Then a study to extract and evaluate the coupling between blocks, between a VCO inductor and nearby structures of a microchip. Then a near-field emission model of this circuit is proposed.These works demonstrate the interest of EMC studies in all phases of designing a circuit or system and the interest of near-field measurements that allow the realization of the investigation and diagnosis of EMC

Longtemps cantonnées au visible et au proche IR, des nanostructures résonantes sont à présent réalisées dans l’IR, notamment en vue d'applications spectroscopiques. Pour étudier la réponse de ces nanostructures des moyens de caractérisation spécifiques doivent être mise en œuvre. Nous considérons la réponse IR de nano-structures et développons des outils à même de les caractériser. Nous nous sommes intéressés à des échantillons pouvant présenter des modes localisés de surface associés à des Plasmons Polaritons au sein de semiconducteurs fortement dopés ou des Phonons Polaritons dans des matériaux semiconducteurs polaires comme SiC. Cette étude a été menée d’abord en champ lointain (Spectroscopie à Transformée de Fourier et analyse Kramers-Kronig) pour étudier la réponse collective des nanostructures. Nous montrons que la fonction diélectrique de l’échantillon structuré peut être représentée par un oscillateur de Lorentz amortit modifié. Une permittivité effective est aussi déterminée par l’emploi de matrices de transfert pour rendre compte de la réflectivité complexe. L’étude en champ proche permet ensuite d’obtenir une réponse individuelle des structures. Nous développons ici une méthode d’extraction novatrice de l’amplitude et de la phase du signal avec un rapport signal à bruit optimum. Après avoir théoriquement et expérimentalement démontré la pertinence de l’approche, la signature de SPP localisés a pu être observée par des cartographies de champ complexe en fonction de la longueur d’onde. Les images obtenues sont confrontées à des simulations électromagnétiques et discutées / We studied the response of a nano-structured material to an IR electromagnetic excitation. For a given geometry, this response is dictated by the dielectric function to which phonons and free carriers contribute. In case of defect-free semiconductors the phonon response is the dominant term; however when we consider doped semi-conductors the plasmon response plays a major role. In both case, the permittivity functions can be negative with small losses which permits a resonant coupling between the surface modes and the electromagnetic excitation. Our work focuses on the development of experimental tools to analyze both SPP and SPhP. This study was conducted in the far-field regime to see a collective response and in the near-field regime to study nano-structures individually. In far-field, the experimental spectroscopic response of the material was conducted by Fourier Transform Infrared Reflectivity and Kramers-Kronig analysis. Quantitative information on the dielectric function was extracted using a modified Lorentz damped oscillator to fit the reflectivity. An effective permittivity is also retrieved using a transfer matrix method. The near-field study was done in a two-step procedure. The first step was the development of an innovative detection technique with optimum signal to noise ratio. The second step was the implementation of this technique to NSOM after proving its success. LSPP were detected using the developed NSOM. A spectroscopic study was performed as well. Experimental results were compared to theoretical ones obtained with electromagnetic simulations

Les travaux de thèse sont axés sur le développement de nouvelles techniques de caractérisation basées sur la variation de la réponse d’un résonateur, réponse modifiée par les propriétés diélectriques ou métalliques d’un matériau sous test. La première méthode utilise la microscopie microonde en champ proche pour la caractérisation résonante et non destructive de matériaux diélectriques dans la bande ISM (2,45 GHz).Celle-ci permet de déterminer les propriétés électromagnétiques (permittivité relative, tangente de pertes) des échantillons diélectriques solides de faible volumepar rapport à la longueur d’onde de mesure, et cela sans aucun traitement préalable. La connaissance de ces paramètres est essentielle pour fournir des informations critiques nécessaires pour la conception, la modélisation et la fabrication de circuits microondes. Une deuxième approche vise l’étude et le développement d’un nouveau capteur à base de céramique, économique, sensible, et pouvant s’intégrer dans un système sans fil pour la détection et la caractérisation du degré de corrosion. Ces nouveaux capteurs fournissent des informations sur l'état de l'équipement opérationnel d’une structure cible afin d'assurer la sécurité de cette dernière et par conséquent celle de leurs utilisateurs. Pour ces deux axes d’études, des simulations sur des logiciels de calcul électromagnétique ont été effectuées puis validées par des mesures expérimentales. / This Ph. D thesis focuses on the development of new characterization techniques of dielectric and metallic materials in the ISM band (2.45 GHz). The first proposed method is based on non-destructive near field microave microscopy. This technique allows the determination of the electromagnetic properties (permittivity, loss tangent) of solid dielectric samples of small volume without prior treatment. The knowledge of these parameters is essential to provide critical information needed for accurately designing, modeling and manufacturing microwave circuits. A second study focuses on the development of a new, ceramic based, sensitive and economic sensor that can be integrated in a wireless system for the detection and characterization of the corrosion evolution. These new sensors provide information about the state of the operational equipment of the target structure in order to ensure the safety of these structures and therefore that of their users. In these two studies, simulations on electromagnetic calculation software have been performed and validated by experimental measurements.