Tato disertační práce pojednává o plazmonických anténách. Rezonanční vlastnosti plazmonických antén jsou studovány teoreticky i experimentálně. Teoretické výpočty jsou prováděny v programu Lumerical FDTD Solutions užitím numerické metody konečných diferencí v časové doméně. Pro experimentální studium byly antény vyrobeny pomocí elektronové litografie. Rezonanční vlastnosti vyrobených antén jsou studovány fourierovskou infračervenou spektroskopií. Práce se zaměřuje na studium rezonančních vlastností antén vyrobených na vrstvě nanokrystalického diamantu. Dále zkoumá možnost využití antén jako plazmonického senzoru funkcionalizovaného k detekci streptavidinu. Nakonec je představena anténa tvaru písmene V, u které dochází v důsledku porušení symetrie antény ke směrovému rozptylu dopadajícího světla. Tato směrovost se ovšem projevuje jen na vlnových délkách blízkých kvadrupólovému módu antény.

In dieser Dissertation wird beschrieben, wie es durch systematische Anwendung unterschiedlicher Methoden zur Herstellung und Modifizierung von Diamant gezielt und verlässlich möglich ist, die Eigenschaften von Diamanten zu beeinflussen. Es wird gezeigt, wie durch Variation der Parameter bei dem Wachstum von Diamant Einfluss auf dessen Morphologie und Eigenschaften genommen werden kann. Des Weiteren wird ein Verfahren vorgestellt, mit dem die Oberfläche des Diamanten durch Ozon effizient oxidiert beziehungsweise reduziert werden kann. Um diese veränderte Oberflächenbelegung möglichst genau zu analysieren, wird im letzten Teil der Dissertation eine Methode zur qualitativen und quantitativen Analytik der Oberflächen von Kohlenstoffnanomaterialien beschrieben. / This dissertation describes how it is possible to alter the properties of diamond utilizing varying methods for diamond growth and surface modification. It is shown, how by varying the parameters during the growth of diamond, influence can be exerted on its morphology and properties. Furthermore, a procedure is described to efficiently oxidize or reduce the surface of diamond using ozone. In order to analyze this modified surface as precisely as possible, a method for qualitative and quantitative analysis suitable for carbon nanomaterials is presented.

Nanodiamonds (NDs) are an interesting platform in biological applications and disease treatment. Because of their photoluminescence properties and modifiable surface, they have been investigated as potential carriers for drugs and nucleic acids as well as fluorescent probes. In order to design NDs meeting specifically desired parameters, which would succeed in clinical trials and in medicinal therapy, understanding the mechanism of uptake and intracellular fate of NDs is crucial. The diploma thesis is focused on mechanistic investigation of ND-based nanoparticles delivering nucleic acids to human cells. First, NDs coated with a novel cationic co-polymer were prepared. NDs were then complexed with siRNA in order to transfect siRNA inside U-2 OS cells. NDs proved to be biocompatible and effective transfection particles as observed by qPCR and colorimetric cytotoxicity and cell viability tests. To examine ND uptake by cells, we inhibited endocytosis by specific inhibitors. Obtained results implicated that ND uptake was clathrin- and caveolin dependent. Nonetheless, more than half of NDs was internalized by cells in a different fashion. Some NDs colocalized with early endosomes, lysosomes and caveolin-derived endosomes after internalization. Other NDs resided either in unknown cell structures or escaped from...

The aim of the thesis is to design, conduct and assess an experiment seeking to look into the utility properties of recent tools manufactured by HAM-FINAL. The tools include polycrystalline diamond (PCD) and CVD diamond cutting edges. In the theoretical part, the attention is devoted to cutting materials with an emphasis on diamond materials, as well as to issues associated with the wearing of the cutting tools, requirements specified for precision of bores and tools used in the manufacture of precision bores. The paper further provides an overview of a selection of world’s leading manufacturers of PCD blanks, CVD diamond coatings, CVD diamond layers and reamers with PCD cutting edges.

