Cette thèse est consacrée à l'étude des modes acoustiques de nanostructures en réseaux. Les fréquences de vibration de nanostructures se situent dans la gamme hypersonore (1 GHz-1 THz). Leur organisation en réseau de pas sub-micronique implique l'existence de modes acoustiques collectifs dans cette même gamme de fréquences. L'objet de ce travail est la mise en évidence de ces modes. Nous avons utilisé la lithographie électronique pour réaliser des réseaux à deux dimensions de nano-cubes métalliques. Leurs vibrations ont été résolue en temps par acoustique picoseconde. Cette technique de pompe-sonde optique permet d'exciter et de détecter des ondes acoustiques de fréquences hypersonores. Deux catégories de modes acoustiques ont été mises en évidence. Les modes individuels de vibration des cubes et les modes collectifs d l'ensemble. Les modes collectifs sont étudiés dans des séries de réseaux de différents pas. Leur propagation a lieu dans le plan des réseaux suivant un ensemble discret de vecteurs d'ondes. Un modèle analytique permet de reproduire leur fréquence en fonction des paramètres géométriques et élastiques du système. Enfin la détection de ces modes relève d'un mécanisme inédit, probablement lié à l'excitation de plasmons de surface dans l'échantillon / This thesis is devoted to the study of the acoustic modes of nanostructures ordered as lattices. The vibration's frequencies of nanostructures are in the hypersonic range (1 GHz-1 THz). Their lattice organization with sub-micronic repetition step leads to collective acoustic modes in the same frequency range. This works aims to demonstrate these modes. We used electronic lithography to fabricate two dimensionnal lattices of metallic nano-cubes. Their vibrations we time-resolved by picosecond ultrasonics. This optical pump-probe technique can excite and detect acoustic waves at hypersonic frequencies. Two kinds of acoustic modes were demonstrated. The proper modes of the cubes and the collective modes of the whole assembly. Collective modes are studied in lattices sets of various repetition step. They propagate in the lattices plane with a discrete set of wavevectors. An analytical model can explain their frequency as a function of the system's geometric and elastic parameters. Eventually the detection of these modes is due to a new mechanism, probably linked to the excitation of surface plasmons at the sample surface.

Cette thèse est consacrée à l'étude de la génération d'ondes acoustiques hautes fréquences par des nanostructures grâce à une impulsion lumineuse ultra-brève. Plus une onde acoustique a une fréquence élevée, plus elle est sensible à de faibles variations au sein du matériau qu'elle traverse. La montée en fréquence va donc permettre l'étude des propriétés acoustiques et mécaniques d'objets de plus en plus petit. L'objet de ce travail est l'étude par acoustique picoseconde de nanostructures permettant la génération d'ondes acoustiques, de surface ou longitudinales, de très hautes fréquences.Afin de pouvoir générer des ondes acoustiques de surface, nous avons étudié les vibrations de réseaux de nanostructures organisées. Un modèle a été mis en place permettant d'étudier ces vibrations collectives et leurs liens avec la génération d'ondes acoustiques de surface. Grâce à ce modèle, nous avons mis au point une méthode de caractérisation mécanique complète de films minces. Nous avons appliqué cette technique à différents matériaux et dans différentes conditions.Les boîtes quantiques ont été utilisées pour réaliser la génération d'ondes acoustiques longitudinales hautes fréquences. La démonstration de la génération d'ondes acoustiques par des boîtes quantiques a été réalisée dans différentes matériaux, puis nous avons mis au point un modèle capable de prédire les conditions expérimentales pour la détection d'ondes acoustiques dont les fréquences dépassent le terahertz. / This thesis is devoted to the study of the generation of high frequency acoustic waves by nanostructures using ultra-short laser pulses. The higher the frequency of an acoustic wave, the more sensitive it is to small changes inside the material it is propagating in. Reaching higher frequencies will allow the study of the elastic and mechanical properties of smaller structures. The aim of this work is the study by the picosecond ultrasonics technique of nanostructures that enable the generation of high frequency surface or bulk acoustic waves. In order to realize the generation of surface acoustic waves, we studied the vibrations of lattices of organized nanostructures. A model has been established to study those collective vibrations and their links to the generation of surface acoustic waves. Thanks to this model, we developed a method to realize the complete mechanical characterization of thin films. We applied this technique to various materials in different conditions.Quantum dots have been used to realize the generation of high-frequency bulk acoustic waves. The demonstration of the acoustic wave generation by quantum dots has been performed in numerous materials, then we developed a model able to foresee the experimental conditions that made the detection of acoustic waves with frequencies higher than one terahertz possible.

Cette thèse est consacrée à l’étude de certaines propriétés nouvelles des cristaux phononiques et des métamatériaux acoustiques. La plupart des simulations numériques a été réalisée à l’aide de la méthode F.D.T.D. Une partie préliminaire a porté sur l’existence de bandes interdites dans un cristal phononique 2D constitué de cylindres d’acier dans l’eau et notamment une application originale au démultiplexage. Dans ce travail, nous nous sommes plus particulièrement intéressés au cas d’un cristal phononique à résonances localisées présentant de multiples gaps basses fréquences, nettement en dessous du gap de Bragg. Le cristal étudié est constitué de cylindres concentriques de matériaux ayant des constantes élastiques très différentes, immergés dans une matrice fluide. Il présente plusieurs zéros de transmission basses fréquences dont on a étudié les comportements en fonction des paramètres physiques et géométriques. Nous avons montré comment élargir ces zéros de transmission pour obtenir des bandes de fréquences interdites. Nous avons calculé les paramètres effectifs autour d’une résonance et montré que la densité effective massique pouvait devenir négative sur une certaine gamme de fréquence. La dernière partie de ce travail est consacrée à l’étude d’une structure originale 3D, constituée de piliers déposés sur une plaque fine, qui permet d’obtenir l’ouverture d’un gap très basse fréquence par rapport au gap de Bragg. Nous avons étudié les conditions d’existence des bandes interdites ainsi que certaines propriétés de guidage et de filtrage. Enfin, nous avons étudié la transmission entre deux substrats par l’intermédiaire d’un réseau périodique de piliers. Nous avons mis en évidence une transmission exaltée, associée à une résonance de Fano. / This thesis is devoted to the study of some new properties of phononic crystals and acoustics metamaterials. Most of simulations were carried out using F.D.T.D. method. A preliminary part was devoted to the study of the existence of gaps in a 2D phononic crystal made up of steel cylinders in water and in particular an original application to demultiplexing. In this work, we are more particularly interested by a phononic crystal with localized resonances displaying several low frequencies gaps well below the Bragg gap. The studied crystal consists of concentric cylinders having different elastic constants, immersed in a fluid matrix. It presents several zeros of transmission at low frequencies whose behaviors were studied as a function of the physical and geometrical parameters. We showed how to widen these zeros of transmission to obtain prohibited gaps. We calculated effective parameters around a resonance and showed the possibility of negative effective mass density. The last part of this work is devoted to the study of an original 3D structure, consisted of pillars deposited on a thin plate, which makes it possible to obtain the opening of a very low frequency gap compared to the Bragg gap. We studied the conditions of existence of the forbidden bands as well as guiding and filtering properties of this structure. Finally, we studied the transmission between two substrates across a periodic array of pillars. We highlighted an enhanced transmission, associated to a Fano resonance.

Nous proposons deux méthodes pour calculer le spectre des ondes de cisaillement dans les cristaux phononiques (CP) 1D et 2D. Commençant notre étude par les CP 1D, nous développons la méthode des impédances scalaires pour la couche sur le substrat 1D.Le focus principal de ce travail est sur les CP 2D : en particulier, on considère la couche sur le substrat 2D, la plaque à conditions libres 2D et la couche entre les deux substrats 2D. Comme la matrice propagateur M à travers la cellule unitaire obtenue via l’expansion des ondes planes dans une coordonnée peut avoir des composants très grandes, notre approche consiste à la substituer par sa résolvante R= (zI−M)−1qui est numériquement stable (où z est un nombre complexe hors des pecM). Deux autres outils centraux définis par la résolvante, le projecteur spectral P de t propagateur Md pour les ondes évanescentes, entrent en jeu pour le cas des CP avec un substrat. La méthode de la résolvante, fournissant les équations de dispersion et du champ d’ondes en termes de R,P de tMd, a de multiples avantages. Elle est d’une bonne précision grâce à la solution exacte dans une coordonnée, efficace grâce à la réduction du problème à une seule cellule unitaire, même pour un substrat semi-infini, et polyvalente, puisque applicable pour les structures uniformes ou périodiques à 1D ou 2D. De plus, la méthode peut être généralisée aux CP à 3D et aux ondes vectorielles.Dans les exemples numériques, nous calculons les bandes d’arrêt de basse fréquence et les comparons avec les profils de symétrie axiale et les profils perturbées. / We propose two methods for calculating the shear waves spectra in 1D and 2D phononiccrystal (PC) wave guides. Starting this study with 1D PC, we consider the 1D-periodic coated substrate. Here we develop scalar impedance method providing efficient means for analysis and calculation of dispersion spectrum. The main focus of our work in on the 2D PC’s: the 2D PC layer on a substrate, the freePC plate and the PC plate sandwiched between two substrates.Since the propagator Mover a unit cell approximated by Fourier harmonics in one coordinate can have very large components, we introduce its resolvent R= (zI−M)−1(z is a complex number outside of specM) as a numerically stable substitute. Another two key tools given in terms of there solvent, a spectral projector Pd and propagator Md for the decreasing modes, come intoplay in the case of a wave guide with a substrate. The resolvent method providing simple dispersion and wave field equations in termsof R,Pd and Md has several advantages. It is of a good precision due to the exact solution in one direction, computationally cheap due to the reduction of the problem to one unitcell even in a semi-infinite substrate, and versatile since it is applicable to uniform, 1D- or 2D-periodic structures. More over, it is extendible to P/SVwaves and 3D PC.In numerical examples, we model low-frequency band gaps and compare them for the mirror-symmetric and perturbed profiles.

