Cette thèse présente les résultats de mesures expérimentales effectués à basse température par les techniques de microscopie tunnel à balayage et de spectroscopie par tunnel à balayage (STS) sur les métaux de transitions phthalocyanines déposées sur les surfaces de métaux nobles. Les mesures STM/STS ont été effectuées pour les molécules MnPc et CuPc adsorbées sur les surfaces Ag (111) et Au (111) à la température expérimentale de travail de 4,5 K. Ces deux types de molécules présentent une différence substantielle de configurations d'adsorption, des comportements électroniques et magnétiques et des structures vibratoires moléculaire. Les études STM/STS ont principalement porté sur les propriétés magnétiques de ces molécules à travers l’effet Kondo et une attention particulière a été accordée à la molécule de MnPc en raison de son comportement magnétique plus intéressant issu de l'atome Mn central. Particulièrement, nous avons étudié l'évolution spectrale des structures électroniques et magnétiques du MnPc partant d'une molécule unique jusqu'à la structure bicouche ordonnée sur la surface Ag (111). En outre, les études STM/STS ont montré une preuve de couplage magnétique entre les moments magnétiques de l'atome de Co et de la molécule de MnPc ainsi que sa forte dépendance vis-à-vis du site d'adsorption de l'atome de Co. Ces études STM/STS sur ce système nous ont permis de comprendre l'effet des interactions molécule-substrat, molécule-molécule et molécules-atome sur les propriétés électroniques et magnétiques des molécules de MnPc. / This thesis presents the results of low-temperature scanning tunneling microscopy (STM) and scanning tunneling spectroscopy (STS) studies on transition-metal phthalocyanines molecules on the noble metal surfaces. The STM/STS measurements have been performed for MnPc and CuPc molecules adsorbed on Ag(111) and Au(111) surfaces at the experimental working temperature of 4.5 K. These two types of molecules exhibit substantially different adsorption configurations, the electronic and magnetic behaviors and the molecule vibrational structures. The STM/STS studies have focused mainly on the magnetic properties of these molecules by means of Kondo effect, and special attention has been paid to MnPc molecule due to its more interesting magnetic behavior arising from the central Mn atom. Particularly we investigated the spectral evolution of electronic and magnetic structures of MnPc starting from a single molecule up to the ordered bilayer structures on Ag(111) surface. In addition, the STM/STS investigations showed an evidence of magnetic coupling between the magnetic moments of the Co atom and MnPc molecule and its strong dependence on the adsorption site of Co atom. These STM/STS investigations on this system allowed us to understand the effect of molecule-substrate, molecule-molecule and molecule-atom interactions on the electronic and magnetic properties of MnPc molecules.

La transmission d’énergie par induction est devenue un sujet extrêmement porteur compte tenu du contexte géopolitique et environnemental du moment ; ainsi que des possibilités technologiques. Les enjeux de l’alimentation électrique d’un véhicule en roulant sont importants : réduction de la taille de la batterie embarquée, du poids et du coût du véhicule, limitation des importations de cellules de batteries et réduction des importations pétrolières au profit d’investissements locaux et extension du rayon d’action des véhicules électriques voire hybrides rechargeables pouvant aller d’un simple bonus à un rayon d’action infini selon le dimensionnement de l’infrastructure.La solution développée utilise le vecteur magnétique. Elle fait donc appel à des bobines faiblement couplés qui impliquent de fortes inductances de fuite et des chutes de tensions associées hors du commun. Un nouveau type de convertisseur « continu-continu » a été imaginé afin de répondre à ces contraintes. Celui-ci se fonde sur le concept de symétrie ; l’analyse détaillée basée sur les diagrammes de Fresnel, a conduit à l’élaboration d’un fonctionnement particulier qui a été appelé la « recopie de tension ». Le prototype réalisé fonctionne avec un entrefer réaliste de 15 centimètres, une tolérance au décentrage de +/-50% sur l’axe longitudinal, une tension de sortie stable avec de faibles pertes malgré d’importantes variations de couplage. Le tout sans aucune communication entre la partie au sol et la partie mobile. Ces résultats permettent d’envisager sérieusement un fonctionnement en roulant.Celui-ci nécessite de pouvoir séquencer l’alimentation d’une multitude de bobines de petite taille enfouies sous la chaussée, au bon moment et à la bonne position. La mise en court-circuit résonnant des bobines inactive permet d’utiliser la mesure des courants pour déterminer précisément l’instant d’activation de la bobine suivante. Cette solution originale, qui s’affranchi de tout capteur de position, conserve la propriété de recopie de tension et le principe de dimensionnement développés dans la première partie. / Inductive power transfer has become a flourishing subject, considering the current geopolitical and environmental situation and the new technological possibilities. The electric road may lead to important and valuable consequences: extended range for electric vehicles and even hybrids, from a simple bonus to an infinite range, depending on the infrastructure set up, down-sized on-board batteries, reduction of the weight and cost of the vehicle and lowered importations of both battery cells and oil for