Du fait de leurs excellentes propriétés mécaniques et de leurs faibles masses spécifiques, l'utilisation des matériaux composites, au sein des structures mécaniques, est en plein essor. Cependant, leur usinage entraine une usure prématurée et aléatoire des outils de coupes en cermet WC-Co. L'origine de cette étude provient de la nécessité de protéger leur surface par un revêtement dur et résistant comme, par exemple, le diamant NCD. Toutefois, le cobalt présent dans le carbure cémenté favorise la formation de graphite au niveau de l'interface avec le film de diamant, ce qui nuit à son adhérence. La méthode retenue afin d'isoler ce métal de la surface a été de réaliser des systèmes interfaciaux multicouches. Ces derniers sont composés d'une barrière de diffusion au cobalt en nitrure de tantale et/ou en nitrure de zirconium et d'une couche favorisant la germination du diamant en acier inoxydable ou en molybdène. Les protocoles de dépôt élaborés au cours de ce travail ont la particularité d'utiliser une polarisation négative et séquencée du substrat durant l'étape de croissance. Cela induit une morphologie originale au revêtement de diamant breveté sous le nom de PyrNCD (Brevet N° :FR0807181). Les objectifs de cette étude sont la compréhension de l'ensemble des mécanismes (influence de la solubilité du carbone sur la germination du diamant, l'effet de la polarisation sur le substrat revêtu et sur la croissance du diamant,...) intervenant durant le dépôt de diamant et l'optimisation du procédé.

L'augmentation de la densité de puissance des convertisseurs d'énergie électrique nécessite une gestion thermique toujours plus performante. La thermique devient même l'élément dimensionnant de ces convertisseurs et est au centre des préoccupations des concepteurs. Le diamant présente des propriétés physico-chimiques exceptionnelles particulièrement adaptées à la gestion thermique des composants semi-conducteurs de l'électronique de puissance. C'est en effet le meilleur matériau isolant et conducteur thermique connu à ce jour. La possibilité de réaliser du diamant polycristallin de manière reproductible par synthèse CVD ouvre aujourd'hui à ce matériau un grand champ d'applications industrielles. Nous avons étudié les potentialités d'applications au domaine particulier de l'électronique de puissance. Nous avons tout d'abord développé une plateforme de simulation COMSOL qui nous permette d'évaluer différentes structures pour optimiser le système de refroidissement des composants d'électronique de puissance. Nous avons alors étudié deux solutions, l'utilisation d'un substrat diamant épais pour reporter les composants ou le dépôt direct d'une fine couche de passivation sur les composants en fin de fabrication. Nous avons ainsi développé une structure à substrat diamant et micropoteaux en cuivre qui permet d'extraire jusqu'à 800 W/cm² sous le composant pour un échauffement de 120°C. Cette structure a été réalisée technologiquement pour valider toute la démarche de simulation et conception. Ce prototype propose des performances particulièrement intéressantes pour l'intégration des convertisseurs d'électronique de puissance à haute densité de puissance. Nous avons également étudié la passivation des composants avec du diamant CVD en lieu et place du SiO2. L'intérêt d'une telle passivation est démontré en simulation et les différentes étapes de la réalisation technologique sont étudiées. Cette dernière partie met en évidence des difficultés qu'il faudra lever si l'on souhaite utiliser le diamant comme couche de passivation / The heat transfer is a major obstacle that limits the generalization of the power electronics. During recent years, components have higher performance and smaller size thanks to technological advances in electronic. However, the maximum operation temperature of silicon components has not changed for years. A lot of problems will appear due to the thermal limitation. Thus, electronic circuit design must be accompanied by a thermal study to validate the safe operation. The diamond has outstanding properties. It has several exceptional physical and chemical characteristics. This material is very interesting in plenty of application domains, such as electronics, mechanics, optics and telecommunications. This is the best material for electrical insulators (10MV.cm-1) and thermal conductors (2000W.m-1.K-1, five times more than copper). Nevertheless, the coefficient of thermal expansion of diamond is very close to that of silicon. These properties are particularly