Cette thèse est consacrée à l'étude des modes acoustiques de nanostructures en réseaux. Les fréquences de vibration de nanostructures se situent dans la gamme hypersonore (1GHz-1THz). Leur organisation en réseau de pas sub-micronique implique l'existence de modes acoustiques collectifs dans cette même gamme de fréquences. L'objet de ce travail est la mise en évidence de ces modes. Nous avons utilisé la lithographie électronique pour réaliser des réseaux à deux dimensions de nano-cubes métalliques. Leurs vibrations ont été résolues en temps par acoustique picoseconde. Cette technique de pompe-sonde optique permet d'exciter et de détecter des ondes acoustiques de fréquences hypersonores. Deux catégories de modes acoustiques ont été mises en évidence. Les modes individuels de vibration des cubes et les modes collectifs de l'ensemble. Les modes collectifs sont étudiés dans des séries de réseaux de différents pas. Leur propagation a lieu dans le plan des réseaux suivant un ensemble discret de vecteurs d'ondes. Un modèle analytique permet de reproduire leur fréquence en fonction des paramètres géométriques et élastiques du système. Enfin la détection de ces modes relève d'un mécanisme inédit, probablement lié à l'excitation de plasmons de surface dans l'échantillon.

Une modélisation précise de la propagation et de l'absorption d'ondes acoustiques dans les matériaux poreux est un enjeu majeur notamment dans la lutte contre les nuisances sonores.<br />Des modèles issus de l'homogénéisation et permettant de décrire le comportement de tels<br />matériaux ont été développés depuis plusieurs années, qui s'intéressent à leur capacité d'absorption résultant d'effets visco-thermiques importants aux grandes longueurs d'onde (fréquences audio). Lorsque les longueurs d'ondes diminuent suffisamment (fréquences ultrasonores), des effets de diffusion multiple, entre la microstructure du matériau et l'onde acoustique le traversant, interviennent. Ces effets, qui ne sont pas considérés par les modèles classiques, ne sont pas faciles à introduire en raison de la complexité géométrique des matériaux poreux (à l'échelle microscopique).<br /><br />Pour cette raison, nous nous sommes limités à considérer un réseau périodique à deux dimensions constitué de cylindres rigides (aluminium) entourés d'un fluide dissipatif (air). Cette géométrie simple, aussi appelée "cristal phononique", présente des domaines fréquentiels dans lesquels aucune onde ne peut se propager (bandes interdites). Ce phénomène, connu et largement étudié, résulte d'effets de diffusion multiple (interférences). Les positions et les largeurs des bandes interdites sont prédites par de nombreuses méthodes de calcul tenant compte des effets de diffusion multiple en fluide non dissipatif. Dans ce travail, le problème de l'importance, non négligeable, des effets dissipatifs est soulevé. Des extensions permettant d'intégrer les effets visco-thermiques dans un modèle de diffusion multiple sont proposées. Elles permettent dans un premier temps, de mettre en évidence l'influence de ces effets dissipatifs sur la propagation dans un régime hautes fréquences. Pour cela, une comparaison entre les coefficients de transmission prédits et ceux, obtenus expérimentalement sur différents échantillons est réalisée. Dans un second temps, une étude numérique permet d'analyser la transition entre un domaine fréquentiel dominé par des effets visco-thermiques (exclusivement) et l'émergence des effets de diffusion multiple lorsque la fréquence augmente. Cette analyse montre notamment la limite de validité des modèles classiques issus de la théorie d'homogénéisation, pour la caractérisation acoustique des matériaux poreux.

