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Centre for Nanoscience
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Seminars

  • 4

    12/2017

    From Negative Index Metamaterials to Topological Light Sources


      Boubacar Kante.

    During the last two decades, our ability to nanostructure materials has led to a better understanding of the role of electromagnetic multipoles in the control of light-matter interaction. In this talk, I will discuss how symmetry consideration have enabled the construction of negative index metamaterials from closed metallic nanorings, the analogue of the Bohr model of atoms (previously deemed impossible). I will also discuss how symmetries, via the control of the interaction of electromagnetic multipoles, enable the construction of unique cavities supporting lasing using bound states in continuum with numerous potential applications. I will discuss the topology of these states, their experimental observation as well as the prospect to implement non-reciprocity, a long searched functionality in optical systems in magnetized and functional topological optical cavities of arbitrary geometries

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  • 21

    11/2017

    STMBE studies: in-situ STM observation for understanding MBE growth mechanism


      Shiro Tsukamoto.

    High density arrays of Quantum dots (QDs) can easily be grown by 'self-assembled' methods. However, the precise mechanism of 'self-assembled' is not understood, which hampers control over QD size, density and distribution for particular applications. Therefore, in-situ evaluation technique for observing the growth process is necessary and indispensable. STM is good technique to observe the surface in atomic level but it dislikes vibrations and material depositions. So, usually its observation is after transporting the sample from MBE growth chamber to the STM though a gate valve, resulting that the temperature of the sample is returned to room temperature. Since the real in situ observation cannot be done with this ordinary method, we develop "STMBE" system in which the STM is placed completely inside MBE growth chamber, and with this system, the surface structure is analyzed centering on the in situ STM observation of the InAs QD self-assemble process on GaAs(001).

     

    References:

    [1] S.Tsukamoto and N.Koguchi, J.Cryst.Growth 201/202 (1999) 118; 209 (2000) 258.

    [2] S.Tsukamoto, T.Honma, G.R.Bell, A.Ishii, and Y.Arakawa, Small 2 (2006) 386.

    [3] T.Konishi and S.Tsukamoto, Nano.Res.Lett. 5 (2010) 1901.

    [4] T.Konishi and S.Tsukamoto, Surf.Sci. 605 (2011) L1.

    [5] T.Konishi, G.R.Bell, and S.Tsukamoto, J.Appl.Phys. 117 (2015) 144305.

    [6] T.Toujyou and S.Tsukamoto, Phys.Stat.Sol.(c) 8 (2011) 402.

    [7] T.Toujyou and S.Tsukamoto, Nano.Res.Lett. 5 (2010) 1930.

    [8] T.Toujyou and S.Tsukamoto, Surf.Sci. 605 (2011) 1320.

    [9] T.Toujyou, T.Otsu, D.Wakamatsu, M.Kurisaka, T.Konishi, and S.Tsukamoto, J.Cryst.Growth 378

    (2013) 41.

    [10] M.Hirayama, G.R.Bell, and S.Tsukamoto, J.Vac.Sci.Tech.B 29 (2011) 04D109.

    [11] M.Hirayama and S.Tsukamoto, J.Cryst.Growth 378 (2013) 44.

    [12] T.Teraoka, C.Somaschini, T.Toujyou, T.Noda, S.Sanguinetti, N.Koguchi, T.Konishi, and

    S.Tsukamoto, The 17th International Conference on Molecular Beam Epitaxy, TuP-11 (2012) 142.

    [13] T.Konishi, S.Tsukamoto, T.Ito, T.Akiyama, and R.Kaida, J.Cryst.Growth 477 (2017) 104.

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  • 24

    10/2017

    Self-assembly of Si- and SiGe-based dielectric Mie resonators via templated solid-state dewetting


      Marco Abbarchi.

    Dielectric Mie resonators have attracted a great deal of attention over the past few years thanks to
    their remarkable capabilities in manipulating light propagation at the nanoscale1,2,3. However, the practical
    implementation of technological products is still elusive. Important limits are the absence of a high-performing
    material and a fabrication method that can be easily integrated into modern micro-electronic devices at
    affordable costs. Here, we provide theoretical and experimental evidence of solid state dewetting of ultra-thin
    silicon and silicon-germanium films on insulators as an alternative fabrication method and semiconductor
    material for dielectric Mie resonator applications4-7. These dielectric resonant particles can be obtained over
    very large surfaces4 on arbitrary silica substrates5. Remarkably, this self-assembly process is independent on
    the sample size. Furthermore, the Si(Ge) islands can be precisely organised in uniform arrays and complex
    oligomers arrangements6 featuring low size dispersion. Their composition profile can be controlled a posteriori
    via a Ge condensation process to form core-shell Si/SiGe islands7,8 and their diffusion spectrum can be
    electrically tuned by changing the refractive index of the environment. As an example, we demonstrate SiGebased
    Mie resonator arrays functioning as colour pass-band filters across the full visible spectral range9. The
    filters function both in transmission and diffusion and are fabricated using a methodology compatible with CMOS
    technology. We note that the use of SiGe-based alloys in novel electronic devices, such as FET and CMOS
    transistors, is nowadays extremely important. Because of this, opening the field of dielectric MRs to
    SiGe-based semiconductor alloys is an important step forward towards the integration of photonics with
    electronic devices.

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  • 20

    10/2017

    Group IV compounds and tunable index silicon nitride for multiplatform integrated photonics


      Frédéric Gardes.

    Over the last decade, Silicon Photonics has established itself as a mature technology for the fabrication of low-cost, scalable integrated optical components. Silicon-On-Insulator (SOI) has been widely accepted as the ideal fabrication platform for silicon photonics components, allowing the implementation of high-index contrast waveguides using CMOS-compatible processes. A wide range of highly performing SOI-devices aimed at applications for the next-generation optical networking have already been demonstrated, such as ultra-low loss waveguides, optical filters, high-speed optical transceivers, as well as the components for all-optical signal processing. Nevertheless, to increase circuit density and functionality, a range of materials are required to enable back-end-of-line (BEOL) fabrication of multilayer waveguiding systems and associated components such as light sources, modulators and detectors. We demonstrate a range of techniques and deposition methods leading to the fabrication of components such as Ge/SiGe electro-absorption modulators or BEOL SiN waveguides enhancing the platform capability for applications such as temperature insensitive CWDM, all optical signal processing through enhanced non-linear characteristics and suspended devices for sensing applications.
     

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  • 13

    10/2017

    Exploring the formation of nanomaterials in liquids through direct imaging


      Utkur. Mirsaidov,.

    Nanostructures can be defined and formed through “bottom-up” processes such as assembly of nanoscale bodies or “top-down” processes such as nanoscale etching. Many of these processes, which are fundamental for materials engineering and fabrication of functional nanodevices, such as assembly of nanoparticles and chemical etching of nanoscale architectures are done in a liquid environment.

    Using dynamic in situ TEM imaging [1-3] in liquids, I will describe how nanoparticles form in solution and how these nanoparticles interact with each other. First, I will discuss how phase separation of a solution containing Au ions into solute-rich and solute-poor phases leads to the formation of Au nanocrystal through a pathway that does not follow classical nucleation theory (CNT). Namely, I will show that multiple steps lead to the formation of nuclei from which nanocrystals grow [4]. These steps are: 1) phase separation of a liquid solution into solute-poor and solute-rich phases, from which 2) amorphous nanoparticles which serve as a precursor for nuclei emerges. This is followed by 3) crystallization of these amorphous nanoparticles into crystalline nuclei.

    Next, I will highlight the role of intermolecular forces between nanoparticles in solution and describe their role in the assembly of nanostructures from individual nanoparticle building blocks (bottom-up approach) [5]. Specifically, I will show how the balance between repulsive hydration force and attractive van der Waals (vdW) force results in a metastable nanoparticle-pair which promotes their subsequent attachment to each other [5].

    Finally, I will conclude by describing our recent work where we track the nanoscale dynamics of wet-etch (top-down approach) processes to shape semiconductor nanomaterials where, through direct imaging, we revealed the intermediate stages of Si wet-etch.

    These findings highlight the role of solvent-mediated physical and chemical forces in material synthesis and self-assembly of nanoparticles. Our observations also emphasize the importance of direct nanoscale observation in uncovering previously unknown intermediate states that are pivotal for synthesis and self-assembly.

    References:

    [1] M. J. Williamson, R. M. Tromp, P. M. Vereecken, R. Hull, F. M. Ross, Nature Materials 2 (2003), p. 532.

    [2] H. Zheng, R. Smith, Y. Jun, C. Kisielowski, U. Dahmen, A. P. Alavisatos, Science 324 (2009), p. 1309.

    [3] U. Mirsaidov, H. Zheng, D. Bhattacharya, Y. Casana, P. Matsudaira, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 109 (2012), p. 7187.

    [4] N. D. Loh, S. Sen, M. Bosman, S. F. Tan, J. Zhong, C. Nijhuis, P. Kral, P. Matsudaira, U. Mirsaidov, Nature Chemistry 9 (2016), p. 77.

    [5] U. Anand, J. Lu, N. D Loh, Z. Aabdin,  U. Mirsaidov, Nano Lett. 16 (2016), p. 786.

    [6] Z. Aabdin, X. M. Xu, S. Sen, U. Anand, P. Kral F. Holsteyns, U. Mirsaidov, Nano Letters  17(5), (2017) p.2953.

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  • 5

    10/2017

    Compact Modeling and Circuit Design based on Spin Injection


      Qi AN.

  • 4

    10/2017

    Heat Assisted Magnetic Recording Technology – Background, Status and Future


      Dieter Weller.

    Heat-assisted magnetic recording (HAMR) media requirements and challenges to extend the areal density (AD) beyond 1.4 Tb/in2 [1] will be discussed. Industry research efforts started in 2000 and Hard Disk Drives (HDD) with capacities beyond 10 Terra-Bytes (TB) per disk drive are expected in 2018 [2]. Key progress efforts beyond recording media are related to read-write heads, head-disk interface (HDI) and channels. Today’s channels allow experimental bit-error rates (BER) down to 10-2 [1].

    Todays HAMR media are based on granular high magnetic anisotropy chemically ordered, well textured and chemically isolated L10 FePtX-Y films of about 12 nm average thickness. This is achievable by sputter co-deposition of FePt with grain segregants, Y, like C, BN, SiO2 or TiO2 (carbides, nitrides, oxides). Such segregants laterally exchange-decouple grains and make them permanent magnets with up- or down orientation. Six to ten of such grains form one bit with either up (=1) or down (=0) orientation.

    Key ongoing progress efforts include average grain diameter <D> reduction from 8 to 4 nm, grain diameter distribution reduction D/D from 20 to 10 % and Curie temperature distributions TC/TC below 3%. Research and development efforts are adjusting / optimizing TC to the available near field transducer (NFT) laser heat power by doping FePt with Cu or Ni. Thin seed layers like 10 nm thick fcc MgO (100) are important to facilitate the formation of well-oriented grains with high chemical ordering and proper perpendicular magnetic anisotropy Ku > 5.107 erg/cm3 [3]. All this is expected to increase AD up to about 4 Tb/in2 [3]. Other, primarily modeling efforts, predict at least 10 Tb/in2 AD HAMR technology, e.g. based on exchange coupled continuous ECC media, which will also be highlighted.

    [1] Ganping Ju et al., IEEE Trans Mag. 51, 3201709 (2015)
    [2] Mark Re, Seagate (2016)
    [3] D. Weller et al., pss A, 210, 1245, (2013) & D. Weller et al., IEEE Trans Mag 50, 3100108

    (2014)

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  • 2

    10/2017

    Single electron pumps for the revision of the SI unit Ampere


      Hans Werner Schumacher.

    In 2018 the General Conference on Weights and Measures will revise the International System of Units (the SI). In the "New SI" four
    of the SI base units, the kilogram, the ampere, the kelvin and the mole, will be redefined in terms of fixed values of four natural constants,
    namely the Planck constant h, the elementary charge e, the Boltzmann constant kB, and the Avogadro constant NA. 
    By fixing the value of e the base unit ampere can be directly realized by so-called single electron pumps emitting a single electron at a 
    repetition frequency f to generate the quantized current I = ef.The talk will focus on the present state of single electron pumps for the
    direct representation of a the “new” ampere. 

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  • 29

    09/2017

    (in french) Étude et conception d’antennes à base de métasurfaces destinées aux applications spatiales et aéronautiques


      Ratni Badreddine.

    (in french)

    Cette thèse a pour but de mettre en avant les récentes avancées dans le domaine des métasurfaces. Ces structures ont été utilisées dans le but d’améliorer les performances des antennes classiques ou de concevoir de nouveaux concepts d’antenne. Les travaux menés s’inscrivent dans le cadre d’une collaboration avec des partenaires industriels qui sont Airbus Safran Lunchers, Airbus Group Innovations et le CNES. La thèse est organisée en deux parties. La première partie est consacrée aux métasurfaces utilisées comme des surfaces partiellement réfléchissantes (SPR) pour concevoir des antennes à cavité Fabry-Perot. Un modèle analytique permettant de prédire le dépointage du faisceau d’antenne par une modulation de la phase sur la SPR a été développé. Ensuite, un nouveau concept de métasurface permettant de réaliser du dépointage de faisceau est proposé. Il consiste à appliquer un gradient de phase en faisant varier l’indice effectif le long du substrat diélectrique de la SPR. La deuxième partie de cette thèse est quant à elle consacrée à la conception d’une métasurface active permettant d’émuler plusieurs fonctions. Dans un premier temps, la métasurface est utilisée comme un réflecteur présentant une reconfigurabilité fréquentielle et angulaire. Ensuite cette métasurface est utilisée comme polariseur reconfigurable où une polarisation linéaire de l'onde incidente est convertie en polarisation circulaire. Enfin, la dernière étude concerne l’utilisation de la métasurface active pour la réalisation d’une antenne à réflecteur cylindro-parabolique et à réflecteur dièdre reconfigurables.

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  • 28

    09/2017

    Spin resolved scanning tunneling microscopy: Non-collinear magnetism and high frequency dynamic properties


      Marie Hervé.

    In magnetic thin films the Heisenberg exchange interaction often leads to a parallel or antiparallel alignment of neighboring spins in the crystal. When inversion symmetry is broken e.g. by a surface or an interface, the non-collinear Dzyaloshinskii-Moriya interaction competes with the Heisenberg exchange interaction. This competition can lead, in some case, to the stabilization of complex spin textures such as spin spirals or skyrmions. Investigation of the local dynamic properties of magnetic structures - such as skyrmion or nano-skyrmionic lattice - require the implementation of experimental technique with a high spatio-temporal resolution (nm and sub-ns resolution). In this talk, I will first show that spin-polarized STM (SP-STM) is an ideal tool to probe such non-collinear magnetic structure. The characterization of spin spirals and skyrmions state in an ultra-thin Co layer will be presented (fig. 1). In a second part I will explain our current progress in the development of a new experimental technique combining ferromagnetic resonance (FMR) with SP-STM.

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  • 27

    09/2017

    Topological pumps and topological quasicrystals


      Odel Zilberberg.

    Topological phases of matter have fascinated researchers since over 30 years. Indeed, last year's Nobel prize joins the previous two awards for the quantum Hall effect in commending this unique field. In my talk, I will start with the quantum Hall effect and demonstrate how it is related to topological pumps. Using Laughlin's argument, we shall see how such pumps are best understood in the context of time-dependent electronic (fermionic) systems. I will, then, present our realizations of topological pumps using two completely different bosonic systems,

    namely, using coupled photonic waveguide arrays and with trapped atoms in optical superlattices. In the second part of my talk, I will detail the connection between quasicrystals and topological pumps. In this context, we have found that quasicrystals inherit topological attributes

    from their corresponding pumps, i.e., quasicrystals are characterized with topological indices from dimensions higher than their own. I will discuss several 1D quasi-periodic models with nontrivial 1st Chern numbers and topological boundary states, which are inherited from the 2D quantum Hall effect. This topological classification leads to several interesting physical implications. Last, I will present how this naturally leads to realizing the 4D quantum Hall effect and 2D topological pumps in the lab.

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  • 22

    09/2017

    Topological Spintronics: from the Haldane phase to spin devices


      Nitin Samarth.

    We provide a perspective on the recent emergence of “topological spintronics,” which relies on helical Dirac electrons on the surfaces of solids with strong spin-orbit coupling [1]..When time- reversal symmetry is broken by ferromagnetic order, the helical Dirac states transition to chiral edge states [2]. This is a realization of Haldane’s Chern insulator phase of matter, characterized by a precisely quantized Hall conductance and ballistic edge transport without a magnetic field, even in systems with significant electronic and magnetic disorder [3,4]. The interplay between these edge states, dissipative channels and magnetic order appears to yield a condensed matter realization of quantum tunneling out of a ‘false vacuum’ [4]. Interesting opportunities are also emerging for patterning and manipulating the edge states using optical techniques [5]. On a more pragmatic note, the helical spin texture of the surface states also leads to efficient spin- charge conversion at room temperature [6,7], allowing one to envision novel devices for universal memory and spin-based logic.

    [1] M. Neupane, A. Richardella et al., Nature Communications 5, 3841 (2014). [2] A. Kandala, A. Richardella, et al., Nature Communications 6, 7434 (2015). [3] E. Lachman et al., Science Advances 1, e1500740 (2015).
    [4] M. Liu et al., Science Advances 2, e1600167 (2016).

    [5] A. L. Yeats et al. PNAS (online 12 September, 2017).
    [6] A. Mellnik, J. S. Lee, A. Richardella et al., Nature 511, 449 (2014). [7] H. Wang et al., Physical Review Letters 117, 076601 (2016).

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  • 18

    09/2017

    Nanoscale contact as a source of plasmons for plasmonic nanocircuits


      Alexander V. Uskov.

    Electrically driven optical antennas are attracting much attention, in particular, due to necessity to develop integrated electrical source of surface plasmons for future plasmonic nanocircuitries. By default, this term denotes a metal nanostructure, in which electromagnetic oscillations at optical frequencies are excited by electrons, tunneling between metallic parts of the structure when a bias voltage is applied between them.

    Instead of relying on an inefficient inelastic light emission in a tunnel gap, we are suggesting to use ballistic nanoconstrictions as the feed element of an optical antennas in order to excite electromagnetic plasmonic modes. Similarly to tunneling structures, the voltage applied at the constriction falls over the contact of nanoscale length. Electron passing through the contact ballistically can gain the energy provided by the bias ~1eV and exchange it into an mode of the optical antenna. We discussed the underlying mechanisms responsible for the optical emission, and show that with nanoscale contact, one can reach quantum efficiency orders of magnitude larger than with standard tunneling structures. 

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  • 14

    09/2017

    Ultrafast and Very Small: Discover Nanoscale Magnetism With Picosecond Time Resolution Using X-Rays


      Hendrick Ohdag.

    Today’s magnetic device technology is based on complex magnetic alloys or multilayers that are patterned at the nanoscale and operate at gigahertz frequencies. To better understand the behavior of such devices one needs an experimental approach that is capable of detecting magnetization with nanometer and picosecond sensitivity. In addition, since devices contain different magnetic elements, a technique is needed that provides element-specific information about not only ferromagnetic but antiferromagnetic materials as well. Synchrotron based X-ray microscopy provides exactly these capabilities because a synchrotron produces tunable and fully polarized X-rays with energies between several tens of electron volts up to tens of kiloelectron volts. The interaction of tunable X- rays with matter is element-specific, allowing us to separately address different elements in a device. The polarization dependence or dichroism of the X-ray interaction provides a path to measure a ferromagnetic moment and its orientation or determine the orientation of the spin axis in an antiferromagnet. The wavelength of X-rays is on the order of nanometers, which enables microscopy with nanometer spatial resolution. And finally, a synchrotron is a pulsed X-ray source, with a pulse length of tens of picoseconds, which enables us to study magnetization dynamics with a time resolution given by the X-ray pulse length in a pump-probe fashion.

    The goal of this talk is to present an introduction to the field and explain the capabilities of synchrotron based X-ray microscopy, which is becoming a tool available at every synchrotron, to a diverse audience. The general introduction will be followed by a set of examples, depending on the audience, that may include properties of magnetic materials in rocks and meteorites, magnetic inclusions in magnetic oxides, interfacial magnetism in magnetic multilayers, and dynamics of nanostructured devices due to field and current pulses and microwave excitations.

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  • 8

    09/2017

    Characterization and applications of passively mode-locked semiconductor lasers


      Pascal Landais.

    Passively mode-locked semiconductor lasers are multimode lasers able to generate short pulses (~2ps) at a repetition rate of 40 GHz even though they are dc biased. In the first part of this presentation an overview of mode-locking techniques will be given, and then some applications and results lasers will be showed.

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  • 4

    09/2017

    Nano-optomechanics with hybrid carbon nanotube resonators


      Pierre Verlot.

    Optomechanical research have recently achieved important progress, notably with the first evidence of quantum behaviours on solid-state mechanical devices, including the demonstration of quantum backaction noise in interferometric systems and the preparation of mechanical resonators close to the quantum ground state. One of the major contribution to these milestones relies on the miniaturization of mechanical resonators at the nanoscale, enabling strongly decreased sensitivity towards classical decoherence mechanisms. The technological challenge raised is therefore to secure strong optomechanical interaction at that scale without compromising mechanical properties.

    I will present a novel experimental approach, enabling unprecedentedly low level of thermal decoherence at room temperature. The concept relies on a carbon nanotube resonator at the tip of which an efficient nano-optical scatterer is synthesized. I will show that highly sensitive detection of such system is granted at very low power, and that dynamical backaction control of its vibrational state is available even without the assistance of cavity optical confinement. The mechanical frequency noise will also be analysed as a function of the vibrational state, opening the way towards quantitative understanding of mechanical decoherence in carbon nanotubes at room temperature. I will then conclude upon perspectives to incorporate the system into a cavity optomechanical design.

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  • 31

    08/2017

    Electromagnetic metasurfaces: Physics and applications


      Lei Zhou.

    Metasurfaces are ultra-thin metamaterials composed by artificial planar meta-atoms arranged in some specific macroscopic orders, which exhibit extraordinary capabilities to control electromagnetic (EM) waves. In this talk, we briefly summarize our latest experimental results on employing metasurfaces to control electromagnetic waves. Specifically, we will show how to realize a photonic spin-Hall effect with nearly 100% efficiencyin both reflection [1] and transmission [2] geometries, how to achieve surface-plasmon couplers that can excite surface plasmon polaritons (SPPs) very efficiently [3,4], and how to actively control the phases of electromagnetic waves in THz [5] and GHz regimes [6], based on a compete phase diagram for metal/insulator/metal metasurface [7].

     

    References

    [1] Weijie Luo, et al.,, Adv. Opt. Mater. 3, 1102 (2015).
    [2] Weijie Luo, et al., Phys. Rev. Appl. 7, 044033 (2017).
    [3] Wujiong Sun, et al., Light: Science & Applications 5, 16003 (2016).
    [4] Jingwen Duan, et al., Sci. Rep. 7 1354 (2017).
    [5] Ziqi Miao, et al, Phys. Rev. X 5, 041027 (2015).
    [6] Hexiu Xu, el al., Sci. Rep. 6 27503 (2016); Sci. Rep. 6 38255 (2016); Appl. Phys. Lett. 109, 193506 (2016)
    [7] Che Qu, Shaojie Ma, et al., Phys. Rev. Lett. 115, 235503 (2015).

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  • 18

    07/2017

    Recurrences in an one-dimensional Bose gas


      Bernhard Rauer.

    Even though the evolution of an isolated quantum system is unitary and should therefore be intrinsically periodic, the complexity of interacting many-body systems prevents the observation of recurrences of quantum states for all but the smallest systems. For large systems the full quantum states are not accessible and the requirements to observe a recurrence in experiments reduces to being close to the initial state with respect to the employed observable. Selecting an observable connected to the collective excitations in a pair one-dimensional superfluids realized with ultracold rubidium atoms, we demonstrate recurrences of coherence and long range order in an interacting many-body system containing thousands of particles. This opens up a new window into the long time dynamics of large quantum systems even after they reached a transient thermal-like state.

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  • 13

    07/2017

    On-chip wireless optical communication through plasmonic nanoantennas


      Giovanna Calo.

    On-chip wireless optical communications among distant cores in chip multiprocessors can lead to a completely new approach to the limits of current on-chip communication. In fact, using wireless connections mitigates the problems related to the design and the fabrication of hugely complex switching fabrics, where long paths suffer of crosstalk and loss issues. Implementing wireless communication at optical frequencies allows simplifications in network fabrication and management. In this presentation, an overview of our recent research on plasmonic nanoantennas for wireless optical networks-on-chip will be proposed. In particular, the design and optimization of plasmonic antennas integrated with silicon waveguides will be presented. Moreover, the on-chip wireless propagation characteristics and the point-to-point link performances will be proposed.

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  • 11

    07/2017

    (in french) Fibre optiques et guides d’onde en verres de chalcogénures et applications dans le moyen infrarouge


      Johann Troles & Virginie Nazabal.

    (in french)

    Par comparaison avec les verres courants que sont les verres à base de silice (oxyde de silicium, SiO2), les verres de chalcogénures sont formés à partir d’éléments tels que le soufre, le sélénium ou le tellure. De cette composition chimique particulière résultent des propriétés optiques exceptionnelles, notamment en termes de transparence à la lumière infrarouge. Ainsi, alors que les verres à base de silice sont transparents jusqu’à des longueurs d’onde de 3 μm environ, les chalcogénures sont transparents jusqu’à 6-10 μm pour les verres au soufre, plus de 11 μm pour les verres au sélénium et jusqu’à 18-25 μm pour les verres riches en tellure. Par ailleurs, comme tous les verres stables, caractérisés par une faible tendance à évoluer vers l’état cristallin, les verres de chalcogénures peuvent être mis en forme par moulage-pressage pour la fabrication de lentilles par exemple, ou par étirage pour l’élaboration de fibres optiques, ou par dépôt pour réaliser des couches minces et des guides d’onde planaires. L’association des possibilités de mise en forme et des propriétés de transmission dans l’infrarouge ouvre un vaste champ d’applications pour ces matériaux issus de la recherche académique : dispositifs infrarouges pour l’imagerie thermique (surveillance, défense, médical), capteurs à fibres optiques ou en optique intégrée pour le diagnostic médical et la surveillance environnementale, interférométrie infrarouge dans le domaine spatial. Certaines de ces applications sont développées au sein d’entreprises créées spécifiquement pour valoriser les résultats obtenus au laboratoire : Umicore IR-Glass (2004), DIAFIR (2011), et SelenOptics (2015).

     

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  • 30

    06/2017

    Nanomachines that write, image, repair, sense, isolate, deliver and destroy


      Joseph Wang.

    The remarkable performance of biomotors has inspired scientists to create synthetic nanoscale machines that mimic the function of these amazing natural systems. Creative research efforts across the globe have led to powerful and versatile man-made nanomachines. Significant improvements in the capabilities of these nanoscale machines have led to greatly enhanced speed and power, motion control, cargo-towing force, versatility, functionality and scope of synthetic nanomotors. The greatly improved capabilities of artificial nanomotors have paved the way to exciting and important new applications. Our team has recently described nanoscale machines capable of ‘writing’ (patterning) nanoscale features, repairing electrical circuits, perform high resolution imaging, generating energy, isolating cancer cells, detecting intracellular targets, or sensing and neutralizing threats. These recent advances and new capabilities will be described, along with future prospects and challenges.

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  • 30

    06/2017

    Quasi-phase matched semiconductor wavequides for wavelength conversion in the mid-infrared.


      Arnaud Grisard.

    The development of compact and tunable mid-infrared laser sources in the atmospheric transmission windows presents a major interest for several security and defense applications. Quasi-phase-matched sources in a guided wave configuration are promising solutions to enhance compactness and affordability, because of the reduction in pump power requirements with respect to bulk devices.

    Significant progress has been made in this field at Thales Research and Technology along two routes. The first one consists in studying orientation-patterned gallium arsenide (OP-GaAs) waveguides, adapted to fiber laser pumping and to relatively high pump power. The second axis is devoted to the original idea of integrating an antimonide-based laser diode with a gallium antimonide (GaSb) frequency converter in a monolithic component. The goal in both cases is to minimize propagation losses in those waveguides to be able to exploit the whole potential of their non-linear properties. Recent results will be presented and put in perspective with plans for parametric frequency generation and supercontinuum generation in the long wave infrared domain.

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  • 28

    06/2017

    Spectral signatures of photonic molecules and whispering gallery mode graphene sensors


      Vasily N. Astratov.

    This talk has two parts. In the first part, we take an inspiration from analogy between quantum mechanics and the classical electrodynamics since the dielectric microspheres with coupled whispering gallery modes (WGMs) can be viewed as an example of photonic molecules. We built such molecules by using microspheres with sorted positions of WGM peaks and show that the spectra of supermodes of such molecules have certain features which can be used for identification of their symmetry, number of constituting atoms and topology [1]. We show that these properties can be viewed as “spectral signatures” of various molecules. Excellent agreement was found between measured and calculated spectral signatures.

    In the second part, we study coupling of WGMs with graphene flakes deposited on a sidewall surface of high-Q cylindrical resonators. This work was developed in close collaboration with the groups of Anatole Lupu and Maria Tchernycheva at IEF. Our experimental approach is based on manipulation with the positon of WGM orbit excited in a fiber using a side-coupled tapered microfiber. We observed an interesting polarization TE/TM conversion effect in the WGM spectra detected through the microfiber. We believe that this effect represents a novel sensor modality for sensing nanoobjects which has some advantages over conventional modalities based on spectral shift, damping or splitting of the WGM peaks.

    1. [1] Y. Li et al., Whispering Gallery Mode Hybridization in Photonics Molecules, Laser & Phot. Rev. 11, 1600278 (2017).
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  • 23

    06/2017

    (in french) Les marchés publics, réglementation et outils


      C2N.

    (in french)

    Cette présentation, réalisée par les services des marchés de nos deux tutelles, s'articulera sur deux parties:

    - Une première partie sur le rappel de la réglementation générale sur les marchés publics. Seront spécifiés les points sensibles et /ou faisant l'objet de questionnement ou de difficultés tel que les délais, les critères d sélection des marchés. Cette présentation est particulièrement ciblée à toute personne ( chercheur ou IT ) étant amené à réalisé des procédures spécifiques de type RECA ou PUMA D'une durée de 1 heure cette première partie pourra être suivie de questions.

    - Une seconde partie plus ciblée sur les différents outils à disposition, le circuit des documents administratifs selon les seuils et les besoin. Cette présentation de 20-25 mn pourra également être suivie de questions.

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  • 22

    05/2017

    (in french) PELIICAEN : « Implanter l’ion que l’on veut, où l’on veut »


      Stéphane Guillous.

    (in french)

    L’implantation ionique localisée est primordiale pour la recherche et le développement en nanosciences et nanotechnologies. Elle assiste les domaines de la microélectronique, la nanophotonique, la spintronique et l’élaboration de nanomatériaux en modifiant précisément les propriétés électriques, optiques, magnétiques et chimiques de la matière à l’échelle nanométrique. Le nouveau dispositif expérimental PELIICAEN est unique et ouvre de nouveaux champs de recherche. Il permet, en fonction des ions accélérés, des fluences, des énergies utilisées et de la nature des matériaux :

    - de réaliser des réseaux intriqués à 3 dimensions de régions dopées avec différentes espèces et concentrations

    - de cibler à l’échelle nanométrique les zones d’intérêt
    de modifier la structure de l’édifice atomique des zones bombardées par la création de défauts ou par transformation de phase

    - de changer localement la composition chimique afin de synthétiser de nouvelles phases parfois inaccessibles par les techniques classiques d’élaboration.

    Les performances et possibilités actuelles de la plateforme seront détaillées à travers les premiers résultats obtenus, notamment avec les premiers faisceaux submicroniques atteints. Quelques exemples de recherches et d’études en cours seront aussi abordés ainsi que les possibilités d’évolutions futures du dispositif.

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  • 18

    05/2017

    Application of Bioengineering principles to advance gene therapy and 3D culture systems


      Dr. JongEun Ihm.

    Bioengineering is based on the use of physical and mathematical principles to deal with biological questions. This strategy was successfully employed to develop new biomaterials or to design novel diagnostic/therapeutic devices. This seminar will describe two bioengineering strategies aiming first at developing new biomaterials for 3-D culture and second at designing a new gene delivery system.

    Part1. Modified polyethylenimine–based gene delivery system for Improved biocompatibility.

    Part2. In vitro murine ovarian follicle development system based on PEG-hydrogel


  • 4

    04/2017

    The Quantum Loom: efficient generation of photonic graph states


      Hagai Eisenberg.

    The generation of entanglement between more than two particles is a major challenge for all physical realizations. It is required for the realization of many quantum information protocols, including quantum computing. Single photons are one of the most promising realizations of quantum bits (qubits), as they are easily manipulated, preserve their coherence for long times, and information can be stored in their many different degrees of freedom. Up to date, up to ten photons have been entangled in a single state through their polarization degree of freedom. The main difficulties in increasing this number are the elaborated setups required and the low rates of state production. I will present a novel and simple scheme that can in principle generate entanglement between any number of photons in a linear cluster state from a single fixed setup. This scheme combines photons from one source in a single path, but at different times, using an optical delay. It can be extended to create higher-dimensional cluster states, and even arbitrary graph states. Such states are useful for the one-way quantum computer scheme. Results from such a setup using heralded single photons will be presented. States of two and three entangled photons were measured, with good visibilities of their quantum interference. “A resource efficient source of multi-photon polarization entanglement”, E. Megidish, T. Shacham, A. Halevy, L. Dovrat and H.S. Eisenberg, Phys. Rev. Lett. 109, 080504 (2012). “Entanglement swapping between photons that have never coexisted”, E. Megidish, A. Halevy, T. Shacham, T. Dvir, L. Dovrat, and H. S. Eisenberg, Phys. Rev. Lett. 110, 210403 (2013). “Simple source for large linear cluster photonic states”, Y. Pilnyak, N. Aharon, D. Istrati, E. Megidish, A. Retzker, H. S. Eisenberg, Phys. Rev. A 95, 022304 (2017)


  • 3

    04/2017

    Quantum nanophotonics: controlling light with a single quantum dot


      Edo Waks.

    Interactions between light and matter lie at the heart of optical communication and information technology. Nanophotonic devices enhance light-matter interactions by confining photons to small mode volumes, enabling optical information processing at low energies. In the strong coupling regime, these interactions are sufficiently large that a single photon creates a nonlinear response in a single atomic system. Such single-photon nonlinearities are highly desirable for quantum information processing applications where atoms serve as quantum memories and photons act as carriers of quantum information. In this talk I will discuss our effort to develop and coherently control strongly coupled nanophotonic devices using quantum dots coupled to photonic crystals. Quantum dots are semiconductor “artificial atoms” that can act as efficient photon emitters and stable quantum memories. By embedding them in a photonic crystal cavity that spatially confines light to less than a cubic wavelength we can attain the strong coupling regime. This device platform provides a pathway towards compact integrated quantum devices on a semiconductor chip that could serve as basic components of quantum networks and distributed quantum computers. I will discuss our demonstration of a quantum transistor, the fundamental building block for quantum computers and quantum networks, using a single electron spin in a quantum dot [1, 2]. I will then describe a realization of a new cavity QED approach to measure the state of a spin all-optically. This technique enables efficient spin readout even when the spin has a poor cycling transition. Finally, I will discuss our recent effort to extend our results into the telecommunication wavelengths, and to improve the efficiency and scalability of the structure in order to attain integrated multi-dot devices on a single chip. Biography Edo Waks is a professor in the Department of Electrical and Computer Engineering at the University of Maryland, College Park. He is also a member of the Joint Quantum Institute (JQI), a collaborative effort between the University of Maryland and NIST, Gaithersburg, dedicated to the study of quantum coherence. Waks received his B.S. and M.S. from Johns Hopkins University, and his Ph.D. from Stanford University. He is a recipient of a Presidential Early Career Award for Scientists and Engineers (PECASE), an NSF CAREER award, and ARO Young Investigator Award for the investigation of interactions between quantum dots and nanophotonic structures. His current work focuses coherent control and manipulation semiconductor quantum dots, and their interactions with photonic crystal devices for creating strong atom-photon interactions.

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  • 29

    03/2017

    (in french) L’application de la Loi Informatique et Libertés dans un laboratoire CNRS : les bonnes pratiques


      Emilie Masson.