interesting in elaborating highly efficient thermal management systems in power electronics domain. In this study, we analyzed and quantified the advantages of the insertion of CVD diamond layer in the innovative thermal management assemblies. We also developed a specific model (We increased a layer of copper micro-pillars on the backside of the diamond substrate) to simulate the working environment of the component. In the simulation, we compared the use of a traditional substrate (AlN) with that of the diamond CVD one in order to confirm that using the diamond substrate reduced thermal resistance. By using MEMS micro-technology, the cooling performance of this structure has been greatly improved. This structure can achieve power dissipation more than 800W/cm². Using CVD diamond for efficient cooling of power devices could be a promising solution and is very interesting in embedded systems. This achievement in temperature range allows designers to increase the power density of system without concerning of heat dissipation and/or greatly extends the lifetime of the device. We also studied the passivation with CVD diamond instead of SiO2

Le diamant est un semi-conducteur à grande bande interdite extrêmement prometteur, notamment en électronique et en radiodétection. Notre étude s’intéresse à la production de films diamant en hétéroépitaxie sur du silicium. Cette association constitue en effet un enjeu majeur compte tenu de l’importance du silicium en microélectronique. Les films sont obtenus par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma microonde (MPCVD), tandis qu’une procédure de polarisation (BEN) sert à initier la germination. L’objectif est d’améliorer le taux d’épitaxie des cristaux diamant et leur densité, deux critères décisifs pour la qualité d’un film diamant hautement orienté. Des analyses MEB, AFM, XPS et RHEED ont ainsi montré que la formation d’une couche de carbure de silicium intermédiaire par carbonisation in situ est très avantageuse, mais qu’elle impose l’utilisation d’une courte durée de polarisation afin de préserver l’intégrité de la couche. Une faible concentration en méthane permet par ailleurs d’éviter une croissance dégradée du diamant. Ces ajustements ont permis de passer d’un taux d’épitaxie de 10 à 45 %, au détriment cependant de la densité. Ceci a pu être compensé par l’amélioration de l’état de surface du substrat via un prétraitement plasma modifiant sa structure (densité multipliée par 20) ou en déposant du carbure de silicium monocristallin. Cette dernière méthode a engendré une germination du diamant « par domaine », très prometteuse et inédite sur ce matériau. Ces travaux montrent donc comment améliorer la qualité de la germination du diamant et permettent d’envisager la production sur silicium de films diamant plus minces et de meilleure qualité cristalline. / Diamond is a wide band gap semiconductor which is very promising, especially in electronics or in radiodetection.Our study is focused in particular on the production of heteroepitaxial diamond films on silicon substrates. In fact, this association is a major issue because of the wide use of silicon in microelectronics. Films are produced by microwave plasma assisted chemical vapour deposition (MPCVD), with a bias procedure (BEN) which enable us to initiate nucleation. Our aim is to achieve a better epitaxial rate of the diamond crystals and also a better density, which are two decisive criteria for the quality of highly oriented diamond films. SEM, AFM, XPS and RHEED analyses have shown that the formation of an intermediary silicon carbide layer by in situ carbonization provides important advantages but that the bias procedure should be short in order to avoid a deterioration of this layer. Moreover, we noticed that the use of a low methane concentration prevents a defective growth of the diamond crystal. These adjustments allowed us to raise the epitaxial rate from 10 to 45 % but, on the other hand, the density decreased. To compenate for this density drop, the state of the substrate surface can be improved, by optimizing its structure through a plasma pretreatment (density mutiplied bu 20) or by preparing a layer of monocrystalline silicon carbide. In this last case, we obtained a diamond nucleation forming domains, which is unusual on silicon carbide but very promising. Consequently, our work shows how to directly improve the quality of the diamond nucleation. This paves the way to the production on silicon of thinner diamond films with better crystal quality.