La propagation des ondes ultrasonores à travers des cristaux phononiques CP à deux dimensions 2D constitués de diffuseurs solides dans des matrices solide et fluide est ici étudiée, ainsi que la caractérisation de ces milieux et leur application à l'imagerie acoustique. Les techniques expérimentales utilisées permettent une mesure complète des champs transmis à travers les cristaux. Les études sont menées dans des bandes fréquentielles autorisant les effets de réfraction négative indispensables à l'obtention d'une résolution inférieure à la limite de diffraction (super-résolution). De manière à compléter les analyses, différents outils théoriques sont exploités : Décomposition en Ondes Planes et Éléments Finis, notamment. La première partie du document concerne la réalisation et la caractérisation de cristaux phononiques possédant des propriétés nécessaires à la réalisation de systèmes d'imagerie acoustique : réfraction négative, contours équi-fréquences circulaires, accord d'indice, accord d'impédance. Cette première étude est menée sur un cristal à matrice solide, elle met en relief la possibilité de générer différents modes de Bloch au cours de la propagation. L'accord d'indice avec l'eau n'étant cependant pas obtenu, la seconde partie porte sur la réfraction négative et la focalisation des ondes à travers un CP à matrice fluide. Les propriétés du CP déterminées, le dernier chapitre s'attache à évaluer les performances des systèmes d'imagerie développés : dynamique et résolution.

Poursuivant l'essor des méta-matériaux micro-ondes et photoniques, les cristaux phononiques, organisations périodiques de matériaux acoustiquement différents présentant notamment des bandes d'arrêt, c'est-à-dire de plages de fréquences pour lesquelles aucun mode ne se propage dans la structure, laissent entrevoir des applications acoustiques hors de portée des technologies existantes. Dans cette thèse, nous visons des réalisations aux fréquences RF afin de viser des applications complémentaires des résonateurs ou des filtres acoustiques largement employés dans le domaine des transmissions sans fil. Nous avons tout d'abord développé un procédé de fabrication simple permettant de réaliser des cristaux phononiques à deux dimensions à l'échelle micrométrique sur membrane piézoélectrique, afin de rendre ces systèmes compatibles avec les composants à ondes de Lamb développés au CEA-LETI pour des applications de filtrage de canal dans des architectures de transmission sans fil faible consommation. Ce procédé a été utilisé pour réaliser des cristaux phononiques, ainsi que des résonateurs à ondes de Lamb, ou à ondes de volume et des structures plus complexes comme par exemple des filtres passe-bande. Une étude paramétrique des composants à ondes de Lamb nous a permis d'affiner notre maîtrise de ces dispositifs, ce qui nous a été utile pour la mise au point des lignes à retard permettant de caractériser les propriétés de transmission acoustique des cristaux phononiques. Du point de vue théorique, un modèle de simulation par éléments finis a été mis en place, dans un premier temps pour dimensionner les structures réalisées et prendre en compte les modifications apportées par la réalisation technologique. Nous avons ensuite réalisé des cristaux phononiques que nous avons caractérisés électriquement et optiquement, en collaboration avec l'Institut FEMTO-ST. Les mesures confirment la présence de bandes d'arrêt, aux fréquences attendues, mais d'une largeur a priori bien supérieure à celle prévue par la simulation. Une étude détaillée des diagrammes de bandes attribue ce phénomène à la présence de bandes sourdes dans le cristal ne pouvant être excitées par les transducteurs utilisés. Cet aspect est d'une importance critique dans le dimensionnement de cristaux phononiques en vue d'une utilisation dans des applications pratiques.

