<p>Metamaterials are artificially structured materials which attain their unconventional macroscopic properties from their cellular configuration rather than their constituent chemical composition. The judicious design of this cellular structure opens the possibility to program and control the optical, mechanical, acoustic, or thermal responses of metamaterials. This Ph.D. dissertation focuses on scalable design and manufacturing strategies for optical and mechanical metamaterials.<br> <br> </p> <p>The fabrication of optical metamaterials still relies heavily on low-throughput process such as electron beam lithography, which is a serial technique. Thus, there is a growing need for the development of high-throughput, parallel processes to make the fabrication of optical metamaterials more accessible and cost-effective. The first part of this dissertation presents a scalable manufacturing method, termed “roll-to-roll laser induced superplasticity” (R2RLIS), for the production of flexible optical metamaterials, specifically metallic near-perfect absorbers. R2RLIS enables the rapid and inexpensive fabrication of ultra-smooth metallic nanostructures over large areas using conventional CO₂ engravers or inexpensive diode lasers. Using low-cost metal/epoxy nanomolds, the minimum feature size obtained by R2RLIS was <40 nm, facilitating the rapid fabrication of flexible near-perfect absorbers at visible frequencies with the capability to wrap around non-planar surfaces.</p> <p> </p> <p>The existing approaches for designing mechanical metamaterials are mostly <i>ad hoc</i>, and rely heavily on intuition and trial-and-error. A rational and systematic approach to create functional and programmable mechanical metamaterials is therefore desirable to unlock the vast design space of mechanical properties. The second part of this dissertation introduces a systematic, algorithmic design strategy based on Voronoi tessellation to create architected soft machines (ASMs) and twisting mechanical metamaterials (TMMs) with programmable motion and properties. ASMs are a new class of soft machines that benefit from their 3D-architected structure to expand the range of mechanical properties and behaviors achievable by 3D printed soft robots. On tendon-based actuation, ASMs deform according to the topologically encoded buckling of their structure to produce a wide range of motions such as contraction, twisting, bending, and cyclic motion. TMMs are a new class of chiral mechanical metamaterials which exhibit compression-twist coupling, a property absent in isotropic materials. This property manifests macroscopically and is independent of the flexible material chosen to fabricate the TMM. The nature of this compression-twist coupling can be programmed by simply tuning two design parameters, giving access to distinct twisting regimes and tunable onset of auxetic (negative Poisson’s ratio) behavior. Taking a metamaterial approach toward the design of soft machines substantially increases their number of degrees of freedom in deformation, thus blurring the boundary between materials and machines.</p>

Grâce aux progrès réalisés ces dernières années dans la conception de réseaux intelligents, tels que les réseaux centrés sur la personne (WBAN) ou les réseaux sans fils de proximité (WPAN), de nouveaux types d’applications émergent et utilisent des capteurs d’informations capables de relever les paramètres physiologiques, environnementaux et plus particulièrement le positionnement des personnes. Dans ce cadre, nous nous sommes attachés dans ce travail de recherche à la conception et la réalisation d’antennes en polarisation circulaire pouvant être intégrées dans des vêtements, pour les standards de géolocalisation européen Galiléo et Américain GPS. Nous avons utilisé pour ces antennes des structures métamatériaux de type conducteurs magnétiques artificiels, afin d’augmenter les performances en rayonnement et pour diminuer le couplage avec et le corps humain. Une autre voie explorée est l’utilisation d’antennes patchs qui sont de nature faible encombrement. La bande de fréquence du standard de communications par satellite Iridium étant très proche du standard de géolocalisation GPS, nous avons trouvé intéressant de développer une solution de type patch couvrant les deux bandes GPS (1,575 GHz) et Iridium (1,621 GHz). L’antenne devant être intégrée sur une boite crânienne, les niveaux de débit d’absorption spécifique et les modifications du rayonnement sous conformation de l’antenne ont également été étudiés. L’évolution de ce travail a été ensuite d’étudier le comportement de cette antenne posée sur le dessus d’un casque militaire français. Les performances en rayonnement ont été satisfaisantes et ont montré la possibilité d’une telle application. / Thanks to the progress made in the recent years in the design of smart networks, such as wireless Body Area Network (WBAN), or Wireless Personal Area Network (WPAN), a novel type of emerging applications using smarts sensor measuring physiologic parameters, environmental et more particularly positioning of the persons are nowadays available. In the research presented in this manuscript, we are committed to design and realize antennas that can be possibly integrated into clothes, dedicated to the American GPS (1.227 GHz - 1.575 GHz) and European Galileo (1.180 GHz - 1.575 GHz) global navigation satellite systems. We used for these antennas a type of metamaterial structure named artificial magnetic conductor, to increase and enhance the radiation performance and reduce the coupling between the antenna and the human body. Another way has been explored using patch antenna solutions that are inherently low profile antennas. As the frequency band of the satellite communication system Iridium is close to the GPS one, we developed a dual band antenna solution covering both GPS (1.575 GHz) and Iridium (1.612 GHz) standards. The antenna being dedicated to be integrated over a human skull, the specific absorption rate and the radiation modification was also studied.