En ingénierie, pour mieux comprendre le comportement mécanique d'une structure soumise à une certaine perturbation des paramètres de conception, on procède souvent à une analyse de sensibilité. Celle-ci fournit des informations quantitatives et qualitatives sur le comportement du modèle étudié et offre un accès aux gradients utilisables dans ces méthodes d'identification et d'optimisation. Dans cette thèse, nous démontrons que ces informations peuvent être obtenues à coût de développement faible en appliquant un outil de Différentiation Automatique (DA) au code informatique qui implémente le modèle. Nous adaptons la technique DA à la méthode asymptotique numérique, dans sa version Diamant, pour le calcul de la sensibilité des solutions numériques de problèmes non-linéaires discrétisés par la méthode des éléments finis. Nous discutons de manière générique à la fois les aspects théoriques et l'implémentation de plusieurs algorithmes écrits en Matlab. Les applications concernent des poutres et des plaques sandwich dans les cas statiques et dynamique (vibration libre). Les sensibilités sont calculées par rapport aux paramètres géométriques, mécanique et par rapport à des matrices de rigidité élémentaires. La généralité de nos développements permet de prendre en compte plusieurs lois viscoélastiques sans effort supplémentaire. Trois types de modèles viscoélastiques sont étudiés : module complexe constant, faible amortissement et fort amortissement. Comparée à l'approximation par différences finis souvent utilisée en mécanique, notre approche fournit des résultats plus précis pour la sensibilité de la réponse d'une structure lorsque les paramètres de conception sont perturbés. Elle permet aussi de réduire le temps de calcul / In engineering, for a better understanding of the mechanical behavior of a structure submitted to some perturbation of the modeling parameters, one often proceed to a sensitivity analysis. This provides quantitative and qualitative information on the behavior of the model under study and gives access to gradients that may be used in identification and optimization methods. In this thesis, we demonstrate that this information may be obtained at a low development effort by applying an Automatic Differentiation (AD) tool to the computer code that implements the model. We adapt the AD techniques to the Asymptotic Numerical Method (ANM), in its Diamant version for sensitivity computations of numerical solutions of nonlinear problems discretized through a finite element method. We discuss in a generic manner both the theoretical aspects and the implementation of several algorithms written in Matlab. Applications are concerned with sandwich beams and sandwich plates in both the static and dynamic (free vibration) cases. Sensitivities are computed with respect to geometric and mechanical parameters, and with respect to elementary stiffness matrix. The generality of our developments allows to take into account several viscoelastic laws with no additional effort. Three kinds of viscoelastic models are studied: constant complex modulus, low damping and higher damping. In comparison with the finite difference approximation often used in mechanics, our approach provides more accurate results for the sensitivity of the structure response to a perturbation of the modeling parameters. It also allows a reduction of the computation effort

A mesure que les demandes dans le domaine de l'électronique de puissance tendent vers des conditions de plus en plus extrêmes (forte densité de puissance, haute fréquence, haute température,…), l'évolution des systèmes de traitement de l'énergie électrique se heurte aux limites physiques du silicium. Une nouvelle approche basée sur l'utilisation des matériaux semi-conducteurs grand gap permettra de lever ces limites. Parmi ces matériaux, le diamant possède les propriétés les plus intéressantes pour l'électronique de puissance: champ de rupture et conductivité thermique exceptionnels, grandes mobilités des porteurs électriques, possibilité de fonctionnement à haute température… Les récents progrès dans la synthèse du diamant par des méthodes de dépôt en phase vapeur (CVD) permettent d'obtenir des substrats de caractéristiques cristallographiques compatibles avec l'exploitation de ces propriétés en électronique de puissance. Cependant, l'utilisation du diamant en tant que matériau électronique reste toutefois délicate à ce jour du fait de la grande difficulté de trouver des dopants convenables (en particulier les donneurs) dans le diamant. En outre, certaines propriétés du diamant telles que sa dureté extrême et son inertie chimique, faisant de lui un matériau unique, posent aussi des difficultés dans son utilisation technologique. L'objectif de ces travaux de thèse a été dans un premier temps