Poursuivant l'essor des méta-matériaux micro-ondes et photoniques, les cristaux phononiques, organisations périodiques de matériaux acoustiquement différents présentant notamment des bandes d'arrêt, c'est-à-dire de plages de fréquences pour lesquelles aucun mode ne se propage dans la structure, laissent entrevoir des applications acoustiques hors de portée des technologies existantes. Dans cette thèse, nous visons des réalisations aux fréquences RF afin de viser des applications complémentaires des résonateurs ou des filtres acoustiques largement employés dans le domaine des transmissions sans fil. Nous avons tout d'abord développé un procédé de fabrication simple permettant de réaliser des cristaux phononiques à deux dimensions à l'échelle micrométrique sur membrane piézoélectrique, afin de rendre ces systèmes compatibles avec les composants à ondes de Lamb développés au CEA-LETI pour des applications de filtrage de canal dans des architectures de transmission sans fil faible consommation. Ce procédé a été utilisé pour réaliser des cristaux phononiques, ainsi que des résonateurs à ondes de Lamb, ou à ondes de volume et des structures plus complexes comme par exemple des filtres passe-bande. Une étude paramétrique des composants à ondes de Lamb nous a permis d'affiner notre maîtrise de ces dispositifs, ce qui nous a été utile pour la mise au point des lignes à retard permettant de caractériser les propriétés de transmission acoustique des cristaux phononiques. Du point de vue théorique, un modèle de simulation par éléments finis a été mis en place, dans un premier temps pour dimensionner les structures réalisées et prendre en compte les modifications apportées par la réalisation technologique. Nous avons ensuite réalisé des cristaux phononiques que nous avons caractérisés électriquement et optiquement, en collaboration avec l'Institut FEMTO-ST. Les mesures confirment la présence de bandes d'arrêt, aux fréquences attendues, mais d'une largeur a priori bien supérieure à celle prévue par la simulation. Une étude détaillée des diagrammes de bandes attribue ce phénomène à la présence de bandes sourdes dans le cristal ne pouvant être excitées par les transducteurs utilisés. Cet aspect est d'une importance critique dans le dimensionnement de cristaux phononiques en vue d'une utilisation dans des applications pratiques. / In the straight line of photonic and microwave meta-materials, phononic crystals are foreseen to enable novel acoustic applications that existing technologies cannot reach. These phononic crystals are periodic organisation of acoustically different materials exhibiting, for example, qtop bands, which means frequency ranges in which no wave can propagate in the structure. In this thesis we target RF frequencies in order to investigate applications complementary to the conventional resonators or filters widely used in mobile telecommunication systems. We developed a simple process flow to realise micrometric two-dimensional phononic crystals on a piezoelectric membrane. These structures are fabricated along with Lamb wave devices studied in CEA-LETI for channel filtering in low consumption wireless transmission architectures, and with bulk wave resonators or more complex structures like band-pass filters. A parametric study of Lamb wave resonators sharpens our knowledge on these devices, which allow us to design and fabricate delay lines to characterise acoustic transmission properties of phononic crystals. From a theoretical point of view we set up a simulation model using finite element method. This model was used to design the phononic crystal we realised, and to take into account the effects of the modifications brought by the technological realisation. We then fabricated phononic crystals, and electrically and optically characterised them, in collaboration with FEMTO-ST institute. Measurements confirmed the presence of band gaps at the targeted frequency, but over a wider frequency range than predicted by calculation. A detailed study of band diagrams is attributing this phenomenon to the presence of deaf bands, which cannot be excited by interdigitated fingers. This shows that the determination of these deaf bands is of critical importance in designing phononic crystals for practical applications.

L'objectif de ce travail est d'étudier les phénomènes liés à la propagation acoustique dans deux types de milieux hétérogènes : les milieux multiplement diffuseurs aléatoires et ceux périodiques. Ces milieux comportent des inclusions cylindriques (diffuseurs) soit remplies d'air soit remplies d'eau. Les outils théoriques qui sont mis en œuvre sont ceux de la diffusion multiple, et la description de l'interaction des ondes élastiques avec un diffuseur est traitée à l'aide d'une analyse modale. Les résultats de cette thèse peuvent avoir des retombées en ce qui concerne la compréhension des phénomènes liés à la propagation en milieu poreux et dans les cristaux phononiques. Ils ouvrent également des perspectives intéressantes en ce qui concerne l'évaluation ultrasonore de matériaux composites. Les deux premiers chapitres de la thèse traitent des phénomènes d'interaction résonante tout d'abord pour un réseau de quelques diffuseurs, puis pour un réseau composé d'une distribution linéaire et périodique d'un grand nombre diffuseurs. La propagation d'ondes dans des réseaux bi-périodiques est étudiée dans le troisième chapitre. Le formalisme utilisé est exploité dans le chapitre final pour valider une théorie de milieu effectif décrivant originellement la réflexion et la transmission des ondes cohérentes par une couche de diffuseurs aléatoirement répartis. Pour cette validation, la théorie a été adaptée à une distribution semi-périodique et semi-aléatoire de diffuseurs.