Cette thèse considère de nouvelles architectures prometteuses des métamatériaux plasmoniques pour biosensing, comprenant: (I) des réseaux périodiques 2D de nanoparticules d'Au, qui peuvent supporter des résonances des réseaux de surface couplées de manière diffractive; (II) Reseaux 3D à base de cristaux plasmoniques du type d'assemblage de bois. Une étude systématique des conditions d'excitation plasmonique, des propriétés et de la sensibilité à l'environnement local dans ces géométries métamatérielles est présentée. On montre que de tels réseaux peuvent combiner une très haute sensibilité spectrale (400 nm / RIU et 2600 nm / RIU, ensemble respectivement) et une sensibilité de phase exceptionnellement élevée (> 105 deg./RIU) et peuvent être utilisés pour améliorer l'état actuel de la technologie de biosensing the-art. Enfin, on propose une méthode de sondage du champ électrique excité par des nanostructures plasmoniques (nanoparticules uniques, dimères). On suppose que cette méthode aidera à concevoir des structures pour SERS (La spectroscopie du type Raman à surface renforcée), qui peut être utilisée comme une chaîne d'information supplémentaire à un biocapteur de transduction optique. / This thesis consideres novel promissing architechtures of plasmonic metamaterial for biosensing, including: (I) 2D periodic arrays of Au nanoparticles, which can support diffractively coupled surface lattice resonances; (II) 3D periodic arrays based on woodpile-assembly plasmonic crystals, which can support novel delocalized plasmonic modes over 3D structure. A systematic study of conditions of plasmon excitation, properties and sensitivity to local environment is presented. It is shown that such arrays can combine very high spectral sensitivity (400nm/RIU and 2600 nm/RIU, respectively) and exceptionally high phase sensitivity (> 105 deg./RIU) and can be used for the improvement of current state-of-the-art biosensing technology. Finally, a method for probing electric field excited by plasmonic nanostructures (single nanoparticles, dimers) is proposed. It is implied that this method will help to design structures for SERS, which will later be used as an additional informational channel for biosensing.

Ce projet de doctorat consiste en la proposition d'une solution technologique d'un résonateur de Helmholtz adaptatif à volume variable, permettant ainsi de s'affranchir du caractère mono-fréquentiel des résonateurs de Helmholtz passifs. Le réglage de volume s'effectue grâce à l'utilisation d'une membrane en polymère électroactif (EAP), permettant ainsi d'accorder les résonances du résonateur de Helmholtz. Le comportement mécanique de ces matériaux est modifié lorsqu'ils sont stimulés par un champ électrique. Des améliorations significatives en perte par transmission acoustique sont obtenues en basses fréquences par deux effets: la variation de raideur de la membrane et l'augmentation de volume due à la déformation de la membrane. Des études numériques, analytiques et expérimentales sont réalisées pour déterminer le potentiel des concepts proposés. Enfin, une structure périodique contenant 9 résonateurs adaptatifs à membranes électroactives est étudiée en champs diffus permettant d'évaluer les performances acoustiques du concept distribué. / This main goal of the project consists in proposing a technological solution of an adaptive Helmholtz resonator with variable volume, which allows to overcome the mono-frequency character of passive Helmholtz resonators. The volume control is achieved by the use of an electroactive polymer membrane (EAP), allowing the resonances of the Helmholtz resonator to be tuned. The mechanical behavior of these materials changes when they are stimulated by an electric field. Significant improvements in acoustic transmission loss are obtained at low frequencies by two effects: the variation of stiffness of the membrane and the increase of volume due to the deformation of the membrane. Numerical, analytical and experimental studies are carried out to determine the potential of the proposed concepts. Finally, a periodic structure containing 9 adaptive resonators with electroactive membranes is studied in diffuse fields to evaluate the acoustic performances of the distributed concept.

Cette thèse apporte une contribution théorique et expérimentale à l'exploration des propriétés de dispersion et de polarisation de structures à cristaux photoniques à gradient (GPhCs). Nous explorons pour commencer la relation qui existe entre les déformations des surfaces équi-fréquences (EFS) de différents cristaux photoniques et les paramètres de maille des configurations envisagées. Compte tenu de la complexité des structures possibles obtenues à partir d'un chirp spatial bidimensionnel d'au moins un paramètre de maille, nous avons limité notre étude à un type particulier de structure basé sur un réseau carré de silicium sur isolant (SOI) planaire constitué de trous d'air de facteur de remplissage variable. Une expression analytique des EFS connexes en fonction du rayon des motifs a d’abord été extraite, et une structure GPhC de "référence" a ensuite été proposé pour l'exploration des propriétés de dispersion et de polarisation des GPhCs utilisant à la fois une approche consistant à propager un ou plusieurs rayons optiques dont les trajectoires sont données par les équations de l’optique Hamiltonienne et une approche tout numérique basée sur des simulations FDTD. Nous décrivons ensuite les processus de fabrication de salle blanche des structures à cristaux photoniques graduels, obtenues à partir de substrats semiconducteurs par lithographie par faisceau d'électrons et gravure ionique réactive. Les échantillons fabriqués sont étudiés expérimentalement par des techniques de mesure en champ lointain et en champ proche (SNOM) en s'appuyant sur une collaboration avec un autre groupe du CNRS. Les résultats expérimentaux montrent une relation dispersive quasi-linéaire de 0.25μm/nm dans la gamme de longueur d’onde allant de 1470nm à 1600nm. Les premiers dispositifs fabriqués présentent aussi la possibilité de séparer des couples de deux longueurs d'onde (démultiplexage) avec des pertes d'insertion faibles (inférieures à 2 dB) et un niveau de diaphonie faible (de l'ordre de -20 dB). Ils présentent également un effet très net de séparation des polarisations de la lumière avec une diaphonie inter-polarisations TE/TM de -27dB dans une bande spectrale de l’ordre de 70 nm. Au-delà de ces mesures optiques obtenus dans une configuration particulière de cristal photonique graduel, les travaux présentés dans cette thèse ont permis l'observation directe de la transition entre les régimes d’homogénéisation et de diffraction de propagation de la lumière dans un matériau optique artificiel tout diélectrique. Globalement, la méthodologie présentée et adoptée pour l'étude de la propagation de la lumière dans les structures étudiées a ouvert des perspectives pour la réalisation de fonctions optiques plus complexes. / This PhD thesis brings a theoretical and experimental contribution to the exploration of dispersive and polarization properties of graded photonic crystal (GPhC) structures. We first present a quantitative relationship between the deformations of the equi-frequency surfaces (EFSs) of different photonic crystals and the lattice parameters of the considered configurations. Considering the complexity of the possible GPhC structures made of a two-dimensional spatial chirp of at least one lattice parameter, we limit in this thesis our study to one particular type of GPhC structure based on a square lattice silicon on insulator (SOI) planar photonic crystal with a variable air hole filling factor profile. An analytical expression of the related EFSs as a function of the varied lattice parameter is extracted, and a GPhC “reference” structure is then proposed for the exploration of the dispersive and polarization properties of GPhCs using both Hamiltonian optic-assisted ray tracing as well as FDTD simulations. The clean room fabrication process of this GPhC structure family, which is based on electron beam lithography and reactive ion etching technologies, is reported. Fabricated samples are experimentally studied by far-field and near-field (SNOM) measurement techniques relying on a collaboration with a CNRS group of the Bourgogne university. Experimental results show an almost linear dispersive relationship of 0.25µm/nm in the 1470nm-1600nm spectral range. The fabricated samples also present the possibility for two-wavelength demultiplexing with low insertion loss (below 2dB) and low crosstalk level (around -20dB), and a polarization beam splitting effect with a crosstalk of -27dB in a 70nm bandwidth. Beyond these optical metrics obtained in one particular GPhC configuration, the works presented in this thesis have allowed the direct observation of the transition between the homogeneous and diffraction regimes of light propagation in an artificial optical all-dielectric material, and the presented and adopted methodology for the study of light propagation in GPhC structures has raised open perspectives for the realization of more complex optical functions in forthcoming works using low loss and flexible metamaterial-like photonic crystals.

Les antennes présentes dans la plupart des systèmes communicants comme les véhicules automobiles, les avions et les trains se multiplient et sont soumises à une contrainte d’intégration de plus en plus sévère. De nombreuses techniques de miniaturisation d’antennes existent et passent toutes par un compromis entre la taille et les performances (bande passante et/ou rendement de rayonnement). Pour les systèmes cités ci-dessus, les antennes sont souvent placées devant ou à proximité d’un réflecteur métallique (toit de véhicule, carlingue d’aéronef). Dans ce cas, l’épaisseur de système antennaire est une contrainte majeure et les métamatériaux de type Conducteur Magnétique Artificiel (CMA) ouvrent des perspectives intéressantes grâce à leurs propriétés électromagnétiques non conventionnelles. Cependant, pour les applications sub-GHz (RFID, LTE, PMR…), les CMA sont limités par les dimensions des cellules unitaires nécessaires à leur mise en œuvre (λg/4) ainsi que leur bande réduite de fonctionnement. Réduire leurs dimensions permet de rendre leur utilisation compatible avec le contexte des antennes miniatures intégrées. Ajouter l’agilité fréquentielle permet de palier le problème de la bande passante réduite dans le cas des antennes et des CMA miniaturisés en ajustant le fonctionnement du système antennaire sur une large bande passante. Cette thèse de doctorat propose d’étudier et de développer un nouveau système antennaire à faible profil composé d’une antenne miniature associée à une métasurface compacte reconfigurable en fréquence et compatible avec le standard NB-IoT dans la bande basse LTE (700 MHz – 960 MHz). / Antennas are now very integrated in several connected systems like cars, airplanes and trains. Many antenna miniaturization techniques exist and all go through a compromise between size and performance (bandwidth and/or radiation efficiency). For the systems mentioned above, the antennas are often placed near a metallic reflector (vehicle roof, aircraft cabin). Within this context, Artificial Magnetic Conductors (AMC) present an attractive reflector for low profile antennas which can take advantage of intrinsic zero reflection phase response to boost antenna performance without the need for thick quarter wave backplane. However, for sub-GHz applications (RFID, LTE, PMR ...), AMC are limited by the size of the unit cells necessary for their implementation (λg/4) as well as their reduced operating bandwidth. AMC miniaturization makes their use compatible with small antennas. Adding tunability restores the possibility of adjusting the operating frequency over a large bandwidth. This PhD thesis proposes to study and develop a new electrically small, low-profile antenna based on miniaturized and tunable AMC for the NB-IoT standard in low LTE band (700 MHz – 960 MHz).

Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή διερευνώνται αριθμητικά δομές οι οποίες μπορούν να λειτουργήσουν ως φωνονικά ή φωτονικά υλικά. Βασικό χαρακτηριστικό των φωτονικών και των φωνονικών υλικών είναι η ύπαρξη χασμάτων συχνοτήτων στη διάδοση των ηλεκτρομαγνητικών και των ελαστικών κυμάτων αντίστοιχα διαμέσου των δομών αυτών. Αρχικά διερευνήθηκαν αριθμητικά δύο δομές οι οποίες έχουν ήδη χρησιμοποιηθεί ως φωτονικά υλικά και για τις οι οποίες εξετάστηκε κατά πόσο είναι εφικτή λειτουργία τους ως φωνονικά υλικά. Η πρώτη δομή είναι η πολύ γνωστή δομή κατά στρώσεις και η δεύτερη ένας ηχητικός κυματοδηγός «λωρίδα» (slot waveguide) επάνω στον οποίο δομείται ένας φωνονικός κρύσταλλος. Για τους αριθμητικούς υπολογισμούς χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος των πεπερασμένων διαφορών στο πεδίο του χρόνου και υπολογίστηκαν το Φάσμα Μετάδοσης καθώς και το διάγραμμα Διασποράς. Στην μελέτη αυτή περιελήφθησαν αρκετά διαφορετικά υλικά όπως το πυρίτιο, η εποξειδική ρητίνη και το βολφράμιο. Διερευνήθηκε επίσης η επίδραση όλων των γεωμετρικών παραμέτρων των δομών. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι δομές αυτές φαίνεται να έχουν πολύ ελπιδοφόρα χαρακτηριστικά ως φωνονικοί κρύσταλλοι. Υπό ορισμένες προϋποθέσεις μάλιστα μπορεί να προκύψει πλήρες τρισδιάστατο χάσμα. Λαμβάνοντας υπόψη ότι η συγκεκριμένες δομές είναι ήδη γνωστές για τη χρήση τους ως φωτονικοί κρύσταλλοι, η πεποίθηση για τη χρήση τους ταυτόχρονα ως φωτονικοί και φωνονικοί κρύσταλλοι καθίσταται βάσιμη. Στην συνέχεια, χρησιμοποιώντας ξανά τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών στο πεδίο του χρόνου, μελετήθηκαν ενδεχόμενες εφαρμογές που θα μπορούσαν οι δομές αυτές να έχουν. Πιο συγκεκριμένα διερευνήθηκε αρχικά η ενδεχόμενη χρήση των φωνονικών κρυστάλλων ως αισθητήρες. Οι Ευαισθησίες αυτών των δομών υπολογίστηκαν από τις αλλαγές στα όρια των αντίστοιχων φωνονικών χασμάτων όταν ένα λεπτό φιλμ νερού (για την περίπτωση του αισθητήρα υγρασίας) προστεθεί στη δομή ή όταν οι δομές εμβαπτιστούν σε κάποιο υγρό (αισθητήρες υγρών). Μελετήθηκε επίσης για πρώτη φορά συγκεκριμένη ελαστοδυναμική συμπεριφορά της τρισδιάστατης δομής κατά στρώσεις. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν παρουσιάζουν μια υψηλή τιμή στον λόγο της διαμήκους προς την εγκάρσια ταχύτητα του ήχου και μια ιδανική συμπεριφορά pentamode σε ένα εύρος συχνοτήτων. Τα αποτελέσματα δείχνουν σαφώς ότι η δομή κατά στρώσεις μπορεί να αποτελέσει και ένα πολύ σημαντικό ελαστοδυναμικό μεταϋλικό. Στην επόμενη ενότητα της Διδακτορικής διατριβής χρησιμοποιώντας την θεωρία συναρτησιακών πυκνότητας μελετήθηκε η φωνονική πυκνότητα καταστάσεων για υλικά τύπου γραφενίου όπως το silicene (σιλικένιο) και το germanene (γερμανένιο). Εξετάστηκαν οι περιπτώσεις στις οποίες άτομα πυριτίου ή γερμανίου στις δομές τύπου γραφενίου αντικαταστάθηκαν από άλλα άτομα της Ομάδας IV του Περιοδικού Πίνακα και διερευνήθηκε κατά πόσο οι προκύπτουσες δομές μπορούν να λειτουργήσουν ως φωνονικοί κρύσταλλοι με την εμφάνιση φωνονικών χασμάτων στην φωνονική πυκνότητα καταστάσεών τους. Εξετάστηκαν επίσης νανοσωλήνες άνθρακα και κυρίως οι ομοιότητές τους με τα υλικά τύπου γραφενίου. Βρέθηκε πως, για τις περιπτώσεις όπου η διάμετρος των νανοσωλήνων ξεπερνά το 1nm, παρουσιάζονται αρκετές ομοιότητες με τα υλικά τύπου γραφενίου. Στην τελευταία ενότητα της διατριβής διερευνώνται δομές στις οποίες μπορεί να παρατηρηθεί εντοπισμός του φωτός σε περιοχές κλίμακας νανομέτρων. Ένα σύστημα αποτελούμενο από δύο δίσκους πυριτίου με διάκενο να τους χωρίζει μερικά δέκατα του νανομέτρου μελετήθηκε πρώτο. Ο κανονικοποιημένος, αδιάστατος ενεργός όγκος καταστάσεων, V_eff, υπολογίστηκε για τους δύο χαμηλότερους συντονισμούς. Ο ενεργός όγκος καταστάσεων μειώνεται σημαντικά καθώς το χάσμα μεταξύ των δίσκων μεγαλώνει. Μελετάται επίσης μια δομή αποτελούμενη από έναν κυκλικό κυματοδηγό σχισμή ο οποίος σχηματίζεται μέσα σε έναν κυκλικό συντονιστή πυριτίου. Όπως προκύπτει από τα αριθμητικά αποτελέσματα η προτεινόμενη δομή μπορεί να εμφανίσει συντονισμούς με υψηλές τιμές του παράγοντα Q, αυξάνοντας έτσι την πεποίθηση πως η προτεινόμενη δομή μπορεί να αποτελέσει βάση για εφαρμογές σε οπτικές τηλεπικοινωνίες. / This thesis explores numerically structures that can