d'évaluer les bénéfices que pourrait apporter le diamant en électronique de puissance ainsi que l'état de l'art de sa synthèse par dépôt en phase vapeur. Ensuite, différentes étapes technologiques nécessaires à la fabrication de composants sur diamant ont été étudiées: Gravure RIE, dépôt de contacts électriques. Enfin, ces travaux ont été illustrés par la réalisation et la caractérisation de diodes Schottky, dispositifs élémentaires de l'électronique de puissance. Les résultats obtenus permettent d'établir un bilan des verrous scientifiques et technologiques qu'il reste à relever pour une exploitation industrielle de la filière diamant. / As applications in the field of power electronics tend toward more extreme conditions (high power density, high frequency, high temperature ...), evolution of electric power treatment systems comes up against physical limits of silicon, the main semiconductor material used in electronic industry for over 50 years. A new approach based on the use of wide bandgap semiconductor materials will permit to overcome those limits. Among these materials, diamond is a very attractive material for power electronics switch devices due to its exceptional properties: high electric breakdown field, high carriers mobilities, exceptional thermal conductivity, high temperature operating possibility... However, the use of diamond as an electronic material is still very problematic due to the difficulty in the synthesis of high electronic grade CVD diamond and to find suitable dopants (in particular donors) in diamond. Besides, some of the unique properties of diamond, such as its extreme hardness and chemical inertness that make it an attractive material also cause difficulties in its application. Nevertheless, recent progress in the field of chemical vapor deposition (CVD) synthesis of diamond allow the study of the technological steps (RIE etching, ohmic and Schottky contacts, passivation,...) necessary for future diamond power devices processing. This is the aim of this thesis. In a first section, the uniqueness of diamond, the promise it bears as a potential material for specific electronic devices and the difficulties related to its application were reviewed. Then, the different technological steps required for power switching devices processing were studied: RIE etching, Ohmic and Schottky contacts. Finally, these works were illustrated by carrying out and electrical characterizations of Schottky Barrier Diodes. The achieved results allow us to make a summary of scientific and technological locks that remain for an industrial exploitation of diamond in power electronic switch devices field.

L'étude détaillée des distributions transverses du halo du faisceau est importante du point de vue des pertes de faisceau et du contrôle du bruit de fond dans ATF2 et les futurs collisionneurs linéaires (FLC). Un nouveau type de capteur diamant sous vide (DSv) déplacable, avec quatre pistes, a été conçu et développé pour la mesure des distributions transverses du halo du faisceau et la détection du spectre des électrons de recul Compton après le point d'interaction (IP) d'ATF2, qui est un prototype à basse énergie (1.3 GeV) de la section de focalisation finale pour les projets de collisionneurs linéaires ILC et CLIC.Cette thèse présente les études du halo du faisceau et des électrons de recul Compton, ainsi que la caractérisation, les études de performance et les tests des capteurs diamant (DS), tant sur PHIL, un photo-injecteur à basse énergie (<10 MeV) au LAL, que sur ATF2. Les résultats des premières mesures du halo du faisceau, utilisant des wire scanner (WS) et un DSv, sur ATF2 sont également présentés et comparés dans cette thèse.Des simulations utilisant Mad-X et CAIN ont été réalisées afin d'estimer le nombre d'électrons composant le halo du faisceau ainsi que le nombre d'électrons de recul Compton. Les résultats des simulations ont indiqué qu'une grande gamme dynamique, supérieure 10⁶ , est nécessaire pour une mesure simultanée du cœur du faisceau, du halo du faisceau et des électrons de recul Compton. Un DSv mono-cristallin, fabriqué par CVD (Chemical Vapor Deposition), a été développé dans ce but.Avant l'installation du capteur diamant, une première tentative de mesure du halo du faisceau a été effectuée en 2013, en utilisant les wire scanners (WS) actuellement installés sur ATF2. En raison de leur dynamique limitée de ~10³ , la distribution du halo du faisceau a été mesurée seulement jusqu'à ~±6σ dans la ligne d'extraction (EXT). Un paramétrage des distributions mesurées du halo du faisceau a montré que les distributions mesurées sont cohérentes avec des mesures faites précédemment, en 2005, sur l'ancienne ligne faisceau d'ATF. Durant ces mesures, une distribution asymétrique du halo vertical du faisceau a été observée pour la première fois en utilisant le WS situé après l'IP, son origine est actuellement sous investigation en utilisant le DSv.Des études pour caractériser des capteurs diamants de dimensions 4.5x4.5x0.5 mm³ ont été réalisées en utilisant des sources α et β. Les paramètres de transport des porteurs de charge (durée de vie, vitesse de saturation, etc.) ont été obtenus en utilisant la technique des courants transitoires (TCT). Par ailleurs, la linéarité de la réponse du DS a été testée sur PHIL avec différentes intensités de faisceau après la fenêtre de sortie de d'accélération. Un signal maximum de 10⁸ électrons a été mesuré, avec une réponse linéaire jusqu'à 10⁷ électrons. Des études similaires de la linéarité ont été faites pour le DSv sur ATF2. Nous avons pu y exploiter avec succès, pour la première fois une gamme dynamique de ~10⁶ , permettant de mesurer simultanément le cœur du faisceau (~10⁹ électrons) et le halo du faisceau (~10³ électrons). Le pick-up électromagnétique induit par le passage du cœur du faisceau et des effets de saturation, qui sont les limitations empêchant actuellement le DSv d'atteindre une gamme dynamique supérieure à 10⁶ , ont également été identifiés et étudiés.Les premières mesures de la distribution horizontale du halo, en utilisant le DSv, ont été effectuées jusqu'à ~±20σx , et ont permis de prouver que le halo du faisceau est collimaté par les ouvertures de la ligne ATF2. Une distribution horizontale du halo compatible avec les paramétrages de 2005 et 2013 a été confirmée. La possibilité de détecter les électrons de recul Compton a été étudiée. Différentes solutions pour accroître la sensibilité des mesures ont été proposées. / The investigation of beam halo transverse distributions is an important issue for beam losses and background control in ATF2 and in Future Linear Colliders (FLC). A novel in vacuum diamond sensor (DSv) scanner with four strips has been designed and developed for the investigation of beam halo transverse distributions and also for the diagnostics of Compton recoil electrons after the interaction point (IP) of ATF2, a low energy (1.3 GeV) prototype of the final focus system for ILC and CLIC linear collider projects. This thesis presents the beam halo and Compton recoil electrons studies as well as the characterization, performance studies and tests of the diamond sensors (DS) both at PHIL, a low energy (<10 MeV) photo-injector at LAL, and at ATF2. First beam halo measurement results using wire scanners (WS) and DSv at ATF2 are also presented and compared in this thesis. Simulations using Mad-X and CAIN were done to estimate the rate of the beam halo and Compton recoil electrons. Simulation results have indicated that a large dynamic range of more than 10⁶ is needed for a simultaneous measurement of the beam core, beam halo and Compton recoil electrons. A single crystalline Chemical Vapor-Deposition (sCVD) based DSv was developed for this purpose. Prior to the diamond detector installation, first attempt of beam halo measurements have been performed in 2013 using the currently installed WS. With a limited dynamic range of ~10³ , the beam halo distribution was measured only up to ~±6σ in the extraction (EXT) line. Parametrizations of the measured beam halo distribution showed a consistent distribution with previous measurements done in 2005 at the old ATF beam line. Meanwhile, an asymmetric vertical beam halo distribution was observed for the first time using the post-IP WS, the origin of which is currently under investigation using the DSv.Studies to characterize DS pads with dimensions of 4.5x4.5x0.5 mm³ were carried out using the α and β sources. Charge carrier transport parameters (lifetime, saturation velocity etc.) were obtained using the transient-current technique (TCT). Furthermore, the linearity of the DS response was tested at PHIL with different beam intensities in air: a maximum signal of 108 electrons was measured with a linear response up to 10⁷ electrons. Similar linearity studies were done for the DSv at ATF2, where we have successfully demonstrated and confirmed for the first time a dynamic range of ~10⁶ by a simultaneous beam core (~10⁹ e-) and beam halo (~10³ e-) measurement using the DSv. Present limitations due to signal pick-up and saturation effects, which prevent the DSv from reaching a dynamic range higher than 10⁶ , were also studied.First measurements of the horizontal beam halo distribution using the DSv were performed up to ~±20σx, where the beam halo was proved to be collimated by the apertures. Horizontal beam halo distributions consistent with the 2005 and 2013 parametrizations were confirmed. The possibility of probing the Compton recoil electrons has been investigated and different ways to increase their visibility have been proposed.