    (in french)

    Après avoir défini ce que la loi entend par traitement de données à caractère personnel nous allons aborder quelques grands principes à respecter lors de la mise en oeuvre de ces derniers. Un échange est prévu afin de pouvoir poser des questions pratiques.


  • 24

    03/2017

    Manipulation of Electromagnetic Wave by Metasurface


      Kuang Zhang.

    During the last few years, vast kinds of metamaterials have been proposed and designed. Most of metamaterials are achieved by arranging sub-wavelength unit cells in a periodic manner filling up a specific three-dimensional space. When simplified to two-dimensional case, the surface version of metamaterials can be considered as metasurfaces. As a two-dimensional version, metasurfaces will obviously take up less space compared with three-dimensional metamaterial. As a result of reduction of transmission path in the materials, metasurfaces also provide an alternative for less-lossy solution. In this talk, our recent work of metasurface in microwave region will be introduced. First, ultra-thin metasurface based on phase discontinuities for circular polarization is introduced, including the theoretical model and application in beaming converging and orbital angular momentum generation. Second, a metasurface-constructed 4-beam antenna is studied based on transformation optics. High-directivity emission of electromagnetic wave is verified by experimental results. Our designs provide a promising approach to miniaturize, planarize and integrate multiple microwave components.

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  • 22

    02/2017

    Photonics components for optical communication in chip multicore architectures


      Giovanna Calò.

    Chip multicore architectures represent the prevailing paradigm in the design of high performance very large scale integration (VLSI) systems. Such computational architectures can take advantage of CMOS silicon photonic integration in order to realize optical interconnection links. Optical interconnections among the different computational cores of an integrated system can provide a huge communication bandwidth and a favourable power budget with respect to the electrical counterpart. The fundamental component, necessary to achieve the signal routing among N transmitters and N receivers, is the switch that acts as the basic building block, which can be replicated several times within the network. In this presentation, an overview of our recent research on photonic components for optical networks on chip will be proposed. In particular, the design of silicon photonic devices, such as active and passive waveguide switches and photonic crystal routers for single layer and multilayer networks, will be presented.

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  • 21

    02/2017

    (in french) Développement de méthodes de type élément fini d’ordre élevé, pour la nanophotonique computationnell


      Stéphane Lanteri.

    (in french) La modélisation numérique occupe une place importante dans l’étude des problèmes d’interaction lumière/matière aux échelles nanométriques. Dans cet exposé, on présentera nos travaux récents visant au développement d’outils numériques innovants, de type élément fini, dédiés la nanophotonique computationnelle.
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  • 14

    02/2017

    Novel Non-radiative Exciton Harvesting Scheme Yields a 15% Efficiency Improvement in High-Efficiency


      Maël Brossard.

    The spectral mismatch between the response of a solar cell and the solar spectrum represents the largest loss contributing factor in all photovoltaic technologies. While sub-bandgap photons cannot be absorbed by the semiconducting material, the excess energy of high energy photons is lost via non radiative relaxation of the carriers in the form of heat. One way to mitigate this limitation is to use luminescence down-shifting (LDS), where high energy photons are absorbed and reemitted at a lower energy by an emitter. High efficiency III-V solar cells typically incorporate an indirect wide band-gap semiconductor as a passivation layer to limit surface recombination at higher photon energies. However, the poor extraction efficiency of the carriers photogenerated in this window layer limits the performance of the devices in the high energy region of the spectrum. To address this problem, in this work, we deposit an epilayer of colloidal CdSxSe1-x/ZnS core/shell quantum dots (QDs) onto InGaP solar cells (fig. 1a), emitting below the AlInP band-gap. In this configuration, while the QDs act as a standard LDS layer, excitons are also funneled from the AlInP window layer to the QD epilayer using near-field Resonance Energy Transfer (RET). The transferred excitons can then radiatively recombine in the QDs and the resulting photons can be transmitted through the window layer to generate extractable carriers in the p-n junction. The overall performance of the solar cells is found to be significantly improved after hybridization, with a 15% relative increase in short- circuit current. The Internal Quantum Efficiency (IQE) of the solar cells after hybridization was strongly enhanced in the UV spectral region, exhibiting an almost two fold increase at 325nm (fig. 1b). RET between the window layer and the QDs epilayer was demonstrated using excitation energy dependent rise-time measurements of the QD luminescence. The contribution of RET to the 1-sun photocurrent of the hybridized cell is estimated to be about 4%, while the direct luminescent down-shifting amounted to 5% of the overall photo-current.

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  • 27

    01/2017

    Recent advances in the field of “nanoporous magnetic materials”


      Jordi Sort.

    Nanoporous materials have been conventionally used in areas like catalysis, gas-sensing or electrochemical energy storage, where a high surface area-to-volume ratio promotes an enhanced performance. Recently, new progress has been made in the synthetic pathways to produce magnetic nanoporous oxides and alloys with novel functionalities. Nanoporous oxide-diluted magnetic semiconductors (e.g., In2O3 or SnO2 doped with transition metals) have been obtained via nanocasting, using mesoporous SiO2 as parent templates [1,2]. The resulting materials show a ferromagnetic-like response at room temperature while keeping a high degree of porosity. In turn, highly ordered antiferromagnetic mesoporous frameworks can be used as hosts to accommodate ferrimagnetic phases within their gyroidal 3D porous network, hence rendering composite materials with high coercivity and pronounced shifts in the hysteresis loops. Finally, nanoporous metallic materials can be electrically actuated (i.e., using a constant electric field) to tune their coercivity. Eventually, a reduction of coercivity is obtained upon application of voltage, hence lowering the energy power consumption when these materials would be incorporated in real applications. Besides our recent results, the most significant challenges related to the near-future implementation of new applications (spintronics, water remediation, electrocatalysis, etc. [3,4]) based on nanoporous magnetic materials will be also highlighted. References 1. E. Pellicer, et al. Adv. Funct. Mater. 23 (2013) 900. 2. E. Pellicer et al., J. Phys.Chem. C 117 (2013) 17084. 3. J. Zhang et al., Nanoscale 6 (2014) 12490. 4. M. Guerrero et al., ACS Appl. Mater. Interf. 6 (2014) 13994.


  • 25

    01/2017

    Reality and constraints of silicon photonic robust architectures towards Industrialization


      Charles Baudot.

    There is a recurring statement about silicon photonics which points out that one major breakthrough of that technology is the CMOS foundry processes compatibility. The objective of this seminar is to understand better the rationale about CMOS foundry compatibility, how silicon photonics can benefit from it and the associated constraints of that strategy. It occurs that for decades, the core of industrial semiconductor manufacturing has been driven by silicon processing. Consequently, vast fabrication skills and material expertise were acquired during that period. Still now, silicon remains a solid candidate for contemporary Moore nodes. Moreover, few derivative integrated technologies have emerged from silicon processing, typically: bipolar electronics, MEMS and imaging devices. Nowadays, silicon state-of-the-art manufacturing occurs on 300mm wafer substrates using DUV-193nm immersion lithography to process transistors for the 14nm technological node. Thus, both high volume and high precision processing can be achieved with the same technology. Therefore, even if such dimensions and volumes are not yet targeted for silicon photonics, it makes no doubt that silicon CMOS foundry knowhow is giving a huge start pulse to silicon photonics as it has been the case for other derivative technologies.

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  • 24

    01/2017

    Anthropogenic climate change and the global carbon cycle


      Laurent Boop.

    For the first time in human's history, last year global average of CO2 in the atmosphere has exceeded 400 parts per million. And this increase in atmospheric carbon dioxide is responsible for most of the warming we have experienced in the past 50 years. In this seminar, I will start by assessing the recent evolution of anthropogenic carbon emissions, and show how this additional carbon is partitioned between the atmosphere, causing global warming, the ocean and the land biosphere. I will explain the mechanisms by which these carbon sinks, ocean and land biosphere, keep up by absorbing half of our carbon emissions. I will also show that these sinks are vulnerable, especially because of global warming, and that a reduced efficiency of the sinks may lead to a positive carbon-climate feedback in the coming decades.

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  • 24

    01/2017

    Anthropogenic climate change and the global carbon cycle


      Laurent Bopp.

    Anthropogenic climate change and the global carbon cycle


  • 23

    01/2017

    Graphene in the mid-infrared: pn junctions for high responsivity photodetectors, acoustic Dirac plasmons with few nanometer confinement


      Sébastien Nanot.

    "Graphene in the mid-infrared: pn junctions for high responsivity photodetectors, acoustic Dirac plasmons with few nanometer confinement" Mid-infrared technology (2-20μm wavelength) could benefit from various graphene properties. In particular, photodetectors based on pn junctions exhibit fast and efficient response in the visible and terahertz ranges, but in the intermediate wavelength range, this response is limited by the graphene small absorption and device design [1,2]. Light absorption can then be strongly enhanced by exciting plasmons in nanostructured graphene[3], but until now, experimental absorption peaks are weaker and broader than they could theoretically be. This presentation will combine some of our recent studies regarding 1) the development and optimization of photodetectors based either on the photothermoelectric effect and (polymer) transparent gates[4], or on the photogating of graphene by pyro-resistive substrates[5,6]; and 2) a new method to couple light to graphene plasmons by placing a metallic rod array at a nanometer scale distance to the graphene, which efficiently excites acoustic plasmon modes which are vertically confined down to 2 nm [7], while preserving the graphene quality.

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  • 23

    01/2017

    Graphene in the mid-infrared: pn junctions for high responsivity photodetectors, acoustic Dirac plas


      Sébastien Nanot.

    Graphene in the mid-infrared: pn junctions for high responsivity photodetectors, acoustic Dirac plas


  • 17

    01/2017

    From sample to answer: Biochip with integrated sample preparation and optical detection


      João Pedro Conde.

    Detection of bioanalytes (such as DNA, RNA, proteins, cells, metabolic products) is a central aspect in medicine, food safety and environmental control. We use thin-film silicon photodetectors as optical transducers in microfluidic biochips. These transducers are integrated with molecular recognition elements capable of specifically capturing the bioanalyte of interest. To take full advantage of the miniaturization of the biosensor, besides enhancing intrinsic sensitivity, it is crucial to address two additional issues: (i) the fluidic handling from sample acquisition to sensor; and (ii) the interfering effects of the chemically and physically complex biological sample matrix.

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  • 11

    01/2017

    From sample to answer: biochip with integrated sample preparation and optical detection


      Joao Pedro Conde.


PhD defense

  • 15

    12/2017

    (in french) Rythmes et oscillations : une vision pour la nanoélectronique


      Damir Vodenicarevic.

    (in french)

    Composition du jury

    Rapporteur Pr. Ian O'Connor École Centrale de Lyon
    Rapporteur Dr. Alexandre Pitti CNRS, Université de Cergy-Pontoise Examinateur Denis Crété UMR CNRS/Thales
    Examinatrice Dr. Julie Grollier UMR CNRS/Thales
    Examinateur Dr. Gilles Sassatelli CNRS, Université Montpellier 2 Directeur de thèse Dr. Damien Querlioz CNRS, Université Paris-Sud Invité Dr. Nicolas Locatelli Lycée Gustave Eiffel, Cachan

    Résumé:

    Avec l'avènement de l'"intelligence artificielle", les ordinateurs, appareils mobiles et objets connectés sont amenés à dépasser les calculs arithmétiques et logiques pour lesquels ils ont été optimisés durant des décennies, afin d'effectuer des tâches "cognitives" telles que la traduction automatique ou la reconnaissance d'images et de voix, et pour lesquelles ils ne sont pas adaptés. Ainsi, un super-calculateur peut-il consommer des mégawatts pour effectuer des tâches que le cerveau humain traite avec 20 watt. Par conséquent, des système de calcul alternatifs inspirés du cerveau font l'objet de recherches importantes. En particulier, les oscillations neurales semblant être liées à certains traitements de données dans le cerveau ont inspiré des approches détournant la physique complexe des réseaux d'oscillateurs couplés pour effectuer des tâches cognitives efficacement. Cette thèse se fonde sur les avancées récentes en nano-technologies permettant la fabrication de nano-oscillateurs hautement intégrables pour proposer et étudier de nouvelles architectures neuro-inspirées de classification de motifs exploitant la dynamique des oscillateurs couplés et pouvant être implémentées sur puce.

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  • 13

    12/2017

    (in french) Composants nanostructurés pour le filtrage spectral à l'échelle du pixel dans le domaine infrarouge


      Antoine Bierret.

    (in french)

    Composition du jury :

    M. François MARQUIER (ENS Paris-Saclay): Rapporteur

    M. Olivier GAUTHIER-LAFAYE (LAAS): Rapporteur

    M. Xavier LETARTRE (INL): Examinateur

    Mme Anne-Laure FEHREMBACH (Institut Fresnel): examinatrice

    M. Grégory VINCENT (ONERA) : Examinateur

    M. Fabrice PARDO (C2N): Encadrant

    M. Riad HAIDAR (ONERA): Directeur de thèse

    M. Philippe ADAM (DGA): Invité

    L'analyse spectrale d'une scène infrarouge permet une meilleure identification des objets la composant. Parmi les multiples méthodes existantes, j’ai choisi d'étudier l'apport des nanotechnologies pour le filtrage spectral et plus particulièrement pour la colorisation de pixel.
    Mes travaux de thèse portent sur la conception de filtres nanostructurés sur des longueurs comparables à celles d'un pixel de détection infrarouge (typiquement 15 à 30 μm de coté). Pour cela, je me concentre sur des filtres à résonance de mode guidé, constitués d'un réseau sub-longueur d'onde associé à une couche mince diélectrique. Tandis que cette structure est habituellement étudiée sur des surfaces très grandes devant la longueur d'onde d'intérêt, cette thèse présente une utilisation sur des dimensions de la taille d'un pixel de détection, soit de l'ordre de la longueur d'onde. J'ai mené une étude numérique du comportement spectral et angulaire de cette structure et j'ai envisagé deux possibilités pour obtenir un filtrage sur de petites dimensions: l'utilisation d'une cavité résonante dans le guide d'onde à l'aide de miroirs latéraux et l'utilisation de réseaux métalliques. L'analyse de la réponse optique des structures à réseau métallique montre qu'il est possible d'obtenir une extension spatiale limitée à quelques longueurs d'onde du champ électromagnétique dans le guide d'onde à la résonance. J'ai étudié numériquement des filtres de longueur inférieure à 30 μm, puis j'ai fabriqué et caractérisé ces filtres.

    Finalement, j'ai examiné la possibilité de réaliser des mosaïques de filtres de petite taille. J'ai démontré que les dimensions, les transmissions résonantes et les tolérances angulaires des filtres à résonance de mode guidé les rend compatibles avec une telle utilisation. J'ai alors pu montrer un exemple d'architecture simple de caméra multispectrale infrarouge mettant en jeu une mosaïque de filtres.

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  • 11

    12/2017

    (in french) Composants optoélectroniques à base d’alliages SiGe riches en Ge pour le proche et moyen infrarouge


      Vladyslav Vakarin.

    (in french)

    Aujourd’hui les interconnections optiques ont devancé les interconnections électriques à longue, moyenne et courte distance dans le domaine des télécommunications. La photonique silicium a connu un tel développement que même les interconnections inter et intra puces  deviennent progressivement à dominante optique. En revanche, la multiplication des terminaux d’accès et l’augmentation constante du volume de données échangées imposent l’apparition de nouveaux composants avec une consommation énergétique encore plus faible. Dans ce contexte, les composants optoélectroniques à faible consommation à base des puits quantiques Ge/SiGe ont été développés. Jusqu’à présent l’utilisation des puits quantiques Ge/SiGe était seulement limitée aux modulateurs à électro-absorption Les travaux menés durant la première partie de ma thèse consistaient à étudier un nouveau type de région active à base de puits quantiques Ge/SiGe couplés. Ces études ont abouti à la démonstration d’un effet d’électro-réfraction géant dans ces structures. La région active basée sur les puits couplés donne lieu à une variation de l’indice de réfraction de 2.3×10-3 sous une tension de 1.5 V seulement. L’utilisation d’un tel effet pour la réalisation de modulateurs optiques intégrés a ensuite nécessité le développement des briques de base passives afin d’obtenir une structure interférométrique. Des virages compacts et des interféromètres de Mach Zehnder sont conçus, fabriqués et caractérisés avec succès.

    La sensibilité de ces structures à la polarisation est évaluée par simulation numérique et les structures insensibles à la polarisation sont conçues. Un modulateur à électroréfraction intégré est ensuite conçu et fabriqué, nécessitant la mise en place d’un nouveau procédé technologique. Les résultats de caractérisation préliminaires sont présentés. Les perspectives de ce travail sont la réalisation d’un modulateur efficace ayant une tension de commande inférieure à 2V.

    Le champ d’application des circuits photoniques ne se limite pas au secteur des télécommunications. L’approche basée sur l’optique intégrée est aussi très prometteuse pour l’identification et analyse des espèces chimiques environnantes. La région spectrale de moyen infrarouge est particulièrement adaptée à cet effet car les raies d’absorption spécifiques de nombreuses espèces chimiques y sont présentes. L’utilisation des circuits optiques sur substrat silicium permet de développer des systèmes spectroscopiques performants, compacts et à bas cout. La seconde partie de ma thèse était dédiée au développement de la plateforme photonique large-bande basée sur les guides d’ondes Si1-xGex riches en Ge. Les guides d’onde large bande fonctionnant entre 5.5 et 8.6 µm ont été démontrés expérimentalement ce qui a permis de concevoir des structures plus complexes telles que les MMI et les interféromètres de Mach Zehnder ultra large bande. Le même dispositif possède une bande passante théorique de 3.5 µm en polarisation TE et d’une octave en polarisation TM. Le fonctionnement a été démontré expérimentalement entre 5.5 et 8.6 µm et est seulement limité par la plage de longueurs d’ondes adressable par le laser. Ce travail ouvre les perspectives pour la future démonstration des systèmes spectroscopiques ultra-large bande sur la plateforme Si1-xGex riche en Ge. Une dernière partie de ce travail a été consacrée à l’étude de la génération de la seconde harmonique dans les puits quantiques Ge/SiGe pour les systèmes spectroscopiques dans le moyen infrarouge. Les premières structures sont conçues et fabriquées.

     

     

     

     

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  • 22

    11/2017

    (in french) Etude par STM des états d’hybridation pd induits par un atome de Cr inséré dans la surface de GaAs(110)


      Khalifa Badiane.

    (in french)

    Dans cette thèse nous explorons, par microscopie par effet tunnel (STM), les effets de surface et du nombre de coordination sur les propriétés électroniques d’un atome de métal de transition occupant un site cationique dans la surface de GaAs(110).

    Par une méthode de dépôt in situ, nous avons déposé des adatomes de Cr sur des faces clivées de GaAs(110) avec des taux de couvertures très inférieurs à une monocouche. Et en appliquant des rampes de tensions proches de quelques adatomes magnétiques cibles à l’aide de la pointe du STM, nous les avons manipulés et substitués par des atomes de Ga dans les deux premières couches de la surface de GaAs(110). Obtenant ainsi des atomes magnétiques ayants des environnements atomiques différents, c’est-à-dire des adatomes de Cr, des atomes de Cr formant trois liaisons avec trois atomes d’As voisins (Cr en première couche) et des atomes de Cr formant quatre liaisons avec quatre atomes d’As voisins (Cr en deuxième couche).

    Pour étudier les propriétés électroniques de ces atomes de transition en fonction de leur position dans la surface de GaAs(110), nous avons réalisé sur eux des imageries STM à différents signes de tension ainsi que des mesures de spectroscopie par effet tunnel (STS). Ils ont montré des formes topographiques ayant des symétries miroirs différentes et ont révélé des nombres de pics de STS différents dans le gap de la surface de GaAs(110) selon leur site atomique.  

    Des calculs de densité d’états électroniques et des simulations d’images STM ont été effectués, en collaboration avec Michele AMATO, chercheur au C2N, sur des atomes de Cr occupant des sites cationiques dans le GaAs massif et dans les cinq premières couches de la surface de GaAs(110) en utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Des accords entre les calculs théoriques et nos résultats expérimentaux nous ont permis de montrer (i) que les pics de STS mesurés sur les atomes de Cr correspondent à des pics de densité d’états électroniques provenant d’une hybridation entre les états à caractères d’orbitales d du Cr et les états à caractères d’orbitales p de leurs voisins d’atomes d’As et de Ga ; (ii) que nos mesures de STS sur les atomes de Cr dans les deux premières couches de surface sont affectés par la brisure de symétrie à la surface de GaAs(110); (iii) qu’il se produit une levée de dégénérescence de certains états induits dans le gap de GaAs(110) lorsqu’un atome de Cr passe de la première vers la deuxième couche de surface ; (iv) et que les images STM topographiques réalisées à différents signes de tension sur des atomes de Cr insérés dans les deux premières couches de la surface correspondent à des fonctions d’ondes d’états d’hybridations pd spécifiques. 

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  • 27

    10/2017

    Electric field control of domain wall dynamics


      Yuting Liu.

    Electric (E) field control of magnetism in ferromagnetic thin films has attracted great attention as a promising feature that could reduce the energy consumption of novel spin- tronic devices. In particular, electrical control of magnetic anisotropy, and therefore magnetic domain wall (DW) dynamics, is intensively studied in view of applications in low-power electrical magnetization switching.

    In this work, I will show a device design based on ionic liquid gating of CoFeB/MgO/HfO2 thin films that allows for an E-field controlled reorientation of the anisotropy easy axis of up to 90◦. Ionic liquid gating is the key to the large anisotropy modulation that these devices can provide. This strong E-field effect was employed to achieve voltage control of magnetic domain wall velocity, pinning and domain nucleation in liquid gated magneto- electric devices.

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  • 5

    10/2017

    (in french) Électrochimie & nanoparticules magnétiques en puce microfluidique pour le diagnostic médical. Détection du miARN-122.


      Marie-Charlotte Horny.

    (in french)

    Membres du jury

    Mme. FERRIGNO Rosaria, Université Claude Bernard Lyon 1

    Mme. MOTTE Laurence, Université Paris 13

    M. KUHN Alexander, Institut des Sciences Moléculaires, Université de Bordeaux

    Mme. MENAGER Christine, Université Pierre et Marie Curie

    Mme. SELLA Catherine, PASTEUR, ENS

    M. LAZERGES Mathieu, UTCBS

    M. SIAUGUE Jean-Michel, UPMC

    M. GAMBY Jean, C2N


  • 28

    09/2017

    (in french) Circuits de récupération d’énergie très basse puissance pour transducteurs à capacité variable


      Jie Wei.

    (in french)

    La récupération d'énergie mécanique de vibration à l’aide de transducteurs à capacité variable mène à l’étude de systèmes non linéaires complexes, mais présente des perspectives applicatives très prometteuses. Notre travail a porté sur l’étude d’une nouvelle famille de circuits d'interface pour transducteurs capacitifs. Entre autres avantages, ces circuits sont réalisables avec des rendements élevés à très basse puissance, typiquement dès quelques dizaines de nano-watts de puissance moyenne, ce qui les distingue des solutions présentées dans de l’état de l’art. De plus, Les circuits étudiés dans cette thèse ne contiennent aucun composant magnétique, ce qui constitue un atout considérable en termes de miniaturisation et d’intégration et permet eu outre la compatibilité avec l’imagerie par résonance magnétique. Les différentes structures qui constituent la famille de circuits proposés permettent de répondre à différentes contraintes imposées par le transducteur capacitif, en particulier le rapport des capacités maximale et minimale Cmax/Cmin. A partir d’une tension de sortie donnée, la tension appliquée sur le transducteur capacitif peut être modifiée en utilisant différents circuits ou en utilisant un circuit unique dont la topologie est modifiée à l’aide d’un interrupteur électronique. Les modèles théoriques développés prennent en compte le couplage électromécanique du transducteur de manière à décrire le comportement global des systèmes étudiés. Les circuits étudiés ont été validés expérimentalement avec deux transducteurs capacitifs de structure différente. En pratique, le rendement de ces circuits est proche de 80% pour des puissances converties aussi basses que la centaine de nano watts.

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  • 21

    09/2017

    (in french) Hétérostructures de van der Waals à base de Nitrure


      Hugo Henck.

    (in french)

    Le sujet de cette thèse est à l’interface entre l’étude de composés à base de nitrure et des structures émergeantes formées par les matériaux bidimensionnels (2D) d’épaisseur atomique. Ce travail se consacre sur l’hybridation des propriétés électriques et optiques des semi-conducteurs à larges bandes interdites que sont les nitrures et des performances mécaniques, électriques et optiques des matériaux lamellaires, récemment isolé à l’échelle d’un plan atomique, qui sont aujourd’hui considérées avec attention aux regards de futures applications et d’études plus fondamentales. En particulier, une étude des propriétés électroniques, optiques et structurelles d’hétérostructures composées de plusieurs matériaux lamellaires et d’interfaces entre matériaux 2D et 3D a été réalisé par des moyens de microscopie et de spectroscopie tel que la spectroscopie Raman, de photoémission et d’absorption. Ce manuscrit traite dans un premier temps des propriétés structurelles et électroniques du nitrure de bore hexagonal (h-BN), matériau isolant aux propriétés optiques exotiques et essentiel dans la future intégration de ce type de matériaux 2D permettant de mettre en valeur leurs propriétés intrinsèques. En utilisant le graphène comme substrat les problèmes de mesures par photoémission rencontrés pour des matériaux isolant ont pu être surmonté dans le cas du h-BN et une étude des défauts structurels a pu être réalisée. Par conséquent, les premières mesures directes de la structure de bande électronique de plusieurs plans de h-BN sont présentées dans ce manuscrit. Dans un second temps, une approche d’intégration de ces matériaux 2D différente a été étudiée en formant une hétérostructure 2D/3D. L’interface de cette hétérojonction, composée d’un plan de disulfure de molybdène (MoS2) de dopage intrinsèque N associé à 300 nm de nitrure de gallium (GaN) intentionnellement dopé P à l’aide de magnésium, a été caractérisée. Un transfert de charge du GaN vers le MoS2 a pu être identifié suggérant un contrôle des propriétés électroniques de ce type de structure par le choix de matériaux. Ces travaux ont permis de révéler les diagrammes de bandes électroniques complet des structures étudiées a pu être obtenu permettant une meilleur compréhension de ces systèmes émergeants.

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  • 14

    09/2017

    (in french) Nano-émetteurs thermiques multi-spectraux


      Mathilde Makhsiyan.

    (in french)

    Les sources infrarouges sont indispensables à la détection locale de gaz dans de nombreux domaines, que ce soit pour l’environnement (détection de polluants et gaz à effets de serre), la détection d’activité (capteurs de CO2) ou la défense (détection de menaces biologiques et chimiques). Elles sont également nécessaires pour le développement et les applications de caméras multi-spectrales infrarouges qui requièrent des mires de calibration et de simulation. Pour toutes ces applications, les systèmes doivent être à la fois compacts et économes en énergie ; par conséquent, il est nécessaire de disposer de sources infrarouges performantes.

    Les sources thermiques, telles que les corps noirs de laboratoire ou les ampoules à incandescence, suivent la loi du rayonnement du corps noir et émettent dans toutes les directions et sur un large spectre. Le rendement pour la bande spectrale et angulaire recherchée est alors très faible et on comprend la nécessité de développer des sources capables d’émettre uniquement dans un domaine spatial et spectral limité.

    L’objectif de cette thèse est de concevoir des sources thermiques infrarouges compactes et à coût modéré, à spectre accordable et à pertes réduites, pouvant être juxtaposées dans un même dispositif. Pour cela, mes travaux s’organisent autour de deux axes. Le premier concerne l’étude de nouveaux matériaux nanostructurés résonants, appelés métamatériaux ou métasurfaces selon les directions de la structuration, permettant de contrôler l’émissivité spectrale et spatiale afin de maîtriser la réponse spectrale en tout point. Cette étude repose à la fois sur des simulations numériques et sur des mesures expérimentales et démontre le potentiel de ces résonateurs pour la conception de sources thermiques accordables. Cependant, ces matériaux étant composés de métal, ils présentent des pertes par absorption dans l’infrarouge qui limitent leurs performances. Le deuxième axe de recherche est alors de gérer les pertes liées à l’utilisation de métaux grâce à une ingénierie des champs dans des métamatériaux, menant à des émissions spectralement très fines. Les résultats obtenus sur ce contrôle des pertes ouvrent de nombreuses perspectives pour tout le domaine des métamatériaux.

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  • 8

    09/2017

    Fabrication and characterisation of strain-free GaAs/AlAs quantum dot devices


      Pasquali Valerio.

    In this talk, I present the fabrication by molecular beam epitaxy of  strain-free GaAs/AlGaAs quantum dots (QDs) by infilling in-situ etched  nanoholes. After describing the process, I discuss how this QDs have been embedded in a two-dimensional electron gas (2DEG) heterostructure.The effect of the QDs on the 2DEG mobility will be discussed by comparing the magneto-transport measurements of the QD-2DEG sample with reference samples without QDs grown with similar conditions. Finally, I show the fabrication and characterisation of a lateral p-n junction with embedded QDs by locally inverting the n-type dopant (Silicon) with a p-type dopant (Zn). In particular, I will show the main result of this project, which is the elecotroluminescence of a single dot in proximity of the lateral p-n junction.

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  • 18

    07/2017

    (in french) Composants optoélectroniques à faible consommation en III-V sur silicium


      Thi Nhung Vu.

    (in french)

    La photonique sur silicium est envisagée comme une solution technologique très prometteuse pour le remplacement des interconnexions électriques par des interconnexions optiques devant se produire dans les prochaines années. Des dispositifs optoélectroniques comme des sources lasers, des modulateurs et des détecteurs, ont été développés pour la réalisation de circuits intégrant des émetteurs/récepteurs. Parmi les défis devant être relevés pour faire avancé la photonique sur silicium, la réduction de la consommation électrique du modulateur est un point crucial. L’intégration des composants passifs et actifs en utilisant une seule et même technologie est également un enjeu majeur pour les futurs systèmes de communication optique. Grâce au développement de l'intégration hybride de semi-conducteurs III-V sur silicium pour la réalisation de sources laser sur silicium, de nouvelles voies peuvent être envisagée pour réaliser des modulateurs optiques et des photodétecteurs efficaces et compacts. De plus, les cristaux photoniques 2D (PhC) et spécifiquement les structures à ondes lentes, qui sont connues pour renforcer les interactions entre la lumière et la matière peuvent apporter des solutions intéressantes pour diminuer de manière ultime la puissance consommée. Dans ce contexte, les travaux menés durant ma thèse ont porté plus spécifiquement sur la conception, la fabrication et la caractérisation de modulateurs à électro-absorption à onde lente en semiconducteur III-V sur silicium. Dans une première partie consacrée à la modélisation, une attention particulière est portée à la conception du cristal photonique et au couplage de la lumière du guide silicium vers l’onde lente. Les performances de la structure optimisée sont aussi analysées, donnant un modulateur de seulement 18.75 μm de longueur fonctionnant à 15 GHz avec un taux d’extinction supérieure à 5 dB sur une gamme spectrale supérieure à 10 nm. Par la suite, l’ensemble des procédés de nanotechnologies durant la thèse pour la fabrication des dispositifs sont présentés. Enfin, les résultats expérimentaux obtenus au cours de cette thèse démontrent l’effet Stark Confiné Quantiquement et l’effet de photodétection obtenu sur les structures intégrées. Les perspectives de ce travail de thèse concernent la réalisation de circuits intégrés photoniques complets, incluant sources lasers, modulateurs à électroabsorption et photodétecteurs en utilisant une seule et même technologie.

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  • 11

    07/2017

    (in french) Micro-actionneurs numériques en silicium pour la réalisation d'un micro- convoyeur


      Zhichao Shi.

    (in french)

    Les travaux de cette thèse portent sur le développement (modélisation, conception, réalisation et tests) d’une surface intelligente (smart surface) composée d’un réseau d'actionneurs numériques MEMS, capables de mouvoir des charges posées dessus. Pour la réalisation de ces smart-surfaces, deux voies ont été explorées : un actionnement par voie électromagnétique, constituée d’aimants fixes et mobiles, et un actionnement utilisant des éléments bistables couplés à des alliages à mémoire de forme. Dans le premier cas, la simulation de l’interaction magnétique entre un micro-actionneur et le champ créé par des pistes conductrices placées à proximité a été réalisée. Un réseau de 5x5 micro-actionneurs électromagnétiques quadristables a été ensuite conçu, réalisé et caractérisé. Ce démonstrateur est fonctionnel en convoyage d’objets légers en translation et en rotation. Dans le second cas, la conception et la réalisation d’un actionneur MEMS élémentaire ont été menées : des modèles analytiques ont été confrontés aux résultats obtenus par éléments finis, et enfin comparés aux résultats expérimentaux. Ces travaux ciblent la problématique de la commande des systèmes mécatroniques, à actionneurs multiples, aux échelles méso ou microscopique. La connectique associée est un problème récurrent dans les systèmes fortement miniaturisés, les structures présentées ici présentent un fort potentiel de réduction des connexions filaires, voire leur élimination complète.

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  • 5

    05/2017

    (in french) Applications de métamatériaux en optique guidée


      Yulong Fan.

    (in french)

    Les métamatériaux (MMs) sont des composants artificiels présentant des propriétés électromagnétiques qui n'existent pas dans les matériaux conventionnels naturels. Malgré des développements spectaculaires depuis les années 2000 en radiofréquence et aussi en optique, principalement en mode radiatif, les applications des MMs en optique guidée dans l'objectif de la miniaturisation des composants optoélectroniques sont restés très rares. Donc, poursuivant les recherches sur les MMs plasmoniques en optique guidée initiées par M. Kanté, Mme Ghasemi et Mme Dubrovina, ce travail de thèse constitue une contribution originale à la conception et à la réalisation de composants optoélectroniques basés sur des MMs, y compris leur simulation et leur caractérisation. Durant cette thèse, 3 composants ont été proposés dont 2 ont été réalisés et caractérisés. Ce sont littéralement les premières démonstrations d'applications des MMs à des composants compacts en optique guidée et on peut en conclure qu'une nouvelle famille de composants infrarouges est ici proposée. Cette approche considérée est générique, et elle est compatible avec les plateformes de circuit intégrés conventionnels: Si, InGaAsP / InP, silice dopé, etc. En outre, on démontre que le contrôle à la fois de la variation de l'indice effectif du guide associé au MM et de la fréquence de résonance du MM avec qui travaillent ces composants, sont accessibles simplement en modifiant les dimensions des nanofils qui les composent. Cela permettra à ces composants de fonctionner à d'autres fréquences intéressantes.

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  • 29

    03/2017

    (in french) Cavités à fente à cristaux photoniques pour l'intégration hybride sur silicium


      Thi Hong Cam Hoang.

    (in french)

    Cette thèse est une contribution à modélisation et à l’étude expérimentale de cavités à cristaux photoniques à fente développées en vue d’un intégration hybride de matériaux actifs sur silicium. Parmi les travaux de conception, nous avons d'abord utilisé la méthodes des ondes planes et la méthode FDTD pour concevoir une série de cavités SOI à hétérostructure mécaniquement robustes (approche non membranaire), présentant des longueurs d'onde de résonance dans la gamme des télécommunications (1,3 μm - 1,6 μm), des facteurs de qualité de plusieurs dizaines de milliers, et des volumes modaux proches de 0,03(/n)3. Nous avons ensuite étudié analytiquement et numériquement le couplage entre une cavité à cristaux photoniques à fente et un guide d’onde à fente par la théorie des modes couplés, complétée par des simulations FDTD, qui ont permis de confirmer la possibilité d’exciter efficacement les modes de fente des cavités à partir d’un guide externe. Enfin, nous avons étudié numériquement et semi-analytiquement des géométries de molécules photoniques constituées de deux cavités à cristaux photoniques à fentes couplées, dont l’écart fréquentiel entre les supermodes a pu être ajusté en amplitude en signe. Nous avons utilisé une méthode perturbative (« Tight binding ») pour estimer les distributions spatiales des modes des molécules photoniques et prédire leurs fréquences dans plusieurs configurations de cavités de cristaux photoniques à fentes couplées. Ce travail a été complété par une partie expérimentale qui a permis de confirmer les propriétés des cavités à cœur creux dimensionnées par simulation numérique. Des facteurs Q/V supérieurs à 600 000 et atteignant 106 dans le meilleur des cas (vers 1,3µm) ont ainsi été observés. Cette phase expérimentale préliminaire a donné ensuite lieu à deux types de développements. Tout d’abord, les propriétés des cavités à cristaux photoniques à fentes ont été étudiées pour des applications en détection d’indice en volume, et testées en utilisant différents liquides d’indice de réfraction compris entre 1,345 à 1,545. Les résonateurs étudiés ont présenté des facteurs de mérite de détection d’indice (FOM=SQ/0) de l’ordre de 3700. Dans une autre direction, l’utilisation de ces résonateurs diélectriques à fente a été explorée en vue d’une intégration des matériaux actifs sur silicium. Un polymère dopé aux nanotubes de carbone semiconducteurs a été déposé comme matériau de couverture en vue d’étudier le renforcement de la photoluminescence (PL) des nano-émetteurs sous pompage optique vertical vers =740nm. Les expériences conduites ont permis de corréler le renforcement de la PL des nanotubes avec les modes de résonance des cavités et de démontrer le couplage partiel de cette PL vers des guides SOI longs de plusieurs millimètres (collection par la tranche vers 1,3µm), apportant une preuve de principe d’une possible intégration de nanotubes de carbone pour l’émission de lumière couplée à des guides SOI.

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  • 22

    03/2017

    (in french) Circuits photoniques III-nitrure à cristaux photoniques et à microdisques


      Yijia Zeng.

    (in french)

    Les semi-conducteurs nitrures d’ éléments III sont des matériaux extrêmement intéressants pour la photo- nique intégrée sur silicium. Ils sont transparents sur une gamme très étendue et possèdent des susceptibilités non linéaires non nulles, ce qui rend possible les expériences non linéaires d’ordre deux et d’ordre trois. Dans ce contexte, cette thèse a été consacrée à l’étude de circuits photoniques avec des micro-résonateurs tels que les cristaux photoniques et les microdisques en matériau GaN/AlN épitaxiés sur Si. Le dessin des microcavités et des procédés de fabrication sont optimisés afin d’obtenir un mode résonant dans le proche infrarouge avec un facteur de qualité de 34000 pour les cristaux photoniques et de 80000 pour les microdisques. J’ai étudié sur ces circuits photoniques les propriétés de conversion harmonique telles que la génération de seconde harmonique (SHG) et la génération de troisième harmonique (THG). En utilisant les propriétés de la THG, en combinant simplement un objectif optique et une caméra CCD, j’ai effectué l’imagerie des modes de cristaux photoniques du proche infrarouge avec une résolution spatiale sub-longueur d’onde (300 nm). J’ai également effectué l’imagerie de SHG sur des microdisques avec une excitation optique en résonance avec un mode de galerie pour le laser pompe. La dernière partie porte sur l’étude de la SHG en accord de phase entre les modes TM-0-0-X et TM-0-2-2X en variant le diamètre du disque avec un pas extrêmement faible. Cela a été effectué pour les modes résonants de facteurs de qualité autour de 10000. Ces démonstrations montrent le potentiel des semi-conducteurs de III-nitrures pour la réalisation des circuits optiques sur silicium à deux dimensions.

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  • 10

    03/2017

    (in french) Vers un biocapteur plasmonique et électrochimique intégré dans une plateforme micro fluidique


      Juan Castro Arias.

    (in french) Au cours de ma thèse, j'ai développé un procédé de fabrication spécifique capable de produire un biocapteur bimodal qui combine deux techniques de biodétection différentes, la réponse plasmonique basée sur la résonance de plasmon de surface localisée (LSPR) et la réponse électrochimique. Les méthodes et les résultats qui seront présentés au cours de ma soutenance ont été définis pour converger vers un dispositif fluidique unique combinant ces deux approches de détection différentes. Afin de trouver la meilleure configuration permettant l'excitation des résonances plasmoniques, la géométrie des nanocavités MIM (métal/isolant/métal) en réseau de lignes interdigitées a été optimisée par des simulations électromagnétiques. La fabrication par nanoimpression douce assistée UV (SoftUV- NIL) a elle-aussi été optimisée. Je présenterai la caractérisation optique de ces nanocavités qui peut être comparée avec succès aux simulations théoriques. Parallèlement à la réalisation de ce dispositif nanostructuré, j’ai aussi développé des dispositifs électrochimiques fluidiques plus simples qui intègrent des microélectrodes classiques. L'objectif était d'abord de développer une chimie innovante pour le couple « biotine/streptavidine » et de comprendre ensuite comment les paramètres fluidiques peuvent affecter l'efficacité de capture des biomolécules. Ma soutenance se terminera donc par une discussion sur le rôle des paramètres fluidiques et de la géométrie sur l’efficacité de la biodétection, d’après la théorie de Squires.
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  • 28

    02/2017

    (in french) Microsystème électrostatique tridimensionnel de récupération d'énergie pour alimenter un stimulateur


      Sarah Risquez.

    (in french) Cette thèse s’inscrit dans un contexte d’activité en forte croissance dans le domaine des implants médicaux, stimulé par de nombreux progrès dans le domaine des micro-capteurs et de la micro-électronique. L’autonomie en énergie des implants demeure cependant un facteur limitant. Notre travail a pour objectif de repousser les limites actuelles en termes de miniaturisation et de durée de vie. Il contribue au développement d’une solution basée sur la récupération d’énergie mécanique du cœur pour alimenter durablement un pacemaker miniaturisé sans sonde de nouvelle génération, dit « pacemaker leadless ». Le microsystème de récupération d’énergie étudié est composé d’un résonateur mécanique de type masse-ressort associé à un transducteur électrostatique. Il a pour particularité une architecture tridimensionnelle, dont la forme permet de profiter au maximum de l’espace disponible dans la capsule cylindrique du pacemaker. L'utilisation de la troisième dimension associée à un design original permet en outre d’obtenir un effet de multiplication de fréquence qui doit conduire, d’après les modèles que nous avons développés, à des densités de puissance nettement supérieures à celles présentées dans l'état de l'art. Pour réaliser ce microsystème tridimensionnel, nous avons développé un procédé de fabrication additif qui repose sur des étapes de micro moulage d'un matériaux structurel obtenu par croissance électrolytique (nickel), de croissance d'un matériau sacrificiel (cuivre) et de polissage. L’identification d’imperfections géométriques dues au procédé et aux matériaux utilisés nous a amené à améliorer la conception du transducteur. Par ailleurs, de nombreux verrous de fabrication ont été levés au cours de cette thèse grâce à la mise en œuvre d’une instrumentation dédiée. Ce procédé nous a permis de fabriquer un premier prototype tridimensionnel du micro-transducteur électrostatique composé de 10 couches de nickel. D’autres métaux élaborés par croissance électrolytique pourraient être envisagés pour réaliser des microsystèmes tridimensionnels, suivant les besoins de l’application considérée. Afin d’anticiper d’éventuels problèmes de compatibilité des micro-dispositifs avec l'imagerie par résonance magnétique, nous avons mis au point le procédé de croissance électrolytique d’un matériau non-magnétique à base de nickel dopé au phosphore.
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  • 14

    02/2017

    (in french) Développement de capteurs THz à base de l’hétérostructure AlGaN/Ga


      Hélène Spisser.

    (in french) Le domaine du spectre électromagnétique correspondant aux fréquences térahertz (THz) est encore peu exploité, pourtant, les applications nécessitant l’utilisation d’un signal térahertz sont nombreuses. Dans ce projet de recherche, je m’intéresse tout particulièrement aux détecteurs plasmoniques. Les détecteurs plasmoniques fonctionnent grâce au couplage entre l’onde THz et un plasmon au sein d’un gaz d’électrons bidimensionnel (2DEG), ici celui présent dans l’hétérostructure AlGaN/GaN. Le couplage est réalisé par un réseau métallique déposée sur la structure semi-conductrice. Tout d’abord, l’étude du couplage photon/plasmon par des simulations électromagnétiques nous a permis de connaître les fréquences de résonance des plasmons-polaritons en fonction des dimensions du réseau. Un motif composé de deux bandes de métal de largeurs différentes a été plus particulièrement étudié. Des détecteurs, dimensionnés pour notre montage de test à 0,65 THz, ont ensuite été fabriqués puis mesurés, à température ambiante et à 77 K. La correspondance entre la variation de la sensibilité en fonction de la fréquence et les spectres d’absorption mesurés au spectroscope infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) montre l’importance de l’étape de couplage dans le processus de détection. Nous avons par la suite mené des développements technologiques de manière à pouvoir contrôler la densité électronique du 2DEG par l’application d’une tension sur le réseau et avons finalement fabriqué des détecteurs pour lesquels la fréquence de résonance de couplage peut être contrôlée grâce à la tension de réseau.
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  • 13

    01/2017

    (in french) Intégration hybride sur silicium de matériaux dopés erbium ou riches en nanotubes de carbone semicon


      Weiwai Zhang.

    (in french)

    Ce travail de thèse est une contribution à la thématique de l’intégration de matériaux actifs en photonique silicium pour la réalisation de fonctions intégrées. L’accent a été mis sur des matériaux préparés en couches minces pouvant être déposés sur substrats silicium pour la réalisation de sources de lumière ou d’amplificateurs dans la fenêtre télécom (1.55µm). L’approche suivie a privilégié l’utilisation de guides à cœur creux (‘slot waveguides’) en raison du recouvrement qu’ils permettent entre les modes optiques guidés et les matériaux de couverture utilisés : - Des guides slot Si/SiO2 et SiN/SiO2 et des résonateurs en anneaux basés sur ces guides ont conduit à des pertes de propagation typiquement de l’ordre de 1dB/cm et des résonateurs à facteur de qualité de quelques dizaines de milliers pour des structures couvertes par des matériaux d’indice 1,5. - Des travaux menés visant à l’intégration de matériaux actifs dopés à l’Erbium ont été conduits dans le cadre deux collaborations internationales (Chine et Finlande). La première collaboration nous a amené à la démonstration de gain optique à partir d’une géométrie de guide en arête inversée. Un gain interne de l’ordre de 25dB a été obtenu par cette approche pour une puissance de pompe optique de l’ordre de 80mW. Une seconde collaboration s’est focalisée, quant à elle, sur l’intégration d’oxyde Al2O3 dans des guides à fentes SiN fabriqués au C2N. Les problématiques d’intégration des matériaux ont été étudiées dans un premier temps. Le résultat le plus marquant a été l’observation d’un gain relatif de 25dB/cm dans des guides slot courts pour des puissances de pompe de l’ordre de 50mW à longueur d'onde 1480nm. - Nous avons exploré une seconde voie destinée à la démonstration de structures émittrices/amplificatrices sur puce, exploitant l’utilisation de nanotubes de carbone semiconducteurs (NCS). Notre équipe du C2N, en collaboration avec le CEA-Saclay, a développé une méthode de préparation de couches minces riches en NCS pouvant être utilisées comme milieu actif dans le cadre d’une intégration planaire. Par cette approche, nous avons démontré qu’un pompage vertical des structures photoniques pouvait donner lieu à une extraction de photoluminescence (PL) en sortie guidée par la tranche, dans des guides à fentes, et qu’un renforcement significatif de la PL (>100) était obtenu par effet de recyclage des photons dans des résonateurs diélectriques à base de guides à fente, associé à un rétrécissement spectral des résonances observées en fonction de la puissance de pompe. L’ensemble des travaux présentés dans cette thèse apporte une contribution au développement d’une photonique hybride sur silicium exploitant les propriétés de la plateforme de guidage optique sur SOI et celles de matériaux actifs (ici : polymères dopés à l’Erbium ou aux nanotubes de carbone).

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  • 11

    01/2017

    (in french) Jonctions tunnel magnétiques stochastiques pour le calcul bio-inspiré


      Alice Mizrahi.