act as phononic or photonic materials. A key feature of photonic and phononic materials is the existence of frequency gaps in propagation of electromagnetic waves and elastic waves respectively. Initially the functionality of two structures as phononic materials is numerically examined. Those structures have already been used as photonic materials. The first structure is the well-known layer-by-layer structure and the second is an acoustic strip waveguide onto which is considered one phononic crystal. For numerical calculations the Finite Difference Time Domain method was used. The transmission spectra and the band structure were calculated. Several different materials such as silicon, epoxy and tungsten were included in this study. It was also investigated the effect of all the geometric parameters of the structures. The results showed that these structures appear to have very promising features as phononic crystals. Under certain conditions it may even exists a full three-dimensional phononic band gap. Considering that those structures are already known for their use as photonic crystals, the belief for their use as both photonic crystals and phononic crystals becomes valid. Then, again using the Finite Difference Time Domain method, potential applications that these structures could have were also examined. Initially it was investigated the potential use of phononic crystals as sensors. The sensitivities of these structures were calculated from the changes in the boundaries of the respective phononic band gaps when a thin film of water (in the case of the humidity sensor) was added to the structure or when those structures immersed in a liquid (liquid sensors). Also studied for the first time the three-dimensional layer-by-layer structure for specific elastodynamic behavior. The results show a high value of the ratio of the longitudinal to the transverse speed of sound and an ideal pentamode behavior for a specific frequency range. The results clearly show that the layer-by-layer structure could be a very important elastodynamic metamaterial. In the next section of this thesis, the phonon density of states of graphene-like materials such as silicene and germanene is examined using density functional theory. Cases were silicon or germanium atoms on graphene-like structures are replaced by other group IV atoms and how these new structures could perform as nanoscale phononic crystals, creating phononic band gaps in their phonon density of states, are numerically investigated. Nanotubes were also examined and their similarities, especially for cases with diameters above 1nm, with the graphene-like materials were found. In the final section of this thesis structures which could confine light in nanometer areas were numerically examined. A system consisting of two silicon disks with in plane separation of a few tens of nanometers has been studied first. The normalized unitless effective mode volume, Veff, has been calculated for the two lowest whispering gallery modes resonances. The effective mode volume is reduced significantly as the gap between the disks decreases. It is also numerically examined a structure consisting of a circular slot waveguide which is formed into a silicon disk resonator. It is shown that the proposed structure could have high Q resonances thus raising the belief that it is a very promising candidate for optical interconnects applications.

In this thesis devices for controlling the flow of surface plasmon polaritons are described. Dielectric and metallic nanostructures were designed for this purpose, and characterized by leakage radiation microscopy in real and in reciprocal spaces. Manipulation of surface plasmons by dielectric lenses and gradient index elements is presented, and negative refraction, steering and self-collimation of surface plasmons in one- and two-dimensional plasmonic crystals is demonstrated. The achieved degree of control was applied for routing of nanoparticles by optical forces, as well as for two methods of enhancing the figures of merit of plasmonic refractive index sensors, based on the one hand on Fano resonances natural to leakage radiation microscopy, and on the other hand on anisotropie plasmonic bandstructures.

Les méta-matériaux sont une nouvelle classe de matériaux composites artificiels quiprésentent des propriétés inédites. Ils sont typiquement sous divisés en unité appelées méta-atomes.Un design approprié de ces méta-atomes, architecturés à l’échelle nanométrique, permet d’induire despropriétés aussi extraordinaires qu’un indice de réfraction négatif. Dans ce contexte, nous avonsdéveloppé des particules à patchs, capable de développer des interactions selon des directionsprédéterminées. Des clusters multipodiques fait de ces particules (diélectrique) entourées d’un nombrecontrôlé de satellites plasmoniques (or) ont été développés. Nous nous sommes focalisés sur desclusters isotropes, dérivant de géométries tétraédriques, octaédriques et icosaédriques (trois des cinqsolides de Platon). Pour cela, nous avons utilisé des clusters silice/polystyrène, obtenus parpolymérisation ensemencée en émulsion, qui ont servi de préformes. Ils ont ainsi permis d’obtenir desparticules dont les patchs sont en fait des fossettes au fond desquelles subsiste un résidu de chaînespolystyrène greffées. En modifiant chimiquement ces chaînes, nous avons permis soit l’accrochage aufond de ces fossettes de colloïdes d’or puis leur croissance, soit l’accostage de satellites de silice surlesquels nous avons ensuite fait croître une coquille d’or. La seconde voie à offert un meilleur contrôlede la morphologie des clusters et notamment de la distance entre les satellites d’or (quelquesnanomètres) qui est primordiale pour assurer un couplage plasmonique optimal. Les propriétés desclusters obtenus ont été modélisées et mesurées. / Metamaterials are a novel class of artificial composite materials, typically made of subunit called meta-atoms and exhibiting unusual properties. Such meta-atoms, have to be architecturedat the nanometric level, to induce as extraordinary properties as a negative refractive index. In thiscontext, we developed patchy particles, capable to create interactions along predetermined directions.Multipodic clusters made of those (dielectric) particles surrounded by a controlled number ofplasmonic satellites (gold) were developed. We focused on isotropic clusters deriving fromtetrahedral, octahedral and icosahedral geometry (three of the fifth Platonic solids). For that purpose,we used silica/polystyrene clusters, obtained from seeded emulsion polymerization, as template. Byderiving those clusters, patchy particles bearing dimples containing grafted residual polystyrene chainswere obtained. By chemically deriving those chains, we explored two synthetic pathways, thedecoration of the dimples with gold colloids subsequently grown or the anchoring of silica satellitesonto which gold shells were subsequently grown. The second one was prove to offer a better controlover the cluster morphology as well as the inter-satellites gap (few nanometer) which is pivotal toensure an optimal plasmonic coupling. Then, the optical properties of the as obtained clusters weresimulated and measured.

La réduction du cout de construction et d’exploitation des futurs accélérateurs d particules, a grande et petite échelles, dépend du développement de nouveaux matériaux pour les surfaces actives des structures supraconductrices en radiofréquence (SRF). Les propriétés SRF sont essentiellement un phénomène de surface vu que la profondeur de pénétration (profondeur de pénétration de London, λ) des micro-ondes (RF) est typiquement de l’ordre de 20 à 400 nm en fonction du matériau. Lorsque les procédés de préparation de surface sont optimises, la limite fondamentale du champ RF que les surfaces SRF peuvent supporter est le champ RF maximum, Hc₁, au-delà duquel le flux magnétique commence à pénétrer la surface du supraconducteur. Le matériau le plus utilise pour des applications SRF est le niobium (Nb) massif, avec un champ Hc₁ de l’ordre de 170 mT, qui permet d’atteindre un champ accélérateur de moins de 50 MV/m. Les meilleures perspectives d’amélioration des performances des cavités SRF sont liées à des matériaux et méthodes de production produisant la surface SRF critique de façon contrôlée. Dans cette optique, deux avenues sont explorées pour utiliser des couches minces pour augmenter les performances des structures SRF au-delà du Nb massif, en monocouche ou en structures multicouches Supraconducteur-Isolant-Supraconducteur (SIS) : La première approche est d’utiliser une couche de Nb déposée sur du cuivre (Nb/Cu) à la place du Nb massif. La technologie Nb/Cu a démontré, au cours des années, être une alternative viable pour les cavités SRF. Toutefois, les techniques de dépôt communément utilisées, principalement la pulvérisation magnétron, n’ont jusqu’à présent pas permis de produire des surfaces SRF adaptées aux performances requises. Le récent développement de techniques de dépôt par condensation énergétiques, produisant des flux d’ions énergétiques de façon contrôlée (telles que des sources d’ions ECR sous ultravide) ouvrent la voie au développement de films SRF de grand qualité. La corrélation entre les conditions de croissance, l’énergie des ions incidents, la structure et les performances RF des films produits est étudiée. Des films Nb avec des propriétés proches du Nb massif sont ainsi produits. La deuxième approche est basée sur un concept qui propose qu’une structure multicouche SIS déposée sur une surface de Nb peut atteindre des performances supérieures à celles du Nb massif. Bien que les matériaux supraconducteurs à haute Tc aient un champ Hc₁ inférieur à celui du Nb, des couches minces de tels matériaux d’une épaisseur (d) inférieure à la profondeur de pénétration voient une augmentation de leur champ parallèle Hc₁ résultant au retardement de la pénétration du flux magnétique. Cette surcouche peut ainsi permettre l’écrantage magnétique de la surface de Nb qui est donc maintenue dans l’état de Meissner à des champs RF bien plus importants que pour le Nb massif. La croissance et performance de structures multicouches SIS basées sur des films de NbTiN, pour le supraconducteur, et de l’AlN, pour le diélectrique, sont étudiées. Les résultats de cette étude montrent la faisabilité de cette approche et le potentiel qui en découle pour l’amélioration des performances SRF au-delà du Nb massif. / The minimization of cost and energy consumption of future particle accelerators, both large and small, depends upon the development of new materials for the active surfaces of superconducting RF (SRF) accelerating structures. SRF properties are inherently a surface phenomenon as the RF only penetrates the London penetration depth λ, typically between 20 and 400 nm depending on the material. When other technological processes are optimized, the fundamental limit to the maximum supportable RF field amplitude is understood to be the field at which the magnetic flux first penetrates into the surface, Hc₁. Niobium, the material most exploited for SRF accelerator applications, has Hc₁~170 mT, which yields a maximum accelerating gradient of less than 50 MV/m. The greatest potential for dramatic new performance capabilities lies with methods and materials which deliberately produce the sub-micron-thick critical surface layer in a controlled way. In this context, two avenues are pursued for the use of SRF thin films as single layer superconductor or multilayer Superconductor-Insulator-Superconductor structures: Niobium on copper (Nb/Cu) technology for superconducting cavities has proven over the years to be a viable alternative to bulk niobium. However the deposition techniques used for cavities, mainly magnetron sputtering, have not yielded, so far, SRF surfaces suitable for high field performance. High quality films can be grown using methods of energetic condensation, such as Electron Cyclotron Resonance (ECR) Nb ion source in UHV which produce higher flux of ions with controllable incident angle and kinetic energy. The relationship between growth conditions, film microstructure and RF performance is studied. Nb films with unprecedented “bulk-like” properties are produced. The second approach is based on the proposition that a Superconductor/Insulator/Superconductor (S-I-S) multilayer film structure deposited on an Nb surface can achieve performance in excess of that of bulk Nb. Although, many higher-Tc superconducting compounds have Hc₁ lower than niobium, thin films of such compounds with a thickness (d) less than the penetration depth can exhibit an increase of the parallel Hc₁ thus delaying vortex entry. This overlayer provides magnetic screening of the underlying Nb which can then remain in the Meissner state at fields much higher than in bulk Nb. A proof of concept is developed based on NbTiN and AlN thin films. The growth of NbTiN and AlN films is studied and NbTiN-based multilayer structures deposited on Nb surfaces are characterized. The results from this work provide insight for the pursuit of major reductions in both capital and operating costs associated with future particle accelerators across the spectrum from low footprint compact machines to energy frontier facilities.