Le travail présenté dans ce manuscrit a été effectué au sein de l'équipe de microélectronique de l'Institut de Recherche sur les lois Fondamentales de l'Univers (IRFU) du CEA. Il s'inscrit dans le contexte de la spectro-imagerie X et gamma pour la recherche en Astrophysique. Dans ce domaine, les futures expériences embarquées à bords de satellites nécessiteront des instruments d'imagerie à très hautes résolutions spatiales et énergétiques.La résolution spectrale d'une gamma-camera est dégradée par l'imperfection du détecteur lors de l'interaction photon-matière lui-même et par le bruit électronique. Si on ne peut réduire l'imprécision de conversion photon-charge du détecteur, on peut minimiser le bruit apporté par l'électronique de lecture. L'objectif de cette thèse est la conception d'une électronique intégrée de lecture de détecteur semi-conducteurs CdTe pixélisés pour gamma-caméra(s) compacte(s) et aboutable(s) sur 4 côtés à résolution spatiale " Fano limitée ". Les objectifs principaux de ce circuit intégré sont: un très bas bruit pour la mesure d'énergie des rayons-X, une très basse consommation, et une taille de canal de détection adaptée au pas des pixels CdTe. Pour concevoir une telle électronique, chaque paramètre contribuant au bruit doit être optimisé. L'hybridation entre l'électronique de lecture et le détecteur est également un paramètre clef qui fait généralement la résolution finale de l'instrument : en imposant une géométrie matricielle à l'ASIC adaptée au pas de 300 µm des pixels de CdTe, on peut espérer, réduire d'un facteur 10 la capacité parasite amenée par la connexion détecteur-électronique et améliorer d'autant le bruit électronique tout en conservant une densité de puissance constante. Une bonne connaissance des propriétés du détecteur nous permet alors d'extraire ses paramètres électroniques clefs pour concevoir l'architecture électronique de conversion et de filtrage optimale. Dans le cadre de cette thèse j'ai conçu deux circuits intégrés en technologies CMOS XFAB 0.18 µm. Le premier, Caterpylar, est destiné à caractériser cette nouvelle technologie, y compris en radiation, identifier un étage d'entrée pour le pixel adapté au détecteur, et valider par la mesure les résultats théoriques établis sur deux architectures de filtrage, semi gaussien et " Multi-Correlated Double Sampling " (MCDS), approchant l'efficacité du filtrage optimal et adaptées aux applications finales. Le deuxième circuit, D2R1, est un système complet, constitué de 256 canaux de lecture de détecteur CdTe, organisés dans une matrice de 16×16 pixels. Chaque canal comprend un préamplificateur de charge adapté à des pixels de 300 μm×300 μm, un opérateur de filtrage de type MCDS de profondeur programmable, d'un discriminateur auto-déclenché à bas seuil de détection programmable par canal. L'ASIC a été caractérisé sans détecteur et est en voie d'être hybridé à une matrice de CdTe très prochainement. Les résultats de caractérisations de la puce nue, en particulier en terme de produit puissance × bruit, sont excellents. La consommation de la puce est de 315 µW/ canal, la charge équivalente de bruit mesurée sur tous les canaux est de 29 électrons rms. Ces résultats valident le choix d'intégration d'un filtrage de type MCDS, qui est, à notre connaissance une première mondiale pour la lecture de détecteurs CdTe. Par ailleurs, ils nous permettent d'envisager d'excellentes résolutions spectrales de l'ensemble détecteur+ASIC, de l'ordre de 600 eV FWHM à 60 keV.

Cette thèse évolue selon trois axes de recherche. La première partie présente des travaux de spectroscopie TéraHertz (THz) de COV réalisés à l'aide du spectromètre THz par technique de photomélange, ce dernier rendant accessible la région spectrale 0,3-3 THz à haute résolution. Ces travaux concernent l'amélioration de paramètres moléculaires du formaldéhyde (H₂CO) obtenue grâce à la mise en oeuvre d'un système de métrologie performant reposant sur l'utilisation d'un peigne de fréquence. La très haute résolution de ce spectromètre a également permis un travail de collaboration efficace avec différents laboratoires concernant la détermination de coefficients d'élargissement du chlorure de méthyle (CH₃Cl). La deuxième partie montre la possibilité de détection de radicaux légers par technique de photomélange au travers d'études concernant les radicuax hybroxyle (OH) et mercaptan (SH). La très haute résolution de notre spectromètre donne accès à leur structure hyperfine avec des précision encore inégalées dans la région 1-3 THz. Cette partie illustre également l'intérêt de notre collaboration avec la ligne AILES du synchrotron SOLEIL et démontre la grande complémentarité entre le spectromètre photo-mélange et l'interféromètre couplée au rayonnement synchrotron. La dernière partie présente l'initiation au sein du groupe THz d'une étude cinétique effectuée grâce à une chaîne par multiplication de fréquence. Cette étude concerne concerne la photolyse de H₂CO. S'ajoute à ceci une étude visant à caractériser le rayonnement THz en présence d'aérosols de chlorure de sodium hydratés.

