Ce travail de thèse répond à deux objectifs principaux. Le premier concerne la conception de métamatériaux électromagnétiques en vue de l'obtention de paramètres effectifs, et particulièrement d'indices de réfraction négatifs, dans des gammes de fréquences allant des micro-ondes à l'infrarouge. Le second objectif a trait à la conception de systèmes exploitant les possibilités offertes par les métamatériaux pour remplir des fonctions de contrôle de la propagation et du rayonnement électromagnétique. Pour la partie de conception de métamatériaux, nous présentons et analysons une série de résultats de simulation et de caractérisation expérimentale pour plusieurs prototypes à base de résonateurs métalliques de différents types, ainsi que des réseaux de grilles métalliques superposées. Des indices effectifs négatifs sont obtenus autour de 100 et 500 GHz, avec de remarquables performances en termes de pertes d'insertion et d'adaptation d'impédance, correspondant à l'état de l'art actuel. Pour la partie de conception de systèmes, nous présentons un ensemble de travaux exploitant la méthode dite « d'optique de transformation ». Une première étude a trait à l'implémentation sous forme de métamatériaux à résonateurs de Mie d'un dispositif d'invisibilité. Une seconde étude concerne un ensemble de dispositifs apparentés à des hyperlentilles, susceptibles de réaliser différentes fonctions sur des images de champ proche. Enfin, une dernière étude concerne une proposition de système de contrôle du diagramme de rayonnement d'une antenne exploitant les propriétés des espaces courbes pour la propagation des ondes. / The objective of this thesis work is two-fold. Firstly, we design electromagnetic metamaterials in order to obtain specific effective parameters, and especially negative indices of refraction, in frequency bands ranging for the microwaves to the infrared. Secondly, we design systems exploiting the possibilities offered by metamaterials to control the propagation and the radiation of electromagnetic waves. In the metamaterial design part, we present and analyze a series of simulation and experimental results for several prototypes based on metallic patterns and subwavelength hole arrays in superimposed metallic plates. Negative effective indices are obtained around 100 and 500 GHz, with state-of-the-art performance in terms of insertion losses and impedance matching. In the metamaterial-based system design, we present different studies exploiting the “transformation optics” procedure. The first one deals with a Mie-resonator-based implementation of an invisibility device. The second one concerns a family of devices related to hyperlenses which can accomplish different functions on near field images. Lastly, we propose a device to control the radiation pattern of an antenna, exploiting the wave propagation properties of curved spaces.

Dans ce travail, une approche diélectrique de la réfraction négative dans les cristaux photoniques et métarnatériaux est étudiée pour une application à la focalisation de la lumière par une lentille plane aux longueurs d'ondes optiques. Ces travaux englobent les phases de conception et de fabrication, ainsi que la caractérisation en champ proche optique de différents prototypes. Dans ce cadre, il a été mis en évidence expérimentalement une focalisation sous-longueur d'onde par une lentille plate d'indice de réfraction égale à -1 à base de cristaux photoniques à la longueur d'onde de 1.5 µm. D'abord, les concepts relatifs à l'obtention d'un indice de réfraction négatif dans les matériaux artificiels périodiques sont rappelés, et ce tout particulièrement dans les cristaux photoniques bidimensionnels. C'est par l'ingénierie de structure de bandes que les conditions nécessaires à l'obtention d'un indice de réfraction négatif sont précisées. Nous mettons en place une méthode d'optimisation de la transmission et de l'indice d'un cristal de dimension finie reposant sur l'ingénierie de modes résonnants de type Fabry-Pérot de la cavité pour des incidences variées. Ensuite, le dispositif de lentille plate à base de cristaux photoniques ainsi optimisé, est fabriqué en ayant recours aux techniques de nano-lithographie électronique avec l'utilisation d'une résine négative oxydable - HSQ - et de gravure profonde assistée par ICP. Enfin, les résultats expérimentaux sont comparés. Ils corroborent les simulations tridimensionnelles FDTD effectuées en parallèle. En guise de perspective, une ouverture sur l'application de la réfraction négative à la furtivité et l'invisibilité est proposée. / Ln this thesis, we report on the dielectric approach to achieve negative refraction in photonic crystals and metamaterials in order to provide the focusing effect of a point source through a flat lens at optical wavelengths. A comprehensive investigation is done numerically and experimentally by using a photonic crystal flat lens prototype properly designed to perform scanning near field optical microscopy. ln the first part, we recall the concepts related to negative refraction and superlensing criteria. ln photonic crystals, negative refraction can occur by using Bloch waves dispersion. However, the feasibility of such a so-called superlens, wich requires at the sarne time an optical index of n=-1 and a perfect impedance matching remains a challenging task. So, we adress this issue by optimizing the electromagnetic transmission and the refraction index of a finite sized slab of photonic crystals. The advantage of our method lies in the existence of Fabry-Pérot effect resulting of interferences between the front and the rear interface of the slab. We then fabricated the flat lens by using the nanoelectronics techniques on III-V semiconductors .The photonic crystals lattice is defined by e-beam lithography on a negative resist (HSQ HydrogenSilsesQuioxane) and then etched within the semiconductor slab by using Inductively Coupled Plasma (lCP) etching technique. Strong anisotropy with aspect ratios higher than 10:1 can be routinely obtained. At least, from the comparison between 3D-FDTD simulations and experiments, we quantify the resolution of the lens and discuss the ability of the reported lens to overcome the classical limitation in terms of subwavelength resolution.

Ce travail s’inscrit dans le contexte des métamatériaux micro-ondes avec possibilité de les accorder par films minces ferroélectriques. Nous étudions dans un premier temps l'extraction de la permittivité complexe d'un film de BST, déposé par voie sol-gel, dans une très large gamme de fréquences (1MHz - 2.6THz). Ces mesures ont permis de mettre en évidence une dispersion de la permittivité complexe suivant un modèle Cole-Cole. L'intégration de ces films minces dans des structures microondes est ensuite effectuée. D'une part, des lignes classiques à retard de phase sont caractérisées et montrent des performances atteignant un déphasage différentiel de 360° à 30 GHz sous 40 Volts. D'autre part, des lignes à avance de phase sont conçues pour fonctionner en régime composite équilibré. Le point d'indice nul voit sa fréquence changer en tension avec le glissement du diagramme de dispersion. Les lignes de transmission chargées de micro-résonateurs peuvent aussi tirer profit du changement de permittivité des films de BST pour accorder leurs caractéristiques de transmission-réjection. Une microstructuration du film ferroélectrique est réalisée réduisant le dépôt à la zone d'agilité, minimisant les pertes diélectriques. Enfin, la propriété de réfraction négative des métamatériaux est démontrée par la fabrication d'un prototype fonctionnant en régime composite équilibré dans les bandes X et Ku. Les étapes de conception par simulations permettent de mettre en évidence les trois zones principales où la réfraction est respectivement négative, nulle et positive. Ces résultats sont vérifiés par la mesure de l'amplitude de l'onde réfractée à l'aide d'un dispositif de type goniomètre. / This work deals with metamaterials at microwave frequencies and their possibility to be tuned by means of ferroelectric thin films. In a first step, the retrieval of the complex permittivity of a BST thin film deposited by a sol-gel technique is achieved in a broad frequency range (1MHz - 2.6THz). It permits us to deduce that the dispersion of the dielectric function can be analyzed by a Cole-Cole function, meaning that the relaxations times are distributed. Then we investigate the possibility to integrate ferroelectric thin films in microwave devices. Some right-handed phase shifters, which are one of the elementary functions to tune a phased array antenna, are realized and characterized. We obtained a differential phase shift of 360° at 30 GHz for a 40 Volts bias voltage. On the other hand, left-handed transmission lines are designed and fabricated in order to exhibit a balanced behaviour of the dispersion diagram. The zero index point can be tuned when a bias voltage is applied. Micro-resonators, which permit to have artificial magnetism, can also take benefit of the permittivity variations of BST films to tune the transmission-rejection characteristics of a microstrip transmission line. In order to avoid spurious losses, the BST film is etched except under the tunable elements. At last, we demonstrate experimentally the balanced composite character of the dispersion by frequency and angle-resolved transmission measurements, carried out at centimeter wavelengths on slabs and wedge-type prototypes, respectively, of a prototype composed of an Omega-type unit cell.

Quelle que soit la nature des ondes utilisées et des milieux traversés, le contrôle de la propagation ondes est d'un intérêt majeur pour de nombreuses applications. D'une part, la complexité du milieu peut être exploitée en exerçant un contrôle cohérent du front d’onde incident. D'autre part, on peut forcer une onde à se propager suivant un chemin désiré en concevant soi-même le milieu de propagation. Dans cette thèse, nous étudions ces deux aspects à partir d'expériences ultrasons-laser mettant en jeu la propagation d'ondes de Lamb dans des plaques.La propagation des ondes à travers un milieu diffusant est tout d’abord étudiée à partir de sa matrice de diffusion. Une prédiction théorique importante est l’existence de canaux de propagation totalement ouverts ou fermés. Une première partie de ces travaux consiste à démontrer expérimentalement ce résultat en mettant en évidence la possibilité de transmettre totalement une onde à travers un milieu désordonné. Dans un second temps, la mesure d’une matrice des temps de vol nous permet d’étudier ces canaux dans le domaine temporel. Ceux-ci donnent lieu à des paquets d’onde dont la cohérence spatiale et temporelle est conservée tout au long de leur propagation dans le milieu.Le second volet de cette thèse consiste à tirer profit des phénomènes de réflexion et réfraction négative afin de contrôler la propagation des ondes de Lamb. D’une part, la réflexion négative est mise à profit pour réaliser une conjugaison de phase passive des ondes de Lamb. D’autre part, le concept des milieux complémentaires est exploré afin d’annuler la diffraction des ondes et ainsi camoufler certaines zones du milieu de propagation. / Whatever their nature or the propagation medium, controlling the propagation of waves is of fundamental interest for many applications. On the one hand, one can tame wave-fields in order to take advantage of the complexity of the medium. On the other hand, one can force waves along desired paths through a careful design of manmade materials. In this thesis, we study those two aspects on the basis of laser-ultrasonic experiments involving the propagation of Lamb waves in elastic plates.The control of wave propagation through complex systems is first investigated by means of the scattering matrix approach. In diffusive media, theorists have demonstrated the existence of propagation channels either closed or open through which the wave can travel. The first part of this work present a direct experimental evidence of this result as well as the ability to fully transmit a wave through a disordered medium. In a second part, the measurement of the time-delay matrix allows the study of such channels in the time domain. They are shown to give rise to particle-like wave packets that remain focused in time and space throughout their trajectory in the medium.The second part of this thesis consists in studying the concepts of negative reflection and refraction for the manipulation of Lamb wave propagation. On the one hand, negative reflection is taken advantage of to perform a passive phase conjugation of Lamb waves. On the other hand, the notion of complementary media is investigated in order to cancel the diffraction of waves and cloak some areas of the plate.

Le travail présenté dans cette thèse porte sur l’étude des propriétés électriques et des mécanismes physiques d’un dispositif à base du matériau hybride : PTEDOT-AuNPs et de son application dans le domaine des mémoires résistives non-volatiles. Nous décrivons d’abord la synthèse de ce matériau hybride obtenu ainsi que sa caractérisation électrique et physique. La fabrication du dispositif est ensuite réalisée en combinant les techniques de la photolithographie et de l’électropolymérisation. Nous mettons en évidence par la suite, le phénomène de l’électroforming du dispositif qui s’accompagne d’un changement de sa résistance pendant la caractérisation électrique. Nous discutons la nature physique de ce phénomène lié à une augmentation locale de la température et à la création d’un chemin conducteur. Après cette étape, le dispositif présente un effet mémoire et d’un effet de résistance négative différentielle. Les résultats obtenus permettent de démontrer les potentialités d’application dans les applications en mémoires résistives non volatiles. Nous avons également étudié les mécanismes physiques de fonctionnement de notre dispositif. La formation du chemin conducteur entre les deux électrodes et l’effet de piégeage et dépiégeage sont les principaux mécanismes responsables de l’électroforming et de l’effet mémoire. Enfin, nous nous sommes intéressés à la réalisation de dispositifs multi terminaux (6 électrodes) "NanoCell" et avons démontré que notre dispositif pouvait réaliser des fonctions logiques reconfigurables. Nous démontrons en effet de réaliser deux portes logiques à l’aide du "NanoCell" par simple choix du niveau du courant seuil externe. / The work presented in this thesis deals with the study of the electrical properties and physical mechanism of a device based on the functional hybrid material: PTEDOT-AuNPs and its application in the field of non-volatile resistive memory. Firstly, we demonstrate the synthesis of this hybrid material as well as its electrical and physical characterization. The fabrication of nanodevice is then carried out by combining the photolithography and electropolymerization. During the electrical characterization, the forming process which is accompanied by a resistive switching of the device is demonstrated in the following. We discuss the physical nature of this phenomenon, and believed that it is related to a local change in temperature and the creation of a metal conducting paths. After that, the device exhibits two electrical behaviors: a negative differential resistance effect and a memory effect. The results obtained in the reliability test make it possible to demonstrate promising applications in nonvolatile resistive memories. In the study of the physical mechanisms of resistive switching between two distinct conductance states of our device, the formation of the conductive path between the two electrodes and the effect of trapping and trapping are the main mechanisms responsible for the forming process and the memory effect. Finally, we were interested in the realization of the "NanoCell" logic gate for molecular computing which based on our multi-terminal devices (6 electrodes). We proved that it is possible to realize two basic logic gates by choosing the level of the external threshold current after the configuration of "Nanocell".

Inspiré de la jurisprudence administrative, le contrôle des incompétences négatives est l’un des contentieux les plus mobilisés par le Conseil constitutionnel. Dès la première censure prononcée en 1967, le juge constitutionnel s’est « approprié » les incompétences négatives en s’écartant des classifications traditionnelles du droit administratif et en utilisant ce contentieux bien au-delà de la répartition des compétences. Aujourd’hui, il s’agit davantage d’un contrôle du fond de la loi que de sa forme. Se pose alors la question de savoir pourquoi le Conseil refuse d’accueillir les demandes fondées sur l’incompétence négative – exclusivement – dans le cadre des questions prioritaires de constitutionnalité. En réalité, les incompétences négatives ont une qualité essentielle : elles permettent de réaliser un contrôle effectif des omissions législatives, de renforcer la protection des droits et libertés, sans jamais avoir l’apparence de le faire. / Inspired by the administrative’s case law, control of the « incompétence négative » is one of the most mobilized by the Constitutional Council. From the first censure pronounced in 1967, the constitutional Council "appropriated" this notion by departing from the traditional classifications of administrative law and use this concept well beyond the distribution of powers. Today, it is more of a substance check of the law than a formal control. This raises the question of why the judge refuses to accommodate requests based on the « incompétence négative » - exclusively - as part of the priority preliminaryruling on the issue of constitutionality. In fact, this notion has an essential quality: it allow to achieve an effective control of legislative’s omissions, to strengthen the protection of rights and freedoms without ever having the appearance of doing so.

Le démélange de sources pour la pollution de l'air peut être formulé comme un problème de NMF en décomposant la matrice d'observation X en le produit de deux matrices non négatives G et F, respectivement la matrice de contributions et de profils. Généralement, les données chimiques sont entâchées d'une part de données aberrantes. En dépit de l'intérêt de la communauté pour les méthodes de NMF, elles souffrent d'un manque de robustesse à un faible nombre de données aberrantes et aux conditions initiales et elles fournissent habituellement de multiples minimas. En conséquence, cette thèse est orientée d'une part vers les méthodes de NMF robustes et d'autre part vers les NMF informées qui utilisent une connaissance experte particulière. Deux types de connaissances sont introduites dans la matrice de profil F. La première hypothèse est la connaissance exacte de certaines composantes de la matrice F tandis que la deuxième information utilise la propriété de somme-à-1 de chaque ligne de la matrice F. Une paramétrisation qui tient compte de ces deux informations est développée et des règles de mise à jour dans le sous-espace des contraintes sont proposées. L'application cible qui consiste à identifier les sources de particules dans l'air dans la région côtière du nord de la France montre la pertinence des méthodes proposées. Dans la série d'expériences menées sur des données synthétiques et réelles, l'effet et la pertinence des différentes informations sont mises en évidence et rendent les résultats de factorisation plus fiables. / Source apportionment for air pollution may be formulated as a NMF problem by decomposing the data matrix X into a matrix product of two factors G and F, respectively the contribution matrix and the profile matrix. Usually, chemical data are corrupted with a significant proportion of abnormal data. Despite the interest for the community for NMF methods, they suffer from a lack of robustness to a few abnormal data and to initial conditions and they generally provide multiple minima. To this end, this thesis is oriented on one hand towards robust NMF methods and on the other hand on informed NMF by using some specific prior knowledge. Two types of knowlodge are introduced on the profile matrix F. The first assumption is the exact knowledge on some of flexible components of matrix F and the second hypothesis is the sum-to-1 constraint on each row of the matrix F. A parametrization able to deal with both information is developed and update rules are proposed in the space of constraints at each iteration. These formulations have been appliede to two kind of robust cost functions, namely, the weighted Huber cost function and the weighted αβ divergence. The target application-namely, identify the sources of particulate matter in the air in the coastal area of northern France - shows relevance of the proposed methods. In the numerous experiments conducted on both synthetic and real data, the effect and the relevance of the different information is highlighted to make the factorization results more reliable.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

En focalisant le rayonnement dans les directions utiles, les antennes directives ouvrent de nouvelles perspectives pour les applications sans-fil en termes de sélectivité spatiale, d'impact environnemental électromagnétique et de modes d'utilisation. Cependant les techniques classiques pour augmenter la directivité aboutissent souvent à une augmentation de la taille de l'antenne rendant difficile l'intégration dans les petits objets communicants. Cette difficulté est particulièrement critique pour les gammes de fréquences inférieures au gigahertz, lorsque l'on vise une intégration dans des objets dont les dimensions sont limitées à quelques centimètres. Le contrôle du rayonnement reste un enjeu important pour les radiocommunications futures afin de réduire les pollutions électromagnétiques qui limitent l'acceptabilité des communications sans-fil et la cohabitation des systèmes. L'état de l'art récent dans le domaine des antennes miniatures a montré de nouvelles perspectives pour l'établissement de super-directivité ; c'est-à-dire pour dépasser la directivité naturelle faible des systèmes antennaires miniatures. Ces perspectives reposent sur l'utilisation de réseaux d'antennes parasites miniatures pour construire un rayonnement directif. De plus, les activités de recherche dans le domaine des antennes actives ces dernières années permettent d'envisager une approche moderne aux problématiques liées à la directivité des antennes miniatures. Ces travaux de thèse ont pour objectif d'évaluer les perspectives d'améliorations qu'apporte l'électronique active aux problématiques des antennes miniatures directives. Des circuits au comportement particulier sont notamment mis en œuvre et évalués expérimentalement pour concrétiser ces nouvelles perspectives. / Directive antennas, used to focus the radiation in useful directions, offer new perspectives for wireless applications in terms of spatial selectivity, electromagnetic environmental impact and possible uses. Nevertheless, usual techniques to enhance antennas’ directivity lead to larger antennas and their integration into small objects would be difficult. That becomes critical when antennas working at less than 1 GHz frequencies have to be integrated in small objects (around few centimeters). Radiation control through directive antennas is being an important issue for the future communications. This kind of antennas allows reducing electromagnetic pollutions which limit wireless systems and communicants objects cohabitation. Recent state of the art shows new perspectives to establish small antennas with super directive radiation using parasitic antenna arrays. A super directive antenna is a small antenna that exceeds its natural and low directivity. Moreover, these last few years, researches on active antennas and associated results could be considered for modern approach to deal with small and directive antennas’ issues. In this work, we propose to evaluate the enhancement perspectives brought by the active electronic circuits to solve the small and directive antennas’ issues. Typically, special active circuits are designed and experimentally evaluated to materialize those antennas perspectives.

