Titre de l'écran-titre (visionné le 19 juin 2023) / Une approche neurochirurgicale impliquant la stimulation intracérébrale profonde peut être utilisée afin d'atténuer les symptômes moteurs de la maladie de Parkinson lorsque l'efficacité des traitements pharmacologiques diminuent. La précision dans le placement des électrodes de stimulation à l'intérieur du cerveau est critique et les bienfaits cliniques qui découlent de cette chirurgie dépendent directement du positionnement des électrodes. Par conséquent, il est essentiel de mettre en œuvre des méthodes qui pourraient conduire à une meilleure précision du placement des électrodes lors de la chirurgie. Certaines méthodes, telles que l'enregistrement par microélectrode (MER) combiné à l'imagerie par résonnance magnétique (IRM), sont actuellement utilisées par les neurochirurgiens afin d'améliorer la précision du placement des électrodes. Le MER permet d'enregistrer les patrons de décharges d'un seul neurone afin d'identifier la cible et de confirmer l'emplacement des électrodes dans le cerveau. Même si le MER améliore le positionnement des électrodes, il a été démontré que cette méthode augmente le risque de saignement, la durée de l'opération ainsi que la quantité d'anesthésie administrée. Des électrodes contenant une sonde optique guidées grâce à la lumière pourraient être grandement utiles afin d'augmenter la précision durant la chirurgie. La spectroscopie de réflectance diffuse (DRS) est l'une des méthodes qui peut être efficace à cet égard. Cependant, un inconvénient possible de cette méthode est l'endommagement potentiel des tissus qui pourrait être causé par le transfert d'énergie et donc de chaleur vers les tissus. L'objectif général de cette étude est d'évaluer si l'utilisation de techniques de guidage optique utilisant la lumière serait sécuritaire afin d'améliorer la précision des chirurgies DBS. Brièvement, le logiciel PyTissueoptics a été utilisé afin de simuler le transport de la lumière dans le tissu cérébral et de trouver le volume quadratique moyen (RMS) d'absorption d'énergie. Avec ces informations en main, le tissu cérébral a été modélisé dans COMSOL afin de simuler la diffusion de la chaleur et de trouver la fraction de dommage. Dans l'ensemble, nos données suggèrent que l'augmentation de la température induite par l'utilisation de la lumière nécessaire au guidage optique est négligeable et ne serait pas suffisante afin d'induire un dommage significatif au parenchyme cérébral. / Deep brain stimulation surgery is commonly used to alleviate motor symptoms of Parkinson's disease (PD) in its late stages when pharmaceutical treatments become less effective. Precision in accurate placement of electrodes in deep brain structures is extremely important in the clinical outcome of the surgery. Therefore, it is essential to implement methods that can provide better accuracy for electrode placement during surgery. Some methods, such as microelectrode recording (MER), following pre-operative MRI trajectory planning, are currently used by neurosurgeons to gain precision during the surgery. MER records single neuron firing patterns in order to identify the target structure and confirm the location of the electrodes in the brain. Even though MER contributes to improved precision in electrode placement, it has been shown to increase bleeding risk, operation time, and either local or general anesthesia. Light-guided probes could be used to gain more precision during surgery. Diffuse reflectance spectroscopy (DRS) is one of the light-guided methods that can be effective in this regard. However, one possible drawback of this method is the potential tissue damage that could be caused by heat transferred to the tissue. The overarching goal of this study is to assess the safety of using light-guided techniques such as DRS, during DBS surgery. To reach this goal, computer simulations have been done with PyTissueoptics to simulate light transport in the brain tissue and find the root mean square (RMS) volume of energy absorbance and heat-up temperature. This information has then been used into COMSOL to simulate heat diffusion in brain tissue. By doing so, we were able to assess the temperature rise, in conjunction with possible fraction of damage that could occur in brain tissue. Using these simulations, we show that light needed for DRS guided surgery induces minimal temperature rise and non-significant damage to brain tissue.

L'oscillateur optoélectronique (OEO) introduit en 1994 par S. Yao et L. Maleki fut le premier oscillateur microondes incorporant une fibre optique très longue afin d'obtenir une très haute qualité spectrale. Dans cette thèse, nous nous sommes concentrés sur des applications de l'OEO, un domaine encore peu exploré. L'idée directrice est d'étudier des variations contrôlées de la fréquence d'oscillation et de montrer la faisabilité d'applications correspondantes. Deux possibilités sont abordées ici pour modifier la phase du signal et donc la fréquence d'oscillation. La première consiste à modifier le chemin optique global du système. Après avoir montré la sensibilité du système à une modification de la longueur de boucle, nous avons appliqué ce principe à la mesure de l'indice de réfraction de diverses solutions chimiques avec une précision estimée à cinq millièmes environ. Des améliorations sont possibles et doivent permettre de gagner un ordre de grandeur. Dans la deuxième méthode le signal optique en sortie de la fibre est divisé en deux voies a priori équivalentes. En imposant une variation de l'amplitude du signal dans un des chemins il est possible lors de la recombinaison électronique de modifier la phase globale. Une technique utilisant un amplificateur optique à semi-conducteur conduit à la réalisation d'un OEO contrôlé en tension ; une modulation de fréquence permettant de travailler jusqu'à un indice de modulation d'environ 5,4 est alors mise en œuvre. Une deuxième technique fondée sur un circulateur optique terminé par un interféromètre à fibre permet, grâce à une compensation des effets thermiques, de mesurer par exemple le coefficient d'absorption d'un liquide.

Depuis leur découverte, les matériaux organiques π-conjugués retiennent l'attention des chercheurs. Ces molécules semi-conductrices sont intéressantes pour leurs propriétés optoélectroniques, leur coût compétitif et leur bonne solubilité dans les solvants usuels. Ce dernier attribut leur permet d'être imprimées à grande échelle via différentes méthodes d'impression, ouvrant la porte au domaine de l'électronique imprimée. L'une des applications possibles de ces semi-conducteurs est comme matériaux actifs en cellules photovoltaïques organiques (OPV, pour organic photovoltaics). En effet, deux matériaux π-conjugués peuvent constituer la couche active du dispositif pour générer un photocourant : un semi-conducteur de type p (donneur d'électrons) et un semi-conducteur de type n (accepteur d'électrons). Depuis les 20 dernières années, des polymères π-conjugués ont été principalement étudiés comme matériaux de type p. Bien que plusieurs structures moléculaires présentent des performances très compétitives tout en permettant une stabilité accrue, leur synthèse peut être parfois complexe et coûteuse. Classiquement, des dérivées du fullerène étaient utilisés comme matériaux de type n avec ces polymères. Cependant, celui-ci participe très peu à l'absorption de la lumière et présente certains inconvénients face à la stabilité du dispositif. Une nouvelle gamme de matériaux de type n a fait son apparition depuis 2015 : les petites molécules π-conjugués de type n (NFA, pour non-fullerene acceptors). Ces nouvelles structures permettent d'atteindre continuellement de nouveaux records d'efficacité en cellules photovoltaïques organiques. Ce projet de doctorat vise à étudier différents aspects menant à un dispositif photovoltaïque organique à l'affut des enjeux de la mise à l'échelle. Afin d'obtenir des matériaux polymères performants et peu coûteux, la réaction de polymérisation doit être minutieusement optimisée. Dans un premier temps, l'étude de la polymérisation par (hétéro)arylation directe (DHAP) a été effectuée sur un polymère de type p connu, le PPDT2FBT. La DHAP réduit grandement le coût final du matériau, mais nécessite beaucoup d'optimisation par rapport aux méthodes classiques. Ensuite, ce polymère a été étudié en OPV en gardant l'objectif de la mise à l'échelle des dispositifs. Suivant ces résultats, les travaux ont visé à développer de nouveaux matériaux de type n à jumeler avec ce premier polymère. Vue la complexité synthétique de ces matériaux, des méthodes computationnelles ont été utilisées afin de modéliser les propriétés optoélectroniques. Dans un premier volet, ces méthodes computationnelles ont été méticuleusement optimisées pour ces types de molécules. Ensuite, ces méthodes ont été utilisées pour la conception de nouveaux matériaux de type n. Les travaux de cette thèse montrent de nombreux avancements dans différents aspects de la fabrication de cellules photovoltaïques organiques, soit la conception des matériaux, leur synthèse et la fabrication du dispositif. En plus de matériaux π-conjugués étudiés de façon expérimentale, le développement de plusieurs outils, tant synthétiques que computationnels, ont fait l'objet de ce projet. Les dispositifs les plus performants étudiés dans cette thèse ont montré des efficacités de conversion de puissance au-dessus de 8% et ce, en respectant plusieurs critères de la mise à l'échelle. / Since their discovery, organic π-conjugated materials have gained a lot of attention in the field of functional materials. These semiconducting molecules are particularly interesting for their optoelectronic properties, competitive cost and solubility in common solvents, which enables ink processability. This aspect allows these semiconductors to be fully printed at a large scale, opening-up the field of printed