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Séminaires

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  • 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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  • 29

    09/2017

    « Étude et conception d’antennes à base de métasurfaces destinées aux applications spatiales et aéronautiques


      Ratni BADREDDINE.

    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.

    LabEx NanoSaclay dans le cadre de l’AAP Animation 2017

    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

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


      Johann Troles & Virginie Nazabal.

    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

    "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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  • 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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  • 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

    Les marchés publics, réglementation et outils


      C2N.

    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

    PELIICAEN : « Implanter l’ion que l’on veut, où l’on veut »


      Stéphane Guillous.

    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

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


      Emilie MASSON.

    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

    Développement de méthodes de type élément fini d’ordre élevé, pour la nanophotonique computationnell


      Stéphane Lanteri.

    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 Bopp.

    Anthropogenic climate change and the global carbon cycle


  • 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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  • 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


  • 23

    01/2017

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


      Sébastien Nanot.

    "Graphene in the mid-infrared: pn junctions for high responsivity photodetectors, acoustic Dirac plasmons with few nanometer confinement" Différentes propriétés du graphène peuvent être bénéfiques au développement de nouvelles technologies dans l ́infrarouge moyen (2-20μm de longueur d ́onde). En particulier, les photodétecteurs à base de jonctions pn de graphène présentent une réponse rapide et efficace dans les domaines du visible et du térahertz, mais cette réponse est limitée par la faible absorption dans l ́infrarouge ou la conception des composants[1,2]. Celle-ci peut être fortement augmentée via l ́excitation de plasmons dans des nanostructures[3], mais les pics d ́absorption expérimentaux sont généralement plus larges et faibles que leur limite théorique. Cette présentation combinera nos études expérimentales récentes à-propos 1) du développement et de l ́optimisation de photodétecteurs basés, soit sur l'effet photo-thermoélectrique et des grilles transparentes (polymères) [4], soit sur le photodopage via des substrats pyro-électriques[5,6]; et 2) de nouvelles méthodes pour coupler les plasmons à la lumière en plaçant un réseau de rubans métalliques à des distances nanométriques du feuillet. Ceux-ci permettent d ́exciter efficacement des modes acoustiques de plasmons confinés verticalement jusqu ́à 2nm [7], tout en préservant la qualité du graphène.

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  • 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.

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


  • 15

    12/2016

    Thermodynamics of Quantum measurements"


      Alexia Auffeves.

    Thermodynamics of Quantum measurements"


  • 15

    12/2016

    "The role of quantum measurement in stochastic thermodynamics"


      Alexia Auffèves.

    I will present a new formalism to investigate stochastic thermodynamics in the quantum regime, where stochasticity and irreversibility primarily come from quantum measurement. In the absence of any bath, a purely quantum component to heat exchange, that corresponds to energy fluctuations caused by measurement back- action. Energetic and entropic signatures of measurement induced irreversibility are then investigated for canonical experiments of quantum optics, and the energetic cost of counter-acting decoherence is characterized on a simple state-stabilizing protocol. I will finally open on a new kind of genuinely quantum engines, where work is solely extracted from quantum measurement.

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  • 9

    12/2016

    Planar optics with optical metasurfaces


      Patrick Genevet.

    Abrupt modifications of the fields across an interface can be engineered by depositing an array of sub-wavelength resonators specifically tailored to address local amplitude, phase and polarization changes [1]. Physically, ultrathin nanostructure arrays (δ≪λ), also called ‘‘optical metasurfaces’’, control light by engineering artificial boundary conditions of Maxwell’s equations. Metasurfaces have been implemented to obtain various sorts of optical functionalities, ranging from the basic control of the transmission and reflection of light[1], to the control of the radiation patterns for comprehensive wavefront engineering and holography[2]. After transmission or reflection, however, the amount of propagation phase shift required to achieve any optical function depends on the wavelength, therefore, a specific phase profile imposed at interface will shape the light in a desired manner only for a single wavelength. This basic dispersion effect, which already affects bandwidth of conventional devices, is also limiting the operation of metasurfaces to a narrow bandwidth. We will discuss how to manage dispersion effect directly at interface to create multiwavelength achromatic metasurfaces for broadband control of light[3]. This approach is applied to fabricate dispersion-free beam deflectors and achromatic flat lenses in the near-infrared[6]. To conclude, we will talk about our recent results on free form optics and free-standing dielectric metasurfaces.

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  • 9

    12/2016

    Potential use of Hydride Vapour Phase Epitaxy for discrete and integrated photonic devices


      sebastian LOURDUDOSS.

    Sebastian Lourdudoss obtained M.Sc. in chemistry from (St. Joseph’s College, Trichy) Madras University, India, in 1976 and Ph.D. in chemistry from Faculté Libre des Sciences de Lille, France, in 1979. In 1980 he joined KTH, Stockholm, Sweden, to work on chemical absorption heat pumps and thermochemical energy storage. He changed his field of interest to semiconductors in 1985 when he had moved to Swedish Institute of Microelectronics, where he started to develop epitaxy of compound semiconductors for fabricating optoelectronic devices. In 1993 he moved back to KTH where he is currently a professor in Semiconductor Materials and Head of Department of Materials and Nano Physics. He has contributed to the development of semi-insulating III-V materials including III-nitrides for discrete and/or integrated device fabrication and buried heterostructure lasers for high speed data- and telecom applications. His current interests are integration of III-Vs on silicon, high power buried heterostructure quantum cascade lasers and semiconductors for non-linear applications.

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  • 9

    12/2016

    On demand angle control in van der Waals heterostructures


      Rebeca RIBEIRO.

    Van der Waals (vdW) heterostructures are formed by intercalation of layered, few atoms thick crystalline materials with different electronic, mechanical and optical properties (e.g. semiconductors, insulators). Beyond the individual study of such two-dimensional materials in the ultra-clean limit, this allows us to mix the properties of several materials, yielding new and as of yet inaccessible physics. While these heterostructures have become the gold standard for probing the electronic and optical properties of graphene and other exotic materials, the control over a crucial degree of freedom has been lacking so far: the relative angle between layers, or layers alignment. This angle changes the heterostructures' properties in dramatic ways. A wellknown example is graphene on boron nitride, where the relative angle between the two materials generates a periodic (Moiré) potential in graphene, strongly modifying its band structure. The absence of precise control over this angle has left these new properties out of reach so far. Here we developed an approach consisting in realizing heterostructures where the crystallographic alignment between layers can be manipulated in situ using an atomic force microscope to rotate one layer, while its mechanical and electronic properties are measured. We present results of in situ manipulation of a Moiré potential as well as tuning of the transmission between graphene layers by changing the relative orientation of the graphene crystals, Figure 1 a and b. In the later we found a 60° periodicity corresponding to crystal symmetry with additional sharp decreases around 22° and 39° (Fig. 1-c), which are among the commensurate angles of twisted bilayer graphene [1].

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  • 6

    12/2016

    Ab initio calculations of the lattice thermal conductivity and the discovery of new thermoelectric..


      Laurent CHAPUT.

    Within the last few years it has been possible to compute the lattice thermal conductivity of bulk materials using ab initio methods. The interactions between the phonons are obtained from density functional theory and this information is incorporated into the Boltzmann to obtain the thermal conductivity. The good accuracy obtained from those calculations allows trying to use them to find new materials. We present several strategies that we used performing such a search. The first method we used is datamining. We screened the entire MPD library to find materials with ultra low thermal conductivity using a Bayesian algorithm based on kriging with gaussian regression processes. We were able to evidence new crystalline structures, some of them with a thermal conductivity lower than wood! Among these compounds some have good electronic properties that could make them exceptional thermoelectric materials. The second method we used is based on polymorphism. Starting from the experimentally known crystalline phase of the thermoelectric Zn-Sb compound, we reconstructed the energy surface using the Minima Hopping Method and discovered that the ground state is not the experimentally known phase. Computing the physical properties we realized that this new ground state has even better thermoelectric properties than the known ZnSb phase.

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  • 29

    11/2016

    Growth of III-V semiconductors on Si


      Jean Fompeyrine.

    Growth of III-V semiconductors on Si


  • 22

    11/2016

    Contrôle temporel des ondes : cristaux & miroirs temporels


      Emmanuel Fort.

    Le contrôle des ondes est généralement réalisé par une ingénierie des propriétés spatiales. Parce que l’espace et le temps jouent des rôles similaires, une approche duale est possible consistant à manipuler le temps. Dans cette présentation, je montrerai comment de telles manipulations permettent de réaliser une « machine à remonter le temps » pour les ondes. J’introduirai en particulier le concept de miroir temporel instantané qui permet à une onde à revivre sa vie passée à l’aide de « discontinuités temporelles ». Cette approche est complémentaire de l’approche des miroirs à retournement temporel « standard » consistant à réémettre l’onde émise dans un volume donné par de capteurs/émetteurs disposés sur une surface englobant ce volume. Je présenterai une implémentation expérimentale de ces nouveaux concepts avec des vagues à la surface d’un bain liquide pour lesquelles la discontinuité temporelle est induite par un choc de gravité. Plusieurs approches théoriques de ces concepts seront discutées notamment du point du vue de Cauchy, de Loschmidt ou de Huygens-Fresnel. Enfin, la généralisation du concept de miroirs temporels instantanés permettra de revisiter l’instabilité de Faraday comme un miroir à conjugaison de phase pour les ondes de surface.

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  • 22

    11/2016

    Wave manipulation through temporal transformation


      Emmanuel Fort.

    Wave manipulation through temporal transformation


  • 8

    11/2016

    Photonique sur silicium : Réalité industrielle et challenges à venir


      Cédric Durand (STMicroelectronics).

    STMicroelectronics a travaillé ces dernières années à l’industrialisation d’une technologie de photonique sur silicium sur substrat 300mm dénommée PIC25G, permettant de réaliser des liens haut 25GB/s. Après avoir présenté le contexte applicatif révélant la nécessité d’avoir recours à l’optique intégrée sur silicium, nous détaillerons l’approche industrielle proposée par STMicroelectronics. La technologie PIC25G sera ensuite passée en revue. Nous détaillerons les étapes de fabrication ainsi que les composants supportés. Enfin, nous présenterons les démonstrateurs actuels et ouvrirons sur les challenges à relever en vue de monter en débit.

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  • 14

    10/2016

    Correlated Atom Probe Tomography and optical spectroscopy analyses of nitride nanostructures


      Lorenzo Mancini.

    In this seminar I will present our work on nanoscale analyses of nitride nanostructures such as InGaN/GaN quantum wells (QWs) in nanowires and GaN/AlN Stranski-Krastanov quantum dots (QDs). These nanostructures are investigated by correlating their structural properties assessed by Atomic Probe Tomography and STEM with their optical signature addressed by micro-photoluminescence and time-resolved photoluminescence. Experimental results are compared with 3D effective mass modeling, which account for the experimental 3D composition of the nanostructures. The multi-microscopy approach allows for studying different system dependent features, namely the effect of stacking faults on the optical properties of single InGaN/GaN QWs (illustrated in Fig. 1) and the influence of GaN/AlN QDs morphology and thickness fluctuations on transition energies, charge carriers localization, and biexciton-exciton cascade processes. The ensemble of the results obtained for the two III-N nanostructures systems shows how the developed approach ensures the best exploitation of the information obtained from the different analyses, allowing for a precision of characterization, which can be hardly matched by other techniques.

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  • 11

    10/2016

    The Wonder of Nanotechnology


      Manijeh Razeghi.

    Nature offers us a full assortment of atoms, but nanoengineering is required to put them together in an elegant way to realize functional structures not found in nature. A particular rich playground for nanotechnology is the so-called III-V semiconductors, made of atoms from columns III and V of the periodic table, and constituting compounds with many useful optical and electronic properties in their own right. Guided by highly accurate simulations of the electronic structure, modern semiconductor optoelectronic devices are literally made atom by atom using advanced growth technology such as molecular beam epitaxy and metal organic chemical vapor deposition to combine these materials in ways to give them new proprieties that neither material has on its own. Modern mastery of materials growth and characterization with the help of such techniques allows high-power and highly efficient functional devices to be made, such as those that convert electrical energy into coherent light or detect light of any wavelength and convert it into an electrical signal. This talk will present the latest world-class research breakthroughs that have brought quantum engineering to an unprecedented level, creating light detectors and emitters over an extremely wide spectral range from 0.2 to 300 microns. Contact: Fabrice

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  • 5

    10/2016

    PT-symmetric systems : from quantum mechanics to nonlinear physics


      Vladimir V. Konotop.

    Nonlinear phenomena in media obeying parity-time (PT) symmetry, i.e. having dissipation and gain delicately balancing each other, attract rapidly growing attention due to their relevance to nonlinear optics, to the theory of Bose-Einstein condensate, as well as to other numerous physical applications. Starting with brief overview of the basics of PT-symmetric quantum mechanics I will discuss recent developments in the theory of nonlinear PT symmetric physics. The main focus will be on the models appearing in PT-symmetric optics including discrete PT-symmetric optics and nonlinear wave phenomena of guided modes including bright and dark solitons, breathers, rogue waves, and vortices.

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  • 4

    10/2016

    Thermotronics: toward circuits for the thermal light


      Philippe Ben-Abdallah.

    The ability to control electric currents in solids using diodes and transistors is undoubtedly at the origin of the main developments in modern electronics, which have revolutionized the daily life in the second half of 20th century. Surprisingly, until the year 2000 no thermal counterpart for such a control had been proposed. Since then, based on pioneering works on the control of phononic heat currents new devices were proposed which allow for the control of heat fluxes carried by photons rather than phonons or electrons. In this presentation I will discuss the recent advances in the field of thermal energy control with photons.

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  • 30

    09/2016

    Light matter interaction between a 2DES and a photonic cavity: quantum Hall polaritons


      Sylvain Ravet.

    Light-matter interaction has played a central role in engineering and manipulating new states of matter. For instance, reversible coupling of excitons and photons in a microcavity has been used to study condensation and superfluidity of cavity polaritons. I will present experiments on a highmobility two-dimensional electron gas (2DEG) embedded inside a microcavity, combining the physics of correlated many-body states of a 2DEG with the methods of cavity quantum electrodynamics. Tuning the cavity into resonance with the electron gas when magnetic field Bz > 0, we exhibit strongly correlated polariton modes that show unique signatures of both integer and fractional quantum Hall effects. We demonstrate that the polarization dependent normal-mode splitting of quantum Hall polaritons provides a direct way to measure the spin-polarization of quantum Hall states, which constitutes a powerful method to complement transport spectroscopy with the advantages of a minimally invasive local probe. The system is potentially of interest for realizing strongly correlated photonic systems since it may be possible to exploit strong electron density dependence of 2DEG-polariton splitting to enhance polariton-polariton interactions.

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  • 9

    09/2016

    "Silicene, germanene, and something in between?"


      Yukiko Yamada-Takamura.

    Silicene and germanene are the silicon (Si) and germanium (Ge) counterparts of graphene, which are emerging as elemental two-dimensional (2D) materials beyond graphene. In their free-standing form, silicene and germanene are predicted to host Dirac fermions, and at the same time, to behave as 2D topological insulators at experimentally accessible temperatures due to their large spin orbit coupling compared to graphene. Despite numerous theoretical studies which the first report dates back to 1994, experimental studies on these materials are still scarce. In this talk, I will introduce the results of our experimental efforts to grow silicene, germanene, and also their 2D alloy on single-crystalline substrates..

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  • 5

    07/2016

    L'espace-temps invariant : oublions Lorentz, Maxwell, Newton, pour mieux les retrouver


      Fabrice Pardo.

    L'espace-temps invariant : oublions Lorentz, Maxwell, Newton, pour mieux les retrouver


  • 28

    06/2016

    Thermotronics : toward circuits for the thermal light


      Philippe Ben-Abdallah.

    Thermotronics : toward circuits for the thermal light


  • 14

    06/2016

    MoS2 et ses cousins: Nouveaux Matériaux Bidimensionnels aux Propriétés Prometteuses


      Xavier Marie.

    Les progrès spectaculaires sur le contrôle des propriétés électroniques du graphène ont stimulé la recherche de nouveaux matériaux bidimensionnels. Les monocouches de Dichalcogénures de Métaux de Transition tels que MoS2 (et ses cousins MoSe2, WS2, WSe2 ?) sont apparues très récemment comme des nanostructures très prometteuses pour des applications variées à la fois dans le domaine de l'optique et de l'électronique. Dans cet exposé, je donnerai un aperçu des propriétés physiques de ces semiconducteurs 2D (structure de bande, excitons, polarisation de spin/vallée ?) et des composants prototypes (transistor, photodiode, LED ...) basés sur cette nouvelle classe de matériaux.","Les progrès spectaculaires sur le contrôle des propriétés électroniques du graphène ont stimulé la recherche de nouveaux matériaux bidimensionnels. Les monocouches de Dichalcogénures de Métaux de Transition tels que MoS2 (et ses cousins MoSe2, WS2, WSe2 ?) sont apparues très récemment comme des nanostructures très prometteuses pour des applications variées à la fois dans le domaine de l'optique et de l'électronique. Dans cet exposé, je donnerai un aperçu des propriétés physiques de ces semiconducteurs 2D (structure de bande, excitons, polarisation de spin/vallée ?) et des composants prototypes (transistor, photodiode, LED ...) basés sur cette nouvelle classe de matériaux.


Soutenance de thèse

  • 28

    09/2017

    Circuits de récupération d’énergie très basse puissance pour transducteurs à capacité variable


      jie Wei.

    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

    Hétérostructures de van der Waals à base de Nitrure


      hugo HENCK.

    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

    Nano-émetteurs thermiques multi-spectraux


      Mathilde Makhsiyan.

    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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    07/2017

    Composants optoélectroniques à faible consommation en III-V sur silicium


      Thi Nhung VU.

    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

    Micro-actionneurs numériques en silicium pour la réalisation d'un micro- convoyeur


      Zhichao SHI.

    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

    Applications de métamatériaux en optique guidée


      FAN Yulong.

    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

    Cavités à fente à cristaux photoniques pour l'intégration hybride sur silicium


      Thi Hong Cam HOANG.

    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

    Circuits photoniques III-nitrure à cristaux photoniques et à microdisques


      Yijia ZENG.

    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

    Vers un biocapteur plasmonique et électrochimique intégré dans une plateforme micro fluidique


      Juan Castro Arias.

    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

    Microsystème électrostatique tridimensionnel de récupération d'énergie pour alimenter un stimulateur


      Sarah Risquez.

    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

    Développement de capteurs THz à base de l’hétérostructure AlGaN/Ga


      Hélène Spisser.

    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

    Intégration hybride sur silicium de matériaux dopés erbium ou riches en nanotubes de carbone semicon


      Weiwai Zhang.

    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

    "Jonctions tunnel magnétiques stochastiques pour le calcul bio-inspiré"


      Alice Mizrahi.

    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

    Système radio-fréquence sans contact pour la caractérisation diélectrique de tissus biologiques 


      Mengze WANG.

    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

    "Antennes miniatures et structures électromagnétiques à circuits non-Foster"


      Anna Niang.

    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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  • 16

    12/2016

    "Manipulation optique de polaritons dans des microstructures semiconductrices"


      Felix MARSAULT.

    This PhD thesis is dedicated to the experimental study of microcavity polaritons in III- V semiconductor microstructures. It consists in a fundamental part focusing on the coherence and polarization properties of polariton lasers, and in a more applied second part which concerns the proof of principle of new all-optical polariton devices. In the first part, we use a streak camera in the single shot regime to measure second order photon correlations with a picosecond resolution. This technique allows measuring the emission statistics of polariton lasers and analyzing at the picosecond scale the dynamics of the establishment of the spontaneous coherence and polarization of the mode during the laser initialization. We show a stochastic initialization of the polarization followed by a precession around an effective magnetic field inside the cavity. The influence of the system dimension is discussed as well as a theoretical model reproducing our experimental observations. The second part of the work is dedicated to the realization of polariton devices with an all-optical control. These devices are constituted of a 0D resonator coupled to 1D input and output waveguides. We demonstrate the operation of a polariton router and a remotely controlled optical bistability. This last effect is the core ingredient of an optical memory and we show preliminary results on the implementation of all-optical AND, OR and XOR logic gates.

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  • 14

    12/2016

    Nanostructuration d’or pour la biodétection plasmonique et la diffusion Raman exaltée de surface : r


      Jean- François BRYCHE.

    Ce travail porte sur la réalisation de nanostructures d’or sur substrat de verre afin d’en étudier les propriétés plasmoniques et de les optimiser pour des applications dans le domaine des biocapteurs. L’objectif principal a été de démontrer la faisabilité de combiner sur une même biopuce, les biocapteurs à résonance de plasmon de surface propagatif (SPR) et ceux basés sur l’effet Raman exaltée de surface (SERS). Nous montrons que la présence d’un film d’or sous les nanostructures est très favorable pour une double caractérisation SPR-SERS. Afin d’étudier plus en détails les couplages entre les différents modes plasmoniques existants dans ces substrats et ainsi pouvoir déterminer la structure optimale, l’essentiel des échantillons a été réalisé par lithographie électronique. La nanoimpression assistée par UV (UV-NIL) a aussi été développé au cours de cette thèse afin de réaliser un nombre important d’échantillons et répondre aux futurs besoins de l’industrie des biocapteurs. Les performances de ces échantillons réalisés par UV-NIL ont été comparées avec ceux fabriqués par lithographie électronique. Les diamètres des nanodisques d’or varient de 40 nm à 300 nm et les périodes de 80 nm à 600 nm en fonction de la technique de fabrication. En SERS, des facteurs d’exaltