Ce travail concerne l‟étude de la croissance épitaxiale de couches fines de nitrure d‟aluminium (AlN) sur substrats silicium. Les propriétés structurales et optiques de l‟AlN épitaxié par jets moléculaires sont étudiées en fonction de l‟orientation et de la préparation de surface du substrat. La vitesse de propagation des ondes acoustiques et les coefficients piézoélectriques e31 et d33 sont mesurés. Des mesures préliminaires sur des résonateurs à ondes acoustiques de volume confirment que l‟utilisation de couches épitaxiées permet la réalisation de composants capables de fonctionner à hautes fréquences. Dans la dernière partie, nous présentons des résultats collatéraux à cette étude et plus particulièrement nous montrons l‟effet de l‟amélioration de la qualité de la couche tampon d‟AlN sur la croissance d‟hétérostructures à base de GaN sur substrat silicium et nous dégageons quelques perspectives concernant la fabrication de micro-nanostructures et la possibilité d‟intégrer cette famille de matériaux à la filière silicium.

Micrometer injection moulding is a type of moulding in which moulds have geometrical design features on a micrometer scale that must be transferred to the geometry of the produced part. The difficulties encountered due to very high shear and rapid heat transfer of these systems has motivated this investigation into the fundamental mathematics behind polymer heat transfer and associated processes. The aim is to derive models for polymer dynamics, especially heat dynamics, that are considerably less approximate than the ones used at present, and to translate this into simulation and optimisation algorithms and strategies, Thereby allowing for greater control of the various polymer processing methods at micrometer scales.

Les microsystèmes sont des systèmes dynamiques multi-physiques. Leurs caractéristiques spécifiques, liées à leur petite dimension et aux phénomènes associés, nécessitent des études approfondies. Les méthodologies de l'automatique peuvent apporter des solutions nouvelles pour l'optimisation de ces systèmes. Dans ce contexte, ce travail de recherche s'intéresse plus particulièrement aux nonlinéarités dans les microsystèmes capteurs. La première partie de cette thèse est consacrée à la conception d'un micro-accéléromètre asservi à sortie numérique. L'objectif principal de l'asservissement est l'amélioration de la linéarité de la mesure. L'étude s'attache à la modélisation du comportement dynamique du capteur en prenant en compte l'effet des non-linéarités (lecture capacitive et actionnement électrostatique) et à l'analyse des performances globales de la mesure (aspect dynamique, transfert de bruit et non-linéarité). Le circuit réalisant l'asservissement est conçu de manière à permettre l'utilisation d'outils de l'automatique avancée : l'identification pour la commande et la synthèse robuste de correcteur. L'architecture présentée est validée en simulation et sur un d´emonstrateur. Dans une deuxième partie, ce travail de recherche propose d'exploiter la non-linéarité dite de Duffing afin de réaliser un principe de détection original. Cette non-linéarité d'origine mécanique est fréquemment rencontrée dans les microsystèmes. Les résultats présentés ouvrent des perspectives nouvelles pour l'utilisation de structures mécaniques de dimensions nanométriques.

Le lancement d'une fusée fait appel à de nombreux équipements pyrotechniques chargés de réaliser des fonctions clés comme l'allumage des moteurs, la séparation et la neutralisation des étages, la découpe de la coiffe et la libération de la charge utile, et enfin, l'autodestruction du lanceur en cas de problème. Traditionnellement, les systèmes pyrotechniques utilisés sont basés sur des ordres détoniques transmis et distribués grâce à des lignes et des relais pyrotechniques intégrant donc des explosifs. Ces chaines et systèmes pyrotechniques basés sur des ordres détoniques sont certes robustes et fiables mais présentent l'inconvénient d'être lourds, volumineux, délicats et couteux dans leur mise en œuvre en raison du caractère dangereux inhérent à tout explosif et système les intégrant. Dans ce contexte, Dassault-Aviation, le CNES et le LAAS ont proposé une nouvelle solution technologique de systèmes pyrotechniques basée sur des ordres non plus détoniques mais électriques et codées intégrant des micro systèmes de mise à feu pyrotechniques codés sécurisés et intelligents. Ces derniers, appelé dans le projet µIFI pour Micro Initiateurs à Fonctions Intégrés intègrent dans quelques cm3, outre une adresse numérique permettant de les identifier pour communiquer, un micro initiateur électro-pyrotechnique, des sécurités électriques, une barrière de sécurité mécanique déplaçable par un micromoteur, un stockage local d'énergie et une électronique numérique. Ce travail de thèse a consisté à concevoir, réaliser et caractériser un Micro Initiateur à Fonction Intégré. Après avoir évalué les différentes technologies existantes, nous avons conçu puis fabriqué les différents éléments constitutifs du µIFI permettant de répondre au cahier des charges du spatial. Après fabrication, chacun de ces éléments ont été caractérisés pour valider leur fonctionnalité et leur conformité au cahier des charges. Un important travail s'est porté essentiellement sur deux points. Le premier concerne la conception et la mise en œuvre d'une technologie MEMS innovante pour réaliser une puce d'initiation optimisée à base de nanothermite Al/CuO déposée sur une plateforme en SU-8 qui a permis d'atteindre des performances d'initiation electro-pyrotechnique jusqu'ici jamais atteinte. Le deuxième point concerne le travail important et délicat d'interfaçage mécanique et électrique des différents éléments constitutifs du µIFI : les puces d'initiation MEMS, un micromoteur brushless permettant de sécuriser mécaniquement l'initiateur dans un volume de moins de 0,5mm3, une électronique numérique, une capacité de stockage de l'énergie et les connectiques associées. Ce fut un défi technologique important de par la complexité du système à intégrer dans moins de 3 cm3 et assurant un fonctionnement avec une fiabilité exemplaire. Ce travail de thèse a permis des avancées technologiques certaine et constitue la première étape d'un processus d'innovation très important dans le domaine de la pyrotechnie spatiale.

La micro-robotique est une extension de la robotique à l'échelle micrométrique, c'est-à-dire autour de la résolution de l'÷uil humain soit environ 100 m. Sa naissance remonte aux années 90 à la suite de l'émergence des MEMS et MOEMS, une dizaine d'années plus tôt. Elle développe des solutions pour les applications de caractérisation de structures et de leur assemblage en produits composés, ou pour les applications de chirurgie minimalement invasive. Nos travaux sont dans le prolongement de la micro-robotique. Ils portent sur la micro vision robotique, une thématique mariant judicieusement la micro-robotique et la micro-vision, c'est-à-dire la vision arti cielle à l'échelle micro-métrique. Nous avons identi é et élucidé trois problématiques : l'imagerie avec les problèmes de modélisation et d'étalonnage, la synthèse d'images virtuelles avec les problèmes de calcul de microscopes virtuels exploitables, et l'asservissement visuel avec les problèmes de suivi robuste et précis d'informations dans les ux d'images, et les problèmes de calcul de lois de commande robustes et précises. Les développements ont été validés sur des applications d'instrumentation scienti que et industrielle : manipulation de micro-structures en vue de leur caractérisation ou de leur assemblage en structures 3D évoluées. Ces travaux vont se poursuivre sur une application de chirurgie minimalement invasive : pilotage de la position d'un spot laser en vue d'intervention sur les tissus du larynx. Puis ils vont s'étendre aux échelles inférieures, c'est-à-dire entre 10 m et 10 nm : la micro-nano et la nano visions robotiques. Les problématiques démeurent inchangées mais de nouveaux développements sont nécessaires pour prende en compte les propriétés spéci ques des imageries (microscopes électroniques) et des robots. Les applications ciblées par ces nouvelles thématiques sont la fabrication, la caractérisation et l'assemblage des micro-nano structures pour les systèmes opto-électroniques ou acousto-optiques.

In this thesis, intrinsic Josephson junctions, naturally formed in the strongly anisotropic high-temperature superconductor Bi2Sr2CaCu2O8 (Bi-2212), are studied experimentally. For this purpose, small mesa structures are fabricated on the surface of single crystals using micro- and nano-fabrication tools, focused ion beam is used to reduce the area of the mesa-structures down to ≈ 1 × 1 μm2. The properties of charge transport across copper-oxide layers inside the mesas are studied by intrinsic tunneling spectroscopy. Temperature, bias and magnetic field dependences of current-voltage characteristics are examined. In the main part of the thesis, the behavior of intrinsic Josephson junctions in magnetic fields B parallel to the copper-oxide planes is studied. Parallel magnetic fields penetrate the junctions in the form of Josephson vortices (fluxons). At high magnetic fields, fluxons are arranged in a regular lattice and are accelerated by a sufficient high transport current. As the fluxon lattice is moving through the mesa, it emits electromagnetic waves in the important THz frequency range. Properties of Bi-2212 mesas in this flux-flow regime are studied in this thesis. The following new observations were made during the course of this work: a crossover from thermal activation above Tc to quantum tunneling below Tc is seen in the interlayer transport-mechanism, the Fraunhofer pattern of Ic(B) is observed clearly in Bi-2212, superluminal electromagnetic cavity resonances and phonon-polaritons are observed in Bi-2212. It is argued that the employed technique for miniaturization of mesas and the obtained results can be useful for a better understanding of fundamental properties of high-temperature superconductors and for the realizations of coherent flux-flow oscillators and coherent phonon-polariton generators in the important THz frequency range. / At the time of the doctoral defense, the following paper was unpublished and had a status as follows: Paper 6: Manuscript.