the benefit of local investments .The solution developed uses a magnetic medium for the transfer. Therefore, it involves loosely coupled coils, implying inevitably strong leakage inductances and outstanding associated voltage drops. A new type of DC-DC converter was imagined to answer those issues. It is based on the concept of symmetry; a detailed analysis conducted with phasor diagrams leads to a specific working principle, which has been named the “voltage copying”. Thus, the DC/DC converter designed works with a realistic air-gap of 15 centimeters, a longitudinal tolerance to displacement up to +/-50% and a stable output voltage with low losses despite large coupling variations. And it all works without any communication between the ground part and the mobile part. These results make a dynamic charging seriously worth investigating.It requires to sequence the power supply of a multitude of small coils buried beneath the road surface, at the right time and for the right position. Putting inactive coils in a resonant short-circuit mode enables to use current measures to precisely detect the switching time from one coil to the next. This original solution, free of any position sensor, does not prevent the specific “voltage copying” property and the design principles developed in the first part.

We have studied the effect of the dipolar magnetic coupling (also known as Néel coupling or "orange-peel" coupling) in tunneling magnetoresistive (TMR) elements. With an in situ scanning tunneling microscope we directly accessed the roughness of the films and found a close correspondence between the values for the coupling fields determined by the magneto-optical Kerr effect and the ones computed on the basis of the measured morphology parameters. We confirm an increase of the dipole coupling between magnetic layers with decreasing barrier thickness as predicted by the model. Deviations from the theoretical predictions are observed for the case of thinner soft magnetic layers, which can be explained by reduced magnetisation in very thin films. We demonstrate the importance of dipolar coupling for understanding the magnetic behaviour of TMR elements by comparing TMR curves for optimised and nonoptimised structures.

Les objectifs de ce travail concernent l'étude, la conception et la caractérisation d'antennes miniatures actives ou passives, large bande ou bande étroite fonctionnant en bandes MF, HF et VHF. Le manuscrit est divisé en cinq parties : La première partie présente un système de caractérisation d'antennes qui a été développé, validé et utilisé pour tous les aériens conçus. Ce système, basé sur une cellule à plaque parallèles (PPC), permet un large spectre de mesures telles que la mesure du gain, du point de compression, de l'intermodulation et de la sensibilité via une méthode rayonnée, particulièrement intéressante dans le cas des antennes actives intégrées. La deuxième partie concerne les antennes solénoïdales sur ferrite. L'utilisation de simulateurs électromagnétiques 3D a permis d'obtenir des résultats qui sont comparés à la théorie proposée dans la littérature. Les principaux systèmes d'adaptation d'impédance sont également étudiés. La troisième partie met en avant la possibilité de concevoir des antennes à substrat ferromagnétique de géométrie non conventionnelle en utilisant des matériaux composites. Deux antennes miniatures fabriquées et fonctionnant en bande VHF permettent d'illustrer ce point. Dans la quatrième partie, nous présentons un concept d'antennes à substrat ferromagnétique partiellement saturé. L'utilisation d'une source de champ magnétique statique associée à un matériau initialement dispersif permet de constater un certain nombre de phénomènes intéressants, tels que l'amélioration de l'efficacité tout en préservant l'adaptation de l'antenne ou bien la création de directivité sur des antennes électriquement très compactes. La dernière partie présente la valorisation du travail à travers un projet de télécommunication hertzienne longue portée s'inscrivant dans le cadre de la navigation maritime. / The objectives of this work concern the study, the design and the measurement of miniaturized passive and active, broadband and narrowband antennas for MF, HF and VHF frequency bands. The thesis is divided into five parts : The first part deals with a measurement system, which has been developed, validated and used for all conceived aerials. The system is based on a parallel plate cell (PPC) and allows an evaluation of the gain, the compression point, the interception point and the sensitivity using a radiative method particularly useful in the case of active integrated antennas. The second part concerns solenoidal ferrite antennas. The results obtained from electromagnetic 3D simulators were compared to the state of the art theory. Main matching technics have also been studied. The third part put the light on the possibility of development of arbitrary shaped antennas on a ferromagnetic substrate using a composite material. Two antennas developed for the VHF band, confirm this point. In the fourth part, we present a concept of antennas on a partially saturated ferromagnetic substrate. A static magnetic field associated with an initially lossy material brings up some interesting phenomena such as an increased efficiency without a degradation of the impedance matching or the directivity with very small antennas. The last part presents an application of the work across a project dedicated to long distance telecommunications in marine navigation.