electronics. One of the applications for these materials is as organic photovoltaics (OPVs). In these devices, two semiconductors are integrated in the active layer: a p-type and an n-type material. Most research from the last 20 years has focused on π-conjugated polymers as p-type. Even though several highly efficient molecular structures have been developed, their synthetic complexity remains an issue regarding the material cost. On the other hand, fullerene derivatives were mainly used as n-type materials with these polymers. However, they have poor contributions to the light-harvesting capacity of the photovoltaic cell. More recently, a new class of n-type materials called non-fullerene acceptors (NFAs) has gained a lot of attention. These new molecular structures continuously achieve efficiency records in OPVs. The scope of this project is to study the different aspect leading to a scalable organic photovoltaic device. To get an efficient conjugated polymer at low cost, the polymerization reaction must be carefully optimized. First, this project aims to study the direct (hetero)arylation polymerization (DHAP) of the well-known p-type polymer PPDT2FBT. This polymerization method reduces the material cost, as it decreases the number of synthetic steps required for monomers. However, more optimization is needed compared to traditional methods. The fabrication of OPVs is then investigated while keeping in mind the process scalability. Following these results, NFAs have been developed to be paired with the PPDT2FBT. Since these materials are complex to synthesize, computational methods have been employed to model the optoelectronic properties. The computational methods were first optimized for several NFAs to judge their reliability. Then, they were used to design new materials for OPV. This thesis consolidates several steps in the fabrication of organic photovoltaics, from the molecular design of the organic semiconductors to their synthesis and characterization of devices. Moreover, this work has contributed by developing useful tools, both synthetic and computational. The most efficient photovoltaic device developed in this thesis showed a power conversion efficiency over 8% while having scale-up requirements.

Les nitrures d'éléments II-IV ZnSiN2, ZnGeN2 et ZnSnN2 forment une famille de semi-conducteurs liés aux nitrures d'éléments III (le GaN et ses alliages contenant de l'aluminium ou de l'indium). Ils s'obtiennent par construction en remplaçant l'élément III (Ga) périodiquement par un élément II (Zn) puis par un élément IV (Si, Ge ou Sn), ses voisins de gauche et de droite dans le tableau périodique. La structure cristalline qui en résulte est très proche de celle du GaN wurtzite. Le ZnGeN2 présente un désaccord de maille avec le GaN inférieur à 1%. Sa largeur de bande interdite est de quelques pour cents identique à celle du GaN et le large décalage de bande entre le GaN et le ZnGeN2 permet la formation d'une hétérostructure de type II. Ces données ont ouvert la voie à l'étude théorique de l'intégration des matériaux II-IV-N2 dans les zones actives de LEDs GaN. Ces puits quantiques de type II pourraient contribuer à améliorer les propriétés d'émission à grandes longueurs d'onde (verte et au-delà) des émetteurs à base de GaN. L'alliage ZnSn{x}Ge{1-x}N2 (de x = 0 à x = 1) étant peu connu, l'objectif de la thèse est de réaliser une étude expérimentale du matériau sous forme de couches minces élaborées par pulvérisation cathodique magnétron réactive. Ses propriétés structurales, optiques et électriques sont étudiées au moyen de différentes méthodes d'analyse. Il paraît ainsi possible de moduler son paramètre de maille a (de 3.22 A à 3.41 A) ainsi que la largeur de la bande interdite (de 2.1 eV pour le ZnSnN2 à 3.0 eV pour le ZnGeN2) mais également ses propriétés électriques sur plusieurs ordres de grandeur. L'utilisation de substrats de GaN permet, en outre, une analyse de l'interface entre les deux matériaux et l'étude des effets de quasi-épitaxie. / The II-IV-nitrides ZnSiN2, ZnGeN2 and ZnSnN2 represent a semiconductors family close to the III-nitrides (GaN and its aluminum and indium containing alloys). They are obtained by replacing periodically the group III element (Ga) by a group II element (Zn) and by a group IV element (Si, Ge or Sn), its left and right neighbors in the periodic table. The crystalline structure of ZnGeN2 is therefore really close to the one of wurtzite GaN. They show a lattice mismatch smaller than 1 %. The band gap of ZnGeN2 is almost identical to GaN and their large band offset enables the design of a type II heterostructure. These data set the stage for the theoretical study of II-IV-N2 integration into the active zones of GaN LEDs. These type II quantum wells could contribute to enhance the emission properties of GaN-based light emitters at high wavelengths (green and beyond). The ZnSn{x}Ge{1-x}N2 alloy (with x = 0 to x = 1) being rather unknown, the objective of this thesis is the experimental study of sputtered thin films of this material. Its structural, optical and electrical properties are investigated through different analysis methods. It seems possible to adjust its lattice parameter a (from 3.22 A to 3.41 A) as well as its band gap (from 2.1 eV for ZnSnN2 to 3.0 eV for ZnGeN2) but also its electrical properties on several orders of magnitude. The use of GaN substrates enables the investigation of the interface between both materials and quasi-epitaxy effects.