Dans cette thèse, nous explorons de nouvelles méthodes d’analyse d’images pour la détection précoce des changements métaboliques cérébraux causés par la maladie d’Alzheimer. Nous introduisons deux apports méthodologiques que nous appliquons à un ensemble de données réelles. Le premier est basé sur l’apprentissage automatique afin de créer une carte des informations pertinentes pour la classification d'un ensemble d’images. Pour cela nous échantillonnons des blocs de Voxels selon un algorithme de Monte-Carlo. La mise en œuvre d’une classification basée sur ces patchs 3d a pour conséquence la réduction significative du volume de patchs à traiter et l’extraction de caractéristiques dont l’importance est statistiquement quantifiable. Cette méthode s’applique à différentes caractéristiques et est adaptée à des types d’images variés. La résolution des cartes produites par cette méthode peut être affinée à volonté et leur contenu informatif est cohérent avec des résultats antérieurs obtenus dans la littérature. Le second apport méthodologique porte sur la conception d’un nouvel algorithme de décomposition de tenseur d’ordre important, adapté à notre application. Cet algorithme permet de réduire considérablement la consommation de mémoire et donc en évite la surcharge. Il autorise la décomposition rapide de tenseurs, y compris ceux de dimensions très déséquilibrées. Nous appliquons cet algorithme en tant que méthode d’extraction de caractéristiques dans une situation où le clinicien doit diagnostiquer des stades précoces de la maladie d'Alzheimer en utilisant la TEP-FDG seule. Les taux de classification obtenus sont souvent au-dessus des niveaux de l’état de l’art. / In this thesis we want to explore novel image analysis methods for the early detection of metabolic changes in the human brain caused by Alzheimer's disease (AD). We will present two methodological contributions and present their application to a real life data set. We present a machine learning based method to create a map of local distribution of classification relevant information in an image set. The presented method can be applied using different image characteristics which makes it possible to adapt the method to many kinds of images. The maps generated by this method are very localized and fully consistent with prior findings based on Voxel wise statistics. Further we preset an algorithm to draw a sample of patches according to a distribution presented by means of a map. Implementing a patch based classification procedure using the presented algorithm for data reduction we were able to significantly reduce the amount of patches that has to be analyzed in order to obtain good classification results. We present a novel non-negative tensor factorization (NTF) algorithm for the decomposition of large higher order tensors. This algorithm considerably reduces memory consumption and avoids memory overhead. This allows the fast decomposition even of tensors with very unbalanced dimensions. We apply this algorithm as feature extraction method in a computer-aided diagnosis (CAD) scheme, designed to recognize early-stage ad and mild cognitive impairment (MCI) using fluorodeoxyglucose (FDG) positron emission tomography (PET) scans only. We achieve state of the art classification rates.