Thanks to their capability of transmitting light with low loss, optical fibers have found a wide range of applications in illumination, imaging, and telecommunication. However, since the light guided in a regular optical fiber is well confined in the core and effectively isolated from the environment, the fiber does not allow the interactions between the light and matters around it, which are critical for many sensing and actuation applications. Specially shaped optical fibers endow the guided light in optical fibers with the capability of interacting with the environment by modifying part of the fiber into a special shape, while still preserving the regular fiber’s benefit of low-loss light delivering. However, the existing specially shaped fibers have the following limitations: 1) limited light coupling efficiency between the regular optical fiber and the specially shaped optical fiber, 2) lack special shape designs that can facilitate the light-matter interactions, 3) inadequate material selections for different applications, 4) the existing fabrication setups for the specially shaped fibers have poor accessibility, repeatability, and controllability. The overall goal of this dissertation is to further the fundamental understanding of specially shaped fibers and to develop novel specially shaped fibers for different applications. In addition, the final part of this dissertation work proposed a microfluidic platform that can potentially improve the light-matter interactions of the specially shaped fibers in fluidic environments. The contributions of this dissertation work are summarized as follows: 1) An enhanced fiber tapering system for highly repeatable adiabatic tapered fiber fabrications. An enhanced fiber tapering system based on a novel heat source and an innovative monitoring method have been developed. The novel heat source is a low-cost ceramic housed electric furnace (CHEF). The innovative monitoring method is based on the frequency-domain optical transmission signal from the fiber that is being tapered. The enhanced fiber tapering system can allow highly repeatable fabrication of adiabatically tapered fibers. 2) A lossy mode resonance (LMR) sensor enabled by SnO2 coating on a novel specially shaped fiber design has been developed. The developed LMR sensor has a D-shape fiber tip with SnO2 coating. It has the capability of relative humidity and moisture sensing. The fiber-tip form factor can allow the sensor to be used like a probe and be inserted into/removed from a tight space. 3) Specially shaped tapered fibers with novel designs have been developed for integrated photonic and microfluidic applications. Two novel specially tapered fibers, the tapered fiber loop and the tapered fiber helix have been developed. The tapered fiber loop developed in this work has two superiority that differentiated itself from previous works: a) the mechanical stability of the tapered fiber loop in this work is significantly better. b) the tapered fiber loops in this work can achieve a diameter as small as 15 ?m while still have a high intrinsic optical quality factor of 32,500. The tapered fiber helix developed in this work has a 3D structure that allows it to efficiently deliver light to locations out of the plane defined by its two regular fiber arms. Applications of the tapered fiber helices in both integrated photonic device characterizations and microparticle manipulations have been demonstrated. 4) Developed an acrylic-tape hybrid microfluidic platform that can allow function reconfiguration and optical fiber integration. A low-cost, versatile microfluidic platform based on reconfigurable acrylic-tape hybrid microfluidic devices has been developed. To the best of the author’s knowledge, this is the first time that the fabrication method of sealing the acrylic channel with a reconfigurable functional tape has been demonstrated. The tape-sealing method is compatible with specially shaped fiber integrations.

Thanks to their capability of transmitting light with low loss, optical fibers have found a wide range of applications in illumination, imaging, and telecommunication. However, since the light guided in a regular optical fiber is well confined in the core and effectively isolated from the environment, the fiber does not allow the interactions between the light and matters around it, which are critical for many sensing and actuation applications. Specially shaped optical fibers endow the guided light in optical fibers with the capability of interacting with the environment by modifying part of the fiber into a special shape, while still preserving the regular fiber’s benefit of low-loss light delivering. However, the existing specially shaped fibers have the following limitations: 1) limited light coupling efficiency between the regular optical fiber and the specially shaped optical fiber, 2) lack special shape designs that can facilitate the light-matter interactions, 3) inadequate material selections for different applications, 4) the existing fabrication setups for the specially shaped fibers have poor accessibility, repeatability, and controllability. The overall goal of this dissertation is to further the fundamental understanding of specially shaped fibers and to develop novel specially shaped fibers for different applications. In addition, the final part of this dissertation work proposed a microfluidic platform that can potentially improve the light-matter interactions of the specially shaped fibers in fluidic environments. The contributions of this dissertation work are summarized as follows: 1) An enhanced fiber tapering system for highly repeatable adiabatic tapered fiber fabrications. An enhanced fiber tapering system based on a novel heat source and an innovative monitoring method have been developed. The novel heat source is a low-cost ceramic housed electric furnace (CHEF). The innovative monitoring method is based on the frequency-domain optical transmission signal from the fiber that is being tapered. The enhanced fiber tapering system can allow highly repeatable fabrication of adiabatically tapered fibers. 2) A lossy mode resonance (LMR) sensor enabled by SnO2 coating on a novel specially shaped fiber design has been developed. The developed LMR sensor has a D-shape fiber tip with SnO2 coating. It has the capability of relative humidity and moisture sensing. The fiber-tip form factor can allow the sensor to be used like a probe and be inserted into/removed from a tight space. 3) Specially shaped tapered fibers with novel designs have been developed for integrated photonic and microfluidic applications. Two novel specially tapered fibers, the tapered fiber loop and the tapered fiber helix have been developed. The tapered fiber loop developed in this work has two superiority that differentiated itself from previous works: a) the mechanical stability of the tapered fiber loop in this work is significantly better. b) the tapered fiber loops in this work can achieve a diameter as small as 15 ?m while still have a high intrinsic optical quality factor of 32,500. The tapered fiber helix developed in this work has a 3D structure that allows it to efficiently deliver light to locations out of the plane defined by its two regular fiber arms. Applications of the tapered fiber helices in both integrated photonic device characterizations and microparticle manipulations have been demonstrated. 4) Developed an acrylic-tape hybrid microfluidic platform that can allow function reconfiguration and optical fiber integration. A low-cost, versatile microfluidic platform based on reconfigurable acrylic-tape hybrid microfluidic devices has been developed. To the best of the author’s knowledge, this is the first time that the fabrication method of sealing the acrylic channel with a reconfigurable functional tape has been demonstrated. The tape-sealing method is compatible with specially shaped fiber integrations.

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Au cours des dernières années, les matériaux optiques non linéaires ont attiré beaucoup d'attention en raison de leur application dans les télécommunications optiques. Les vitro-céramiques pour l’optique non-linéaire, ayant une microstructure alignée, présentent des propriétés physiques anisotropes. Il est donc intéressant de maîtriser la cristallisation dans ce genre de verre. Nous avons étudié ici la distribution, la taille et l'orientation sous un champ supplémentaire, en particulier par l’irradiation femtoseconde, de verres silicatés. Ce travail est important pour la conception et la production de nouveaux matériaux optiques non linéaires multi- fonction. Dans cette thèse, le champ thermique a été utilisé pour produire des cristaux dans un verre SrO-TiO₂-SiO₂. L’analyse a été menée à l’aide de la méthode des franges de Maker et de de diffraction des rayons X pour étudier la cristallisation et les propriétés optiques non-linéaires. Il a montré que les cristaux non linéaires Sr₂TiSi₂O₈ peut être obtenue dans la couche de surface par traitement thermique. L'axe polaire de cristaux orientés est perpendiculaire à la surface du verre. En augmentant la température ou en prolongeant la durée de traitement thermique, l’apparition d’une intensité non-nulle de génération de second harmonique (GSH) en incidence perpendiculaire indique la présence de cristaux orientés de manière aléatoire dans le volume du verre. Etant donné la cristallisation, spatialement difficile à contrôler par traitement thermique, l’irradiation laser femtoseconde pour contrôler la cristallisation dans le verre sont proposée en raison de son contrôle précis du dépôt d'énergie dans le temps et dans l'espace. Il ouvre des possibilités fantastiques pour la fabrication de matériaux multifonctionnels par maîtrisant la cristallization des cristaux non linéaires dans le verre. Nous avons précipité des cristaux orientés de LiNbO₃ et de Sr₂TiSi₂O₈ en volume par irradiation laser femtoseconde à haute cadence (typ. 300 kHz). Dans le verre Li₂O-Nb₂O₅-SiO₂, les micro-/nano-cristaux en variant l'énergie d'impulsion et la direction de polarisation ont obtenu. En particulier, lors de l'application à basse énergie et de la polarisation parallèle à la direction d'inscription du laser, la cristallization orientée en nanomètre a été démontrée par EBSD (Electron diffraction rétro-diffusée). Le mesure microscopique de SH a prouvé l’orientation préférentielle de cristallisation parallèlement à la direction de déplacement du faisceau laser. Afin de comprendre l'orientation exacte des cristaux par rapport à la direction d'écriture, une série de mesurer les signaux cohérent de SH ont été réalisés dans des paires de lignes de laser avec des orientations de déplacement opposées. EDS (spectromètre à dispersion d'énergie) et la micro-sonde nucléaire ont été utilisées pour réaliser l'analyse chimique dans les lignes de laser. Nous discutons aussi le mécanisme de cristallisation orientée en mode statique et en mode dynamique en illustrant la distribution des gradients différents. Pour le système SrO-TiO₂-SiO₂, l'irradiation du laser a été appliquée dans les verres stoechiométrique et non-stoechiométrique. Dans le premier cas, non seulement la taille et la distribution peuvent être contrôlées en variant les paramètres du laser, mais aussi la phase peuvent être choisis dans l'échantillon. La mesure de SH a montré que l'axe polaire de cristaux est toujours dans le sens de l'écriture. Pour le verre non-stoechiométrique, des purs cristaux de Sr₂TiSi₂O₈ ont été obtenus seulement. En utilisant EBSD, l'écriture asymétrique ont été étudiés en variant l’orientation de la polarisation et de l'écriture. On a montré ainsi que le mécanisme d'orientation est probablement dû à l'action combinée du front « tilté » de l’impulsion et à l’orientation du plan de polarisation qui conduit à une photosensibilité anisotrope. En conséquence, cela induit une distribution asymétrique des gradients thermiques et chimiques. / In the past few years, nonlinear optical materials have attracted much attention due to their application in optical telecommunications. Nonlinear optical glass-related materials have been widely studied according to their advantages. Glass ceramics having an aligned microstructure would exhibit an anisotropy of physical properties. This dissertation mainly contributes to the control of micro/nano-crystallization in silicate glass in crystalline phase, distribution, size and orientation under additional field, particularly by femtosecond irradiation, to master the nonlinear optical properties of glass further. This work is significant for the design and production of novel nonlinear optical material with multi-function in future. In this thesis, thermal field was used to induce crystals in SrO-TiO₂-SiO₂ glass. The crystallization behavior of glasses in different heat-treated condition and their second-order nonlinear optical properties have been analyzed by Maker fringes method and X-ray diffraction measurement, respectively. It showed that the oriented crystallization of nonlinear Sr₂TiSi₂O₈ crystals can be obtained in the surface layer by heat treatment. The polar axis of oriented crystals was perpendicular to the sample surface. Moreover, by applying higher temperature or prolonging the time duration of heat treatment, the maximum intensity of second harmonic generation shifting toward 0º is likely due to the presence of randomly distributed crystals in glass and surface crystallization turns to be volume at this moment. However, since it is hard to control crystallization by heat treatment and time-consuming, femtosecond laser irradiation was proposed to realize the control of crystallization in glass owing to the accessible control of energy deposition in time and in space. It opens fantastic opportunities to manufacture novel multifunctional materials by manipulating the crystallization of nonlinear crystals embedded in glasses. Therefore, we achieved to precipitate preferential oriented LiNbO₃ and Sr₂TiSi₂O₈ crystals in glass with femtosecond laser irradiation at high repetition rate (typ. 300 kHz). In Li₂O-Nb₂O₅-SiO₂ glass, we obtained micro-/nano-crystals in glass sample by varying pulse energy and polarization direction. Specifically, when applying low pulse energy and polarization parallel to laser writing direction, the oriented nano-crystallization has been obtained as shown by EBSD (Electron back-scattered diffraction). Second harmonic (SH) microscopy measurement illustrated preferred orientation of crystallization in laser lines. In order to understand the exact orientation of crystals with respect to the writing direction, a series of coherent SH measurement has been achieved in pairs of laser lines written in opposite orientation. EDS (Energy Dispersive Spectrometer) and nuclear micro-probe has been used to realize the chemical analysis in laser lines. The mechanism of oriented crystallization was discussed both in static mode and in dynamic mode through illustrating the distribution of different gradients. In SrO-TiO₂-SiO₂ system， laser irradiation was applied both in stoichiometric and non-stoichiometric glasses. In the former case, not only the size and distribution can be controlled by varying laser parameters, but also the crystalline phase can be chosen in samples. SH microscopy measurement was used to characterize the nonlinear properties of glass and it implied that the polar axis of crystals is always along the writing direction. In non-stoichiometric glass, only pure Sr₂TiSi₂O₈ crystals were obtained. The asymmetric writing involving oriented crystallization has been studied by varying polarization and writing orientation. The orientational dependent is likely due to the combined action of oblique pulse front tilt affected by the polarization orientation plane leading to different anisotropic photosensitivity and its aftereffects to induce asymmetric distribution of thermal and chemical gradients.