Le développement technologique dans le domaine des télécommunications, ainsi que des systèmes de détection, a accru ces dernières années la nécessité de signaux de référence présentant une très haute pureté spectrale. L'augmentation des débits, la saturation des bandes de fréquence ainsi que les performances imposées pour la détection radar ont ouvert la voie à la génération micro-onde par l'optique. Ces références de fréquence sont souvent issues d'oscillateurs optoélectroniques (OEO). Ces oscillateurs intègrent un élément de stockage de l'énergie au travers de résonateurs ou de longues lignes à retard fibrées afin d'augmenter leur facteur qualité et permettant ainsi d'atteindre des performances supérieures aux signaux multipliés à partir de sources basses fréquences ou directement à partir d'oscillateurs micro-ondes à résonateur diélectrique (DRO). Une topologie originale d'oscillateurs optoélectroniques a été proposée à la fin des années 1990 par une équipe américaine : il s'agit de remplacer le résonateur passif nécessitant un verrouillage du laser sur ce dernier par un résonateur actif, intégrant un amplificateur optique. Ce résonateur actif, un laser à blocage de modes, permet un couplage entre l'oscillation optique du laser et l'oscillation optoélectronique. On parle alors d'oscillateur optoélectronique couplé (COEO). Les performances du COEO sont étroitement liées à la pureté spectrale du signal issu du laser à blocage de modes. Ce travail de thèse traite de l'étude et de l'optimisation de ces systèmes. Une étude approfondie sur le bruit dans les amplificateurs optiques a tout d'abord été menée afin de déterminer quel type d'amplificateur choisir pour le COEO et sous quelles conditions l'amplification optique apporte un bruit de phase minimal. Ensuite, un COEO à 10 GHz a été réalisé, présentant un très faible bruit de phase atteignant - 132 dBc/Hz à 10 kHz de la porteuse. Un modèle a par ailleurs été implémenté, permettant de déterminer a posteriori l'efficacité du couplage et ainsi la bande de verrouillage entre l'oscillation optoélectronique et le laser à blocage de modes. Ce couplage interne dépend fortement de la dynamique du système. Cependant, les différents effets non linéaires qui ont lieu dans l'amplificateur à semiconducteur et les fibres ne permettent pas d'obtenir un modèle analytique. Un modèle itératif a alors été proposé afin d'obtenir les propriétés de l'enveloppe complexe lentement variable du peigne de fréquence généré en sortie du laser dont la photodétection conduit à la puissance RF générée par le COEO. Le COEO génère un peigne de fréquence suffisamment large pour produire des harmoniques RF supérieurs à la fréquence de répétition du laser à blocage de modes, si les modes longitudinaux espacés de plusieurs intervalles spectraux libres (ISL) sont en phase. Le modèle itératif développé permet, à partir des paramètres expérimentaux de déterminer le spectre optique ainsi que la distribution de phase à l'intérieur de celui-ci. Il est possible alors d'augmenter la puissance d'une harmonique en sortie de la photodiode par un ajout d'éléments dispersifs. Cette multiplication de fréquence permet la génération de signaux à haute pureté spectrale en bande millimétrique. Une démonstration expérimentale à 90 GHz a été proposée, basée sur un COEO fonctionnant à 30 GHz. Ces résultats sont prometteurs et une intégration du COEO dans un boîtier thermalisé ainsi qu'une gestion plus fine de la dispersion des fibres peut permettre des améliorations significatives sur le bruit de phase du système. / The important rise of telecommunication systems in the past decades, together with the sensitivity improvement of radar systems, has increased the necessity for high spectral purity frequency references at high frequencies. The saturation of classical microwave bandwidths motivated the search of frequency references at higher frequencies, such as K-band. Frequency multiplication from highly stable sources, such as quartz sources, is limited by the increase of the noise floor, which is often prohibitive at millimeter wave frequencies. On the contrary, microwave generation using optics becomes a very efficient technique in this frequency range. Indeed, passive optical resonators or delay lines feature a high Q factor which can be used to stabilize the microwave frequency. The best phase noise performance is today obtained with long delay line oscillators. However, a spurious mode suppression technique has to be implemented in this type of OEOs. The use of an active optical resonator is a third solution, which avoids any locking technique between the laser and the passive resonator. The first architecture of this type has been proposed at the end of the 1990's. In such a system, a mode-locked laser is coupled to a microwave oscillator (COEO). COEO phase noise performances are strongly dependent on the spectral purity of the mode locked laser signal. This thesis work focus on the study and the optimization of this system. Optical amplifiers noise is firstly investigated, in order to determine the optimal conditions to minimize their phase noise contribution to the COEO. A 10 GHz SOA based COEO has been realized and features a low phase noise level reaching - 132 dBc/Hz at 10 kHz from the carrier. An analytical model has also been developed to obtain the locking range of the coupled oscillations. This frequency range is strongly dependent on the coupling efficiency between optical oscillation and the optoelectronic oscillation. This parameter cannot be calculated analytically and an iterative model has been proposed to determine the amplitude and phase of the optical spectrum. Therefore, one can calculate the RF power on the photodiode, on which the coupling efficiency is depending. Since COEO features a large optical frequency comb where each tooth of the comb is phase locked thanks to the mode locked laser, harmonic generation from COEO is possible. Wide frequency comb from high frequency COEO allow millimeter wave generation. The iterative model developed in this work enable to determine the RF power of one specified harmonic from experimental parameters. Harmonic selection can also be performed through the management of the chromatic dispersion. Such frequency multiplication has been implemented to generate a high purity 90 GHz signal from a 30 GHz COEO.These results are promising and an integration of the system in a thermalized box is under process.

Le traitement optique des données tomodensitométriques fournies par les systèmes d'exploration volumique pourrait permettre d'accélérer considérablement les algorithmes de génération d'images dans le but de répondre aux besoins des futurs systèmes de thérapie assistée. Dans ce document, deux architectures optiques, correspondant aux deux opérations de base dans ce domaine, sont présentées : un système de filtrage et un système de rétroprojection. Ils sont abordés sous l'aspect matériel, puis sous l'aspect algorithmique. Quelle que soit la fonction réalisée, un processeur optique est toujours constitué de sources de lumière, d'afficheurs et de capteur d'images. L'état de l'art de ces composants révèle une faiblesse au niveau des afficheurs (SLM). En particulier, les SLM à base de cristaux liquides ferroélectriques sont étudiés en détail (modélisation, simulation et caractérisation de produits existants). L'intérêt des systèmes optiques de traitement est examiné à la fois du point de vue du temps de calcul, en comparaison avec les technologies numériques classiques, et en terme de qualité de traitement. Pour cela, les deux systèmes sont étudiés, dans un premier temps en simulation à l'aide d'un modèle approprié, puis expérimentalement sur un prototype. Dans le cadre du processeur de filtrage, les résultats restent plutôt moyens. Le rapport signal à bruit (SNR) sur les images reconstruites est de l'ordre de 20 dB en simulation avec un modèle dans lequel la majorité des distorsions géométriques n'ont pas été prises en compte. Les résultats expérimentaux mettent encore mieux en avant les limites de la méthode. Le travail de la lumière cohérente semble être un obstacle important. En revanche, les résultats avec le processeur de rétroprojection sont plutôt encourageants. Le modèle, beaucoup plus complet, et les simulations montrent qu'il est possible d'obtenir des images de qualité comparable à celles obtenues par calcul numérique (plus de 50 dB de SNR), avec une accélération d'un à deux ordres de grandeur. Les résultats obtenus avec le prototype expérimental confirment le potentiel de cette architecture. Une extension de ce travail concernant la réalisation d'un processeur hybride dédié à des algorithmes plus complexes (ex : l'algorithme ASSR pour la reconstruction d'image des CT-scan) est également présentée à la fin de ce document.

Cette étude porte sur la conception, l'élaboration sous contrôle optique et la caractérisation de modulateurs Fabry-Pérot en multicouches (Ga, Al)As. Ces dispositifs sont destinés à être utilisés comme portes optiques à 885 nm dans une architecture tout-optique. Après avoir exposé les contraintes imposées à ces composants par l'application visée, nous rappelons les notions de base nécessaires à la compréhension et au calcul du comportement optique de ces résonateurs. Nous discutons la capacité à assurer la fonction de modulation et les conditions de fonctionnement de ces dispositifs, directement liées aux propriétés optiques non-linéaires des semi-conducteurs sous excitation optique et électrique. Nous montrons que l'obtention de bonnes performances de modulation exige une grande maîtrise dans l'élaboration des structures, notamment dans les épaisseurs des couches constituantes dont la précision doit être inférieure à 1%. Dans un second temps, nous décrivons la technique d'épitaxie par jets moléculaires assortie des conditions expérimentales utilisées pour l'élaboration de ces composants. Après avoir mis en évidence la nécessité de disposer d'un moyen de contrôle en temps réel des épaisseurs déposées pour assurer la précision requise, nous présentons la technique de réflectométrie dynamique accordable développée dans ce but: principe, montage et caractéristiques. En particulier, nous montrons comment l'utilisation originale d'une source accordable permet de garantir la précision du contrôle optique par sélection des longueurs d'onde expérimentales optimales déterminées par un calcul préalable. Nous développons alors l'étude menée à l'aide de cette technique sur la caractérisation de la dispersion des indices optiques des alliages (Ga,Al)As à la température d'épitaxie et sur la croissance de réflecteurs de Bragg et de modulateurs Fabry-Pérot. Nous présentons ensuite les caractérisations des structures élaborées qui montrent que la précision requise sur les épaisseurs déposées est atteinte et que la modulation de la réflectivité est effectivement obtenue à la longueur d'onde de résonance visée. Nous concluons sur les perspectives d'amélioration de ces performances

La robotique collaborative connaît ces dernières années une forte croissance, grâce à la pertinence de la collaboration entre les humains et les robots dans un même espace de travail. Des applications industrielles se développent, aussi bien dans les grandes multinationales que dans les PME. Dans le contexte d’une chaîne d’assemblage automobile, de nombreuses problématiques se posent pour permettre la collaboration efficace entre robot et opérateur. Un robot collaboratif conçu dans ce cadre est destiné à effectuer des tâches d’assemblages dans des zones à l’accessibilité complexe. Étant à distance, l’opérateur n’aura pas nécessairement de visuel direct sur l’accomplissement de la tâche, et pour éviter des pertes de temps, il est souhaitable que le robot soit capable de vérifier et de valider automatiquement son bon accomplissement. En découle la problématique à l’étude dans ce mémoire, qui est la vérification automatique du bon accomplissement des tâches d’assemblage effectuées par le robot. Afin d’y répondre, une pré-étude est effectuée, visant à déterminer les possibilités en termes de capteurs et d’algorithmes de détection, et permettant de répondre aux besoins et contraintes de General Motors, commanditaire de cette étude. Chaque chapitre du mémoire présente donc un système de détection, composé d’un capteur et d’un ou plusieurs algorithmes de décision. Les différences en termes de traitement du signal et d’algorithme sont présentées et comparées, en s’appuyant sur des expérimentations. Parmi les types d’assemblages sélectionnés par General Motors, ceux utilisés pour la conception et l’expérimentation des solutions sont les assemblages clipsés (« snap fit ») et les assemblages de connecteurs électriques. Le premier chapitre présente une solution fondée sur l’utilisation de photodétecteurs, secondée par un algorithme vérifiant en temps réel les valeurs renvoyées par le photodétecteur. Lorsque cette valeur descend sous une valeur seuil préétablie, l’algorithme déduit que l’assemblage a été correctement effectué. Cette méthode est simple et robuste, ayant obtenu un taux de détection correcte de la situation d’assemblage de 100% lors des phases de tests. Cependant cette robustesse est contrebalancée par le caractère relativement spécifique de la solution et son peu de flexibilité pour l’adaptation à d’autres assemblages. Le second chapitre porte sur un système employant un accéléromètre destiné à enregistrer les différents mouvements survenant lors de l’assemblage. Suit une méthode de traitement du signal obtenu, permettant de caractériser et de différencier les signaux émanant d’assemblages réussis de ceux provenant d’assemblages ratés grâce à des paramètres statistiques. Ces derniers sont finalement récupérés par deux algorithmes de reconnaissance différents, qui sont ensuite comparés. Le premier algorithme consiste à vérifier la correspondance des paramètres statistiques d’un signal avec des valeurs seuil fixées à l’avance. L’autre méthode, issue de l’apprentissage automatique, utilise les Séparateurs à Vaste Marge pour distinguer deux classes : les assemblages réussis et les assemblages ratés. Après expérimentation, il ressort que ces deux méthodes ont des performances assez similaires , de l’ordre de 90%. Ainsi ce sera le contexte et la complexité du signal à étudier qui présideront au choix d’une méthode. Enfin, le dernier chapitre se penche sur l’emploi d’un microphone et de techniques de reconnaissance sonore pour permettre la bonne identification d’un assemblage de connecteurs électriques. Deux méthodes de traitement, la transformée en ondelettes et les Mel Frequency Cepstrum Coefficients (MFCC), sont comparées. La reconnaissance est assurée par un algorithme basé sur les modèles de mélange gaussiens. A l’issue d’essais où les deux prétraitements ont été mis à l’épreuve, en tenant compte de la résistance face au bruit ambiant, il est possible de constater que la transformée en ondelettes présente des performances supérieures aux MFCC, dans le cadre précis de l’étude. La reconnaissance sonore ne nécessitant qu’un son distinct à identifier pour pouvoir fonctionner, cette solution présente un fort potentiel d’adaptation à d’autres types d’assemblages, mais aussi d’autres problématiques. Ces trois systèmes permettent de balayer un certain éventail de possibilités, et les solutions présentées sont amenées à être croisées et bonifiées afin d’aboutir à des systèmes robustes et fiables, aux standards de l’industrie.

Le marché des dispositifs optoélectroniques (écrans, capteurs tactiles, cellules solaires…) transparents flexibles est en pleine expansion. Traditionnellement l’oxyde d’indium-étain (ITO) est utilisé comme électrode transparente, mais son importante fragilité mécanique couplée à une disponibilité future incertaine de l’indium (matériau classé comme critique par la commission européenne) nécessite de trouver des alternatives. Les nanofils métalliques, notamment à base d’argent, font partie des développements les plus avancés avec des performances optoélectroniques excellentes, ainsi qu’une mise en œuvre simple et des techniques d’impression bas coût compatibles avec les substrats flexibles. A l’aube d’une utilisation massive probable de ce nanomatériau, des questionnements émergent quant à leur toxicité potentielle, notamment en raison de leur facteur de forme rappelant celui de l’amiante. Ces travaux de thèse se déclinent selon trois axes : synthèse, propriétés et toxicité. L’optimisation du procédé polyol pour la synthèse des nanofils d’argent a conduit au contrôle indépendant des dimensions (diamètre et longueur). La détermination des performances optoélectroniques a permis un adressage précis des performances visées, en identifiant les morphologies adaptées à chaque domaine d’application. Le contact cutané et l’inhalation ayant été identifiés comme les principales voies d’exposition des nanofils d’argent durant leur mise en œuvre, des études de toxicité sur des fibroblastes et macrophages ont été réalisées. Ceci a permis l’identification de mécanismes biologiques différents selon la morphologie des nanofils mais également selon le type cellulaire. Ces nanofils apparaissent peu toxiques, notamment en comparaison à d’autres nanomatériaux connus. Cette approche dite « safer by design » permet in fine d’orienter la sélection des meilleurs nanofils en fonction de l’application ciblée. / The market for flexible transparent optoelectronic devices (displays, touch screens, solar cells, etc.) is expanding rapidly. Traditionally indium tin oxide (ITO) is used as a transparent conductive layer material, but its high mechanical fragility coupled with an uncertain future availability of indium (material classified as critical by the European Commission) requires alternatives material to be found. Metal nanowires, especially silver-based, are among the most advanced developments with excellent optoelectronic performances, as well as simple processing and printing techniques compatible with flexible substrates. At the dawn of a probable massive use of this nanomaterial, questions are emerging regarding to their potential toxicity, in particular because of their shape factor reminiscent of that of asbestos. This thesis is based on three axes: synthesis, properties and toxicity. The optimization of the polyol process for the synthesis of silver nanowires led to the independent control of dimensions (diameter and length). The determination of the optoelectronic performances allowed to determine the targeted performances, by identifying the morphologies adapted to each field of application. Since dermal contact and inhalation were identified as the main routes of exposure for silver nanowires during their implementation, toxicity studies on fibroblasts and macrophages were conducted. This allowed the identification of different biological mechanisms according to nanowire morphology but also according to cell type. These nanowires appear to have a low toxicity, especially when compared to other known nanomaterials. This "safer by design" approach makes possible to orient the selection of the safer nanowires according to the required performances of targeted application.

Les nitrures d’éléments III, à savoir GaN, InN, AlN et leurs alliages, forment une famille de matériaux semi-conducteurs dont les propriétés sont particulièrement intéressantes pour la réalisation de diodes électroluminescentes (LEDs). Leur intérêt réside en particulier dans leur bande interdite qui est directe et qui couvre une large bande spectrale de l’infrarouge (0,65eV pour InN) à l’ultraviolet (6,2eV pour AlN). En raison de l’absence de substrats accordés en maille avec ces matériaux, les couches minces hétéroépitaxiées de nitrure sont généralement touchées par des problèmes de qualité cristalline. Grâce au phénomène de relaxation des contraintes en surface, les nanofils offrent une solution prometteuse pour résoudre ce problème. Ils combinent de nombreux autres avantages : en comparaison des couches minces, l’efficacité quantique interne des LEDs peut être améliorée (surface effective plus importante permettant de diminuer l’effet Auger à courant injecté identique, absence de champ de polarisation en utilisant les facettes non polaires des nanofils) et l’extraction des photons est facilitée par l’effet guide d’onde des nanofils. Cependant, une des difficultés est de parvenir à contrôler la synthèse de ces nano-objets pour garantir une homogénéité des propriétés structurales d’un fil à l’autre et au sein d’un même fil. Dans ce contexte, mon travail de thèse a consisté à étudier d’un point de vue expérimental et théorique l’impact des inhomogénéités structurales sur les propriétés optoélectroniques de dispositifs à nanofils de type LED. J’ai pu mettre en évidence et modéliser un effet de concentration du courant dans les régions riches en indium lorsque les courants injectés sont modérés. Pour de forts courants, le courant se concentre à proximité du contact sur la coquille dopée p. Théoriquement, j’ai montré que la dérive des porteurs de charge dans les puits quantiques et leur diffusion unipolaire et ambipolaire en présence d’un gradient de compositions des puits étaient négligeables. Par ailleurs, je me suis également intéressé à l’interprétation des caractéristiques courant-tension. A l’aide d’un modèle simple, j’ai également identifié la présence de courant de fuite par effet tunnel dans des structures présentant une densité importante de défaut. Dans une seconde partie de ma thèse, je me suis également intéressé à la caractérisation de nanofils à structure coeur-coquille par la technique de courant induit par faisceau d’électrons (Electron Beam Induced Current). La dépendance des cartographies EBIC en fonction de la tension appliquée et de l’énergie du faisceau incident a été modélisée. Ce travail m’a notamment amené à proposer une nouvelle méthode de caractérisation permettant de cartographier les résistivités du coeur et de la coquille des nanofils. / III-nitrides i.e. GaN, InN, AlN and their alloys are semiconductors of choice to fabricate optoelectronic devices such as Light Emitting Diodes (LEDs). One of their most interesting features relies in their direct band gap that covers a very wide spectral range, from infrared (0.65 eV for InN) to UV (6.2 eV for AlN). However, the lack of lattice-matched substrate has been responsible for strong crystalline quality issues in heteroepitaxial thin films. Thanks to stress relaxation at their surface, nanowires provide a smart solution to this problem. Besides, they have a few more assets. In comparison to thin films, nanowires can improve the internal quantum efficiency of LEDs because of their higher effective surface that leads to lowered current densities and thus mitigated Auger effect. The internal quantum efficiency also benefits from the possibility to grow the active region on non polar facets, thus getting rid of the detrimental high internal polarization-induced electric field in quantum wells. Furthermore, the photon extraction efficiency is enhanced by the guiding effect of nanowires. However, despite all this promising advantages, one of the main challenges remains the control of structural homogeneity from wire to wire but also inside single wires.In this context, my work has consisted into studying from an experimental and theoretical point of view the consequences of these structural inhomogeneities on the optoelectronic properties of nanowire based LED devices. I have shown that the current tends to gather into indium-rich regions for moderate bias. At higher bias, the dominant current path though the junction is generally located under the p-contact on the nanowire shell. I have theoretically demonstrated that the unipolar and ambipolar diffusion of carriers as well as their drift induced by a composition gradient inside the quantum wells is not significant in the devices I have studied. Moreover, I took also an interest in the detailed analyze of I-V curves. Thanks to a simple model, I have identified the presence of leakage current related to defect- and phonon-assisted tunneling effect. In the second part of my work, I have focused onto the characterization of core-shell wires using the Electron Beam Induced Current technique. The bias-dependant and acceleration voltage-dependant EBIC maps has been explained with a theoretical model based on equivalent circuits. This study leads me to suggest a new experimental method that can be used to map the nanowire core and shell resistivity.