Grâce à un long temps de vie de spin, le silicium est un matériau prometteur pour l'électronique de spin. Mais les approches classiques d'étude de la dynamique de spin basées sur la luminescence polarisée ne peuvent pas être utilisées dans ce matériau à cause du faible couplage spin-orbite et du gap indirect. Dans ce travail, nous avons étudié la polarisation de spin des électrons de conduction créée en condition de pompage optique par spectroscopie de photoémission. La surface du silicium est activée en affinité négative par dépôt de césium et d'oxygène de sorte que les électrons photoexcités avec une énergie proche du gap peuvent émis dans le vide. Nous utilisons un laser accordable qui permet de mesurer systématiquement le spectre de polarisation pour des énergies d'excitation allant du seuil d'absorption jusqu'à la bande Gamma2- au-dessus du gap direct. Nous avons obtenus les spectres de polarisation à partir de couches minces SOI d'épaisseurs différentes. A partir de ces résultats, nous déterminons la valeur de paramètres importants de la structure de bande comme le gap direct ou l'énergie du couplage spin-orbite. Cependant, contrairement aux prédictions, lorsque l'épaisseur de la couche de silicium diminue jusqu'à des valeurs inférieures à la longueur de diffusion de spin, la polarisation en spin des électrons émis reste proche de zéro (-0.4%), remettant en cause l'interprétation directe des valeurs théoriques de la polarisation initiale égale à -20%. Une approche théorique a donc été développée sur la base d'un modèle ab initio de structure de bande pour déterminer les spectres de polarisation en spin. Ces calculs sont encore en cours, mais les résultats déjà obtenus sur la structure électronique du silicium sous contrainte indiquent une piste intéressante pour les études futures.

Le présent travail visait à développer et à étudier une nouvelle méthode de fabrication des guides d'onde, " High Index Soft Proton Exchange " (HISoPE) , qui permet de réaliser des guides d'onde très confinés (dne = 0,1). Des caractérisations en génération d'harmonique localisée ont montré que les propriétés non linéaires de ces guides ne sont pas détruites mais les guides HISoPE réalisés sur coupe Z peuvent présenter des modes ayant des pertes élevées. Ces pertes peuvent être éliminés en utilisant des bains plus acides pour l'échange, mais cela implique des déformations plus importante dans les guides d'onde canal et la nature hybride des modes propageant. Dans le cadre du projet PhoXcry, nous avons essayé de réaliser un modulateur électro-optique très efficace en combinant des cristaux photoniques et des guides HISoPE sur coupe X. Dans les meilleurs guides d'onde fabriqués sur coupe X, les pertes à la propagation, expliquées par la nature hybride des modes sont de 1.75dB/cm, mais dans les guides d'ondes nanostructurés il n'a pas été possible d'identifier clairement une bande interdite photonique. HISoPE en combinaison avec l'échange inverse (Reverse Proton Exchange, RPE) a montré un grand potentiel pour la fabrication de guides d'onde enterrés. Dans une expérience de SHG et malgré des pertes élevées de 2dB/cm, nous avons pu estimer une efficacité de conversion de 160%/W*cm2. Un comportement du coupleur directionnel a été observé dans les guides d'onde enterrés fabriqué en raison d'une cinétique RPE différente dans les différentes parties du guide d'onde. Un développement ultérieur de la méthode HISoPE + RPE devrait permettre d'améliorer la qualité des guides enterrés.

L'élévation de la température est l'un des principaux paramètres limitant la puissance nominale des machines électriques. La température atteinte au niveau des bobinages, peut avoir de graves conséquences sur le système d'isolation des enroulements et peut ainsi réduire la durée de vie des machines électriques. Le travail de recherche effectué dans cette thèse s'attache à l'extraction de modèles thermiques simplifiés permettant la prédiction des niveaux d'échauffement. Nous avons alors mis en place une démarche basée sur une méthode numérique (Finite Intgeration Technique) qui permet une identification naturelle des grandeurs du modèle thermique. Cette démarche nécessite d'homogénéiser le bobinage en le remplaçant par un seul matériau homogène équivalent permettant de reproduire le même comportement thermique du cas réel du bobinage. Pour ce faire, plusieurs techniques d'homogénéisation ont été employées. Nous nous sommes également intéressés aux différentes configurations des conducteurs dans l'encoche en vue d'obtenir une meilleure évacuation de la chaleur dans le bobinage des machines électriques. La démarche proposée dans ce travail a pout objectif d'obtenir des modèles thermiques simplifiés qui peuvent être réduit à un seul nœud pour calculer la température du point chaud. La validité des modèles est évaluée par comparaison aux éléments finis en considérant deux formes géométriques de l'encoche : une encoche simple puis une encoche de géométrie plus complexe que l'on retrouve dans une machine à commutation de flux.

Le comportement mécanique non linéaire des composites à matrice céramique SiC/SiC tissés 3D résultede la microfissuration de ses constituants fragiles. Cet endommagement induit une variation descomposantes du tenseur de rigidité. La caractérisation ultrasonore de ce tenseur a nécessité l'utilisationd'un algorithme d'optimisation génétique robuste à un mélange prononcé des modes acoustiques. Le suivisous charge de ces propriétésmacroscopiques a conduit à identifier les mécanismes d'endommagement etles réseaux de fissuration. Trois régions de microfissuration matricielle : inter-fils, intra-fils transversaux etintra-fils longitudinaux, ont été localisés par analyse micrographique. Les densités associées ont été corréléesaux cinétiques d'endommagement mesurées par ultrasons, reliant la réponse macroscopique dumatériauà son endommagement microstructural. L'introduction de ces réseaux et de leur cinétique d'évolutiondans une modélisation multi-échelle du composite, a permis de confirmer les variations expérimentales desrigidités et d'accéder aux longueurs de décohésion de chaque réseau, quantités difficilement mesurables.

Le graphène, un feuillet élémentaire de graphite, est un matériau très étudié par la communauté scientifique car ses propriétés physiques sont nouvelles et uniques. Il apparaît comme un matériau très prometteur pour des applications technologiques. Nous présentons une étude des propriétés structurelles et électroniques du graphène épitaxial sur 6H-SiC(0001) au moyen d'un microscope STM/AFM combiné basé sur un diapason en quartz avec une pointe conductrice en Pt/Ir ou en fibre de carbone. Les pointes fabriquées par attaque électrochimique présentent un rayon d'apex de quelques nanomètres et ont été caractérisées par SEM, TEM et émission électronique par effet de champ. On s'est d'abord focalisé sur les propriétés d'un échantillon qui présente des terrasses partiellement recouvertes de graphène. Dans ce cas, l'image STM ne donne pas la topographie de la surface. Celle-ci est donnée par l'AFM en mode répulsif. Les différentes propriétés électroniques de chaque terrasse sont confirmées par des mesures spectroscopiques I=f(V). Puis, l'étude à haute résolution par FM-AFM sur une terrasse lisse a révélé la structure ondulée et périodique de la reconstruction 6√3x6√3R30° du SiC(0001) recouverte de graphène. Nous montrons que les maxima des nappes d'iso-densité locale d'états électroniques au niveau de Fermi observés dans l'image STM ne se superposent pas avec les zones associées aux maxima des nappes d'iso-densité d'états totaux (Topographie AFM). Ils apparaissent décalés de ~1 nm le long de la direction [11] de la quasi-maille 6x6 de la reconstruction 6√3x6√3R30°. Comme l'amplitude mesurée des ondulations de la surface augmente avec le gradient de force appliqué, on montre que la surface du graphène est déformée par la pointe AFM. Cette déformation qui modifie le couplage électronique entre le graphène et la couche tampon influence fortement le contraste des images STM/AFM. Les conséquences de cette déformation sur les images STM résolvant le réseau du graphène sont aussi discutées.

Nous avons évalué les performances et limitations de différents capteurs susceptibles d'aider à orienter un déficient visuel : GPS, magnétomètre, gyroscope, accéléromètre, baromètre ainsi que la façon de les combiner pour guider efficacement les déficients visuels dans trois contextes différents : le milieu urbain, la randonnée et les intérieurs. Nous avons réalisé des prototypes se plaçant sur la hanche ou tenus à la main fournissant une information présentée sous la forme d'un cap et d'une distance au point à atteindre. Cette information se réactualise en temps réel en fonction des changements de position ou d'orientation de la personne.Nous avons montré par des tests en situation réelle sur des parcours urbains et pédestres de plusieurs kilomètres, effectués par différents déficients visuels, l'efficacité de cette approche très différente de celle du guidage automobile. Les tests ont été également effectués dans des zones où les capteurs sont perturbés : forêts denses ou rues avec des bâtiments hauts (signal GPS perturbé), à proximité des lignes électriques (magnétomètre perturbé), etc. Le cas le plus complexe est celui des intérieurs (stations du métro, centres commerciaux) où le signal GPS est absent. Notre approche ne fait appel à aucun équipement du lieu (de type bornes Bluetooth ou Wifi) et utilise uniquement une cartographie préalable ou relevée sur le site. Nous sommes parvenus à des guidages fonctionnels sur quelques centaines de mètres sous certaines conditions : entrainement de l'utilisateur afin d'assimiler les spécificités du langage de la locomotion utilisé pour le guidage et apprentissage des stratégies de déplacement évitant le disfonctionnement de la centrale inertielle. Nous sommes en mesure de proposer à l'issue de ce travail un outil pouvant être diffusé auprès des utilisateurs avec des solutions fiables pour le milieu urbain et la randonnée. Pour les intérieurs les développements complémentaires se poursuivent et ne seront proposés qu'en béta-test. Cet outil va également être proposé pour initier les déficients visuels non autonomes à des randonnées simples afin de tenter de faire naître l'envie d'améliorer son autonomie.

Dans le cadre de cette thèse, on se proposait de développer de nouveaux mécanismes de radiolocalisation, permettant de positionner les nœuds de réseaux corporels sans-fil (WBAN) mobiles, en exploitant de manière opportuniste des liens radio coopératifs bas débit à l'échelle d'un même corps (i.e. coopération intra-WBAN), entre réseaux distincts (i.e. coopération inter-WBAN), et/ou vis-à-vis de l'infrastructure environnante. Ces nouvelles fonctions coopératives présentent un intérêt pour des applications telles que la navigation de groupe ou la capture de mouvement à large échelle. Ce sujet d'étude, par essence multidisciplinaire, a permis d'aborder des questions de recherche variées, humine-biomécanique et de ayant trait à la modélisation physique (e.g. modélisation spatio-temporelle des métriques de radiolocalisation en situation de mobilité, modélisation de la mobilité groupe...), au développement d'algorithmes adaptés aux observables disponibles (e.g. algorithmes de positionnement coopératifs et distribués, sélection et ordonnancement des liens/mesures entre les nœuds...), aux mécanismes d'accès et de mise en réseau (i.e. en support aux mesures coopératives et au positionnement itératif). Les bénéfices et les limites de certaines de ces fonctions ont été en partie éprouvés expérimentalement, au moyen de plateformes radio réelles. Les différents développements réalisés tenaient compte, autant que possible, des contraintes liées aux standards de communication WBAN émergeants (e.g. Impulse Radio - Ultra Wideband (IR-UWB) IEEE 802.15.6), par exemple en termes de bande fréquentielle ou de taux d'erreur.

Le processus de formation d'étoiles se déroule selon plusieurs phases. Tout d'abord une phase à grande échelle, durant laquelle le nuage moléculaire se fragmente sous l'action de sa propre gravité et de la turbulence en coeurs denses gravitationnellement instables. Dans ces fragments le milieu est optiquement mince, l'énergie libérée par le travail de compression s'échappe sous forme de rayonnement, d'où un processus quasi isotherme. Lorsque le nuage devient optiquement épais à son propre rayonnement, la matière en effondrement forme un objet en équilibre hydrostatique appelé premier cœur dit de Larson. S'ensuit une phase d'accrétion, qui conduit ultimement à la dissociation du dihydrogène. Une partie du travail de compression est alors absorbée par l'énergie de dissociation de la molécule, et non plus convertie en énergie thermique, permettant à l'effondrement de recommencer. Lorsque que toutes les molécules de dihydrogene ont été dissociées, la phase adiabatique recommence et le second cœur de Larson (proto-étoile) est formé.L'ajout des éléments nécessaires au traitement de la magnétohydrodynamique (MHD) non-idéale dans le code à grille adaptative RAMSES constitue la première partie de la thèse. L'étude détaillée des stades ultimes (premier et second cœur de Larson) de la formation des étoiles constitue la seconde partie de la thèse. Cette étude a pu mettre en évidence des effets importants de la MHD non-idéale sur la répartition du champ magnétique et l'efficacité du transport de moment angulaire.