    (in french)

    With the rise of nanoelectronics, many novel technologies have emerged, holding the promise to replace or complement the traditional computing building block – the CMOS transistor. However, at the nanoscale, noise significantly affects the behavior of systems, inducing random fluctuations. It is thus natural to look for computing techniques which are intrinsically tolerant to noise, variability and errors, or even better, which take advantage of these. Among the possible solutions, one paradigm has emerged as particularly promising and disruptive: taking inspiration from biology. Indeed, our brain is able to perform computations – while consuming only 20 W – even though its components themselves exhibit stochastic behavior. Bio-inspired computing with stochastic nanodevices should prove to be particularly successful for cognitive tasks such as pattern recognition and classification. Mixing conventional electronic components with emerging technologies could allow performing such tasks at low energy cost. The focus of this thesis is a specific nanodevice, the magnetic tunnel junction. Because of its endurance, reliability and CMOS compatibility, this bistable system has emerged as the flagship device of spintronics. However, maintaining the stability of this device while reducing its size is a challenge. Unstable magnetic tunnel junctions – called superparamagnetic tunnel junctions – behave as stochastic oscillators. In this thesis, I investigated for the first time how to harness the random behavior of stochastic magnetic tunnel junctions, taking inspiration from biology. First, it is experimentally demonstrated that electrical noise can induce the synchronization of a junction to a weak voltage source. A theoretical model is developed and predicts that using noise could allow a hundred-fold energy gain over the synchronization of traditional dc-driven spin torque oscillators. This result opens the way to the low power hardware implementation of synchronization-based computing schemes which can perform tasks such as pattern recognition. Then, an analogy between superparamagnetic tunnel junctions and sensory neurons – which fire voltage pulses with random time intervals – is drawn. Pushing this analogy, it is numerically demonstrated that interconnected populations can perform computing tasks such as learning, coordinate transformations and sensory fusion. Such a system is realistically implementable and could allow for intelligent sensory processing at low energy cost. All these results suggest that the superparamagnetic tunnel junction is a promising building block for hardware implementations of bio-inspired computing.

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  • 11

    01/2017

    (in french) Système radio-fréquence sans contact pour la caractérisation diélectrique de tissus biologiques


      Mengze Wang.

    (in french)

    Les travaux présentés dans ce manuscrit contribuent au développement d’une méthode de caractérisation diélectrique sans contact de tissus biologiques, au moyen de sondes inductives fonctionnant dans le domaine des radiofréquences (RF). Ces travaux s’inscrivent dans le contexte général du développement de méthodes de détection des tissus cancéreux à bas coût, ayant pour but de faciliter la mise en œuvre d’une politique de prévention massive. La méthode de caractérisation s’appuie sur la mesure des propriétés diélectriques (conductivité électrique et permittivité diélectrique) du tissu, qui sont fortement affectées par les modifications structurelles des tissus lors de l’apparition de pathologies cancéreuses. S’appuyant sur des travaux expérimentaux préalables qui ont montré expérimentalement la sensibilité de sondes RF sans contact à la permittivité complexe de milieux organiques, les travaux présentés dans cette thèse s’attachent à explorer de manière plus formelle la pertinence de telles méthodes pour la caractérisation de tissus cancéreux. Pour ce faire, nous avons étudié l’implantation d’une méthode semi-analytique DPSM pour modéliser les interactions intervenant en champ proche et à échelle mésoscopique entre une antenne inductive et le milieu à caractériser, et déterminé les paramètres permettant d’ajuster la sensibilité de l’antenne aux paramètres diélectriques du milieu. Ensuite, nous avons exploité une méthodologie d’estimation de la distribution spatiale des propriétés diélectriques du milieu à l’aide d’une approche à réseaux de neurones artificiels, permettant de détecter, localiser et estimer les propriétés d’une inclusion « tumorale » enfouie dans un « tissus sain », avec des erreurs d’estimation inférieures à 10% pour les configurations étudiées. La méthodologie développée doit ouvrir à la voie au développement de systèmes multicapteurs RF sans contact pertinents pour la détection à bas coût de lésions tumorales dans les tissus

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  • 9

    01/2017

    (in french) Antennes miniatures et structures électromagnétiques à circuits non-Foster


      Anna Niang.

    (in french)

    La recherche de nouveaux matériaux a permis de nouveaux développements au cours de ces dernières décennies. Ce sont entre autres les diélectriques artificiels ou encore les métamatériaux. Cependant, si ces matériaux restent passifs, malgré tous les développements possibles, les performances des antennes, ou autres structures électromagnétiques qui découlent d’eux seront toujours confrontés aux mêmes limitations fondamentales. En intégrant des circuits actifs dans ces matériaux, par exemple des résistances négatives, des capacités négatives et des inductances négatives, il est possible de dépasser ces limitations ainsi les propriétés synthétisables et les applications d’ingénierie pourront être significativement élargies. En effet, cela permettrait de créer des matériaux et des dispositifs dont les propriétés ne seront pas possibles autrement et surpasseraient celles des matériaux existant dans la nature. Cette thèse a été l’occasion dans un premier temps d’utiliser les circuits non-Foster qui sont des circuits actifs à rétroaction positive, pour l’adaptation d’antennes électriquement petites à basses fréquences. Ceci a permis de mettre en évidence les avantages de ce type d’adaptation par rapport à une adaptation passive plus conventionnelle. Ensuite, des capacités négatives ainsi que des inductances négatives et positives ont été conçues. Leur fonctionnement totalement différent des composants passifs a été mis en exergue. Ce qui nous a conduits à les appliquer sur des structures périodiques. Cela a donné des résultats intéressants comme la propagation supraluminique d’ondes sur une ligne de transmission. Et en les appliquant à la cellule unitaire d’une surface de métamatériaux qui est aussi une structure périodique, sa taille est réduite pour une plus grande compacité des antennes à cavités conçues pour les basses fréquences où la longueur d’onde est très grande.

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HdR defense

  • 6

    12/2017

    Enhancing photon-photon and spin-photon interactions with quantum-dot based light-matter interfaces


      Loic Lanco.

    Composition du Jury

    -         Prof. Gerhard Rempe, Max Planck Institüt für Quantenoptik

    -         Prof. Xavier Marie, Laboratoire de Physique et Chimie des Nano-Objets

    -         Prof. Thomas Coudreau, Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques

    -         Dr. Audrey Cottet, Laboratoire Pierre Aigrain

    -         Prof. Agnès Maître, Institut des Nanosciences de Paris

    -         Prof. Philippe Grangier, Laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique

     

    How can we make single photons interact? This question represents a major challenge for the development of quantum technologies. In this presentation, I will show that efficient light-matter interfaces can be developed in the solid state to address this issue, using semiconductor quantum dots embedded in optimized microcavity structures. This led to a number of achievements in the last decade, including :

    - The engineering of an effective photon-photon interaction, leading to an optical nonlinearity at the single-photon limit.

    - The demonstration of an efficient spin-photon interaction, using the spin of a confined semiconductor hole as a stationary quantum bit.

    - The development of near-optimal sources of pure and indistinguishable single photons for quantum optics.

    The perspectives for realizing deterministic quantum gates and fundamental quantum experiments, based on a new generation of spin-based devices, will also be discussed.


  • 21

    09/2017

    Non-linear dynamics in active photonic crystals


      Alejandro Giacomotti.

    This HDR focuses on fundamental aspects of the nonlinear interaction between light and matter in active –III-V semiconductor– photonic crystals. The combination of large nonlinear optical susceptibilities with high quality factors and small optical mode volumes of micro/nano optical resonators leads to a wealth of complex physical phenomena, even at a single cavity level: optical bistability, neuron-like spiking in the form of optical excitability, self pulsing dynamics... Their observation in novel micro and nano resonators has been a challenge over the past fifteen years. My work after my PhD thesis, carried out at LPN (now C2N) from 2004, has been devoted to this quest.

    Beyond the single cavity limit, photonic crystal platforms offer new opportunities to study light matter interaction in arrays of coupled cavities. The interplay between photon tunneling and nonlinearity in multi-well optical potentials –or photonic molecules– is at the heart of many recent developments in quantum and nonlinear optics. As a central part of this HDR report I will focus on a key phenomenon taking place in double well potentials: the spontaneous mirror-symmetry breaking, which we have demonstrated for the first time at the nanoscale using two coupled nanolasers. The system undergoes a bifurcation from delocalized to localized states in the wells, which are mirror images of each other. I will show that, in order to achieve this goal, a thorough optimization of the coupled cavity system is needed in terms of both photon collection and, more importantly, the control of inter-cavity coupling. For the latter we have proposed an original photonic crystal barrier engineering design that enables not only a large tuning of the coupling strength, but also the control over its sign.

    Unexpectedly, we found that the photon number at the bifurcation is about ∼ 150, which could even be further reduced by increasing the spontaneous β-factor of the nanolasers. We can thus predict such transitions with few intracavity photons in future nanolaser devices. Ultimately, signatures of quantum correlations could also be expected in future nonlinear coupled nanocavity devices close to symmetry breaking transitions. 

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  • 31

    05/2017

    (in french) Les promesses du germanium pour la photonique silicium


      Moustafa El Kurdi.

    (in french)

    Lors de l’exposé je présenterai les travaux récemment effectués en vue de réaliser une source laser dans la filière IV-IV, en particulier avec le germanium. L’absence d’une source optique efficace compatible avec les technologies CMOS est le principal verrou à lever pour permettre d’unifier les technologies de la micro- électronique avec les technologies de la photonique dans une seule et même filière de matériaux IV-IV. Basiquement le silicium et le germanium sont pénalisés, pour l’émission de lumière, par la nature indirecte de leur structure de bande. Le cas du germanium est assez particulier, sa bande de conduction en vallée L (bord de zone) se trouve à seulement 140meV au-dessous de la bande de conduction du centre de zone. Je présenterai des éléments de modélisation de la structure de bande et expérimentaux montrant que cette barrière peut être abaissée grâce à l’application de contraintes mécaniques en tension au Ge. Le régime de bande interdite directe dans le germanium peut d’ailleurs être atteint pour des niveaux de déformation biaxiale au-delà de 1.7%. Au C2N-IEF en collaboration avec le C2N-LPN nous avons développé une technologie basée sur le transfert de contraintes depuis des films ‘stressor’ de nitrure de silicium vers des résonateurs optiques à haut facteur de qualité en germanium, de type μ-disques, en vue de réaliser un dispositif laser. Une approche originale, basée sur la bi-encapsulation des couches de germanium par les films ‘stressor’, a permis d’atteindre le régime de bande interdite directe dans les μ-cavités de Ge.

    Différents groupes de recherche ont montré par ailleurs que l’alliage du germanium avec l’étain permet également d’atteindre un régime de bande interdite directe pour des compositions typiquement de 7% d’étain lorsque le matériau est relaxé. En combinant l’ingénierie des contraintes, l’alliage du Ge avec l’étain et le confinement électronique dans des héterostructures SiGeSn/GeSn, de nombreuses perspectives sont actuellement ouvertes pour réaliser des sources laser performantes et compatibles CMOS. Ces sources devraient permettre de couvrir une gamme spectrale qui s’étend aux frontières entre le proche et le moyen infrarouge permettant ainsi de renforcer l’utilisation des technologies silicium pour les interconnexions optiques et les senseurs biochimiques.

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  • 28

    03/2017

    Electrical Transport in Novel Materials with Perspectives in Neuromorphic Computing


      Laurie Calvet.

    The evolution of the transistor, from its first conception in the 1920s to its ultimate manifestation in today’s integrated circuits, tells in part the history of research in the device physics community. While research in the latter part of the 20th century often focused on developing new devices with novel materials, the approaching end of Moore’s law has ushered in a new emphasis on novel computing paradigms that push this community to focus on integrating new devices within what were once considered outlandish architectures. The research presented in this habilitation thesis defense follows along this main evolution in device physics. Starting with research exploring a novel silicon MOSFET, the Schottky barrier MOSFET, that in the 1990s was proposed as an alternative to conventional CMOS, my investigations of this device ranged from understanding the fundamental electronic transport over a wide range of temperatures. The most interesting results, nevertheless, are at low temperatures where transport involving single or small clusters of atoms modulate the transport allowing for spectroscopy, and observations of quantum interference. The discovery of high temperature superconductivity in 1986 in novel ceramic oxides ushered in a flurry of research on these and related materials. One remarkable discovery was colossal magnetoresistance in magnetic oxides in which the interplay between electronic, magnetic and structural degrees of freedom continues to give rise to research surprises. In this context, I explored the quantum corrections that arise in the model LaSrMnO3 manganite thin film and show how one can obtain the phase coherence length. Finally, as the community has migrated from exploring devices for possible applications towards novel architectures, the final part of defense will explore how novel computing paradigms. A first approach explores the use of conventional C-element circuit in a stochastic computing setting to demonstrate Bayesian inference. Next, I explore an analogy between second order phase transitions and overfitting in the extreme learning algorithm. A third project presents how a Schottky barrier nanowire dressed with redox molecules can be used as a memristor. Finally, I conclude with my research perspectives where I plan to exploit my knowledge of device physics and statistical mechanics to realize bio-inspired hardware.

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