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Dans ce travail, l’optimisation de la propulsion et de la commande des AUV (Autonomous Underwater Vehicles en anglais) est développée. Le modèle hydrodynamique de l’AUV est examiné. Egalement, son système de propulsion est étudié et des modèles pour des solutions de propulsion différentes (fixe et vectorielle) sont développés dans le cadre de la mobilité autonome.Le modèle et l’identification de la technologie de propulsion dite fixe sont basés sur un propulseur disponible commercialement. Le système de propulsion vectoriel est basé sur un prototype de propulseur magneto-couplé reconfigurable (PMCR) développé à l’IRDL-ENIB.Une méthode de commande non linéaire utilisant le modèle hydrodynamique de l’AUV est développée et son adaptation à deux systèmes de propulsion est présentée. Des analyses portant sur la commandabilité du robot et l’application de cette commande à différents systèmes sont proposées. L’optimisation globale est utilisée pour trouver des topologies propulsives et des paramètres de commande adaptés à la réalisation de tâches robotiques spécifiques. L’optimisation réalisée permet de trouver des solutions capables d’assurer le suivi de trajectoire et de minimiser la consommation énergétique du robot. L’optimisation utilise un algorithme génétique (algorithme évolutionnaire), une méthode d’optimisation stochastique appliquée ici à la conception orientée tâche de l’AUV. Les résultats de cette optimisation peuvent être utilisés comme une étape préliminaire dans la conception des AUVs, afin de donner des pistes pour améliorer les capacités de la propulsion.La technique d’optimisation est également appliquée au robot RSM (fabriqué au sein de l’IRDL-ENIB) en modifiant seulement quelques paramètres de sa topologie propulsive. Cela afin d’obtenir des configurations de propulsion adaptées au cours d’une seule et même mission aux spécificités locomotrices des tâches rencontrées : reconfiguration dynamique de la propulsion de l’AUV. / In this PhD thesis, the optimization of the propulsion and control of AUVs is developed. The hydrodynamic model of the AUVs is examined. Additionally, AUV propulsion topologies are studied and models for fixed and vectorial technology are developed. The fixed technology model is based on an off the shelf device, while the modeled vectorial propulsive system is based on a magnetic coupling thruster prototype developed in IRDL (Institut de Recherche Dupuy de Lôme) at ENI Brest. A control method using the hydrodynamic model is studied, its adaptation to two AUV topologies is presented and considerations about its applicability will be discussed. The optimization is used to find suitable propulsive topologies and control parameters in order to execute given robotic tasks, speeding up the convergence and minimizing the energy consumption. This is done using a genetic algorithm, which is a stochastic optimization method used for task-based design.The results of the optimization can be used as a preliminary stage in the design process of an AUV, giving ideas for enhanced propulsive configurations. The optimization technique is also applied to an IRDL existing robot, modifying only some of the propulsive topology parameters in order to readily adapt it to different tasks, making the AUV dynamically reconfigurable.

This dissertation evaluates the possibility of wireless power transfer (WPT) systems for space applications, with an emphasis in launch vehicles (rockets). After performing literature review for WPT systems, it was identified that magnetic resonance provides the more suited set of characteristics for this application. Advanced analysis, simulation and testing were performed to magnetic resonance WPT systems to acquire system performance insight. This was accomplished by evaluating/varying coupling configuration, load effects and magnetic element physical characteristics (i.e. wire material, loop radius, etc.). It was identified by analysis, circuit simulation and testing that the best coupling configuration for this application was series-series and series-shunt with Litz wire loop inductors. The main concern identified for the implementation of these systems for space applications was radiated emissions that could potentially generate electromagnetic interference (EMI). To address this EMI concern, we developed the Electromagnetic Compatibility Radiated Emissions Compliance Design Evaluation Approach for WPT Space Systems. This approach systematically allocates key analyses, simulations and tests procedures to predict WPT EMC compliance to NASA’s EMC standard Mil-Std-461E/F. Three prototype/magnetic elements were successfully assessed by implementing the WPT EMC design approach. The electric fields intensity generated by the WPT prototypes/magnetic elements tested were: 30.02 dBµV/m, 28.90 dBµV/m and 82.13 dBµV/m (requirement limit: 140 dBµV/m). All three prototypes successfully transferred power wirelessly and successfully met the NASA EMC requirements.

科学研究費補助金 研究種目:基盤研究(B) 課題番号:10480243 研究代表者:碓氷 章彦 研究期間:1998－2001年度

L’objectif principal de cette thèse est d’utiliser le calcul ab initio fondé sur la théorie de la densité fonctionnelle (DFT) pour calculer et comprendre la transition HS-BS de la molécule FePhen adsorbée sur un substrat métallique. Il s’agit d’abord de décrire les interactions entre FePhen et un substrat métallique ferromagnétique, comme le Co, ou un substrat paramagnétique comme l’or ou le cuivre. Nous avons calculé la barrière de potentiel nécessaire pour basculer la molécule de l’état BS à l’état HS en utilisant la méthode ’Nudged Elastic Band’ (NEB) et développé une méthode basée sur les principes de la méthode NEB, pour déterminer la trajectoire d’énergie minimale (TEM) de la molécule adsorbée sur un substrat métallique. Nous avons calculé le couplage ferromagnétique entre la molécule et le cobalt en fonction du nombre de couches intermédiaires de cuivre. Nous avons étudié en particulier (1) le rôle joué par les interactions van der Waals, (2) la modélisation de la microscopie à effet tunnel (STM) et (3) les propriétés de transport. Nous avons calculé les images STM en utilisant l’approximation de Tersoff et Hamann, qui montrent un bon accord avec les résultats expérimentaux. Nous vons étudié les propriétés de transport de la molécule FePhen adsorbée sur une surface métallique, en utilisant le code Smeagol basé sur la méthode des fonctions de Green hors-équilibre, et le formalisme de Landauer. / The main objective of this PhD thesis is to use ab initio methods based on DFT to calculate and understand the mechanism of spin crossover phenomena in FePhen molecule adsorbed on a metallic substrate. We studied the structural, electronic and magnetic properties of the free and adsorbed FePhen molecule on a ferromagnetic metal substrate, such as cobalt, or a paramagnetic substrate such as gold or copper. We calculated the energy barrier required for the molecule to switch from low-spin to high-spin states using the ’Nudged Elastic Band’ (NEB) method. We also computed the ferromagnetic coupling between two magnetic layers, the magnetic FePhen molecule and the cobalt substrate according to the number of non-magnetic intermediate layer of copper. The focus is mainly on (1) the role played by van der Waals interactions, (2) the modeling of scanning tunneling microscopy (STM) and (3) the transport properties. We calculated the STM images using the Tersoff-Hamann approximation, which showed a good agreement with recent experimental STM images. We studied the transport properties of the adsorbed molecule FePhen on a metallic surface, using the Smeagol code which is based on the non-equilibrium Green’s function and Landauer formalism.

This thesis deals with wireless power transfer from an external source to embedded small devices (such as for conditioning monitoring, control etc.) located at different distances from the source. The proposed designs can be used in a variety of applications, including mobile phones, electric cars, unmanned aerial vehicles, robots, etc. where it could be very convenient to transmit power without wires/cables. The wireless charging method which avoids using conventional cables and wires for energizing or charging electrical devices has been one of the fastest developed recent technologies. The inductive coupling technique is one way to transfer power wirelessly and works fairly well over very short distances. For distances greater than the radius of the emitter, however, inductive coupling rapidly declines. An improved approach is to create inductive-capacitive resonance which improves efficiency and transfer distance, which was proposed by Tesla. Other methods using more than two coils have lately been proposed, which improve transfer characteristics even further. Several designs were proposed consisting of two, three and four coil combinations, with different shapes and sizes. A ferrite cored solenoid was also chosen as emitter in some setups over air cored solenoid, for better field enhancement in longitudinal energy transfer applications. To have low resistive high energy transfer, coil-capacitor designs were proposed. Several simulations were performed using COMSOL Multiphysics software to understand the magnetic field distribution and transfer to the adjacent coils in air medium. Based on this power transfer efficiency graphs were plotted for every proposed design. For validation, few simulations were contrasted with lab experiments. The focus was to develop and contribute to the improvement of existing techniques. For this, it is sometimes enough to transfer a small amount of power (e.g., 0.5 W) at different distances and frequencies with different set ups. The results obtained from the simulation and measurements were used to evaluate the impact of frequency and transfer distance on energy transfer in wireless power transfer techinque for proposed design. The analysis was used to suggest the improvements or part of future work in the designs such as use of Litz wire and ferrite concentrators with thin conductive laminates. / Detta examensarbete behandlar trådlös kraftöverföring från en extern källa till inbyggda små enheter (såsom för tillståndsövervakning, kontroll etc.) placerade på olika avstånd från källan. De föreslagna designerna kan användas i en mängd olika applikationer, inklusive mobiltelefoner, elbilar, obemannade flygfordon, robotar, etc. där det kan vara mycket bekvämt att överföra ström utan ledningar/kablar. Den trådlösa laddningsmetoden som undviker att använda konventionella kablar och ledningar för att strömsätta eller ladda elektriska apparater har varit en av de snabbast utvecklade nya teknologierna. Den induktiva kopplingstekniken är ett sätt att överföra ström trådlöst och fungerar ganska bra över mycket korta avstånd. För avstånd större än sändarens radie avtar emellertid den induktiva kopplingen snabbt. Ett förbättrat tillvägagångssätt är att skapa induktiv-kapacitiv resonans som förbättrar effektiviteten och överföringsavståndet, vilket föreslogs av Tesla. Andra metoder som använder mer än två spolar har nyligen föreslagits, vilka förbättrar överföringsegenskaperna ytterligare. Flera konstruktioner föreslogs bestående av två, tre och fyra spolar kombinationer, med olika former och storlekar. En solenoid med ferritkärna valdes också som sändare i vissa inställningar framför solenoid med luftkärna, för bättre fältförstärkning i longitudinella energiöverföringstillämpningar. För att ha låg resistiv hög energiöverföring föreslogs spolkondensatorkonstruktioner. Flera simuleringar utfördes med COMSOL Multiphysics programvara för att förstå magnetfältets distribution och överföring till intilliggande spolar i luftmedium. Baserat på detta ritades grafer för effektöverföringseffektivitet för varje föreslagen design. För validering kontrasterades få simuleringar med labbexperiment. Fokus var att utveckla och bidra till förbättringen av befintliga tekniker. För detta räcker det ibland att överföra en liten mängd effekt (t.ex. 0,5 W) på olika avstånd och frekvenser med olika uppsättningar. Resultaten från simuleringarna och mätningarna användes för att utvärdera effekten av frekvens och överföringsavstånd på energiöverföring i trådlös kraftöverföringsteknik för föreslagen design. Analysen användes för att föreslå förbättringar eller delar av framtida arbete i designen, såsom användning av Litz-tråd och ferritkoncentratorer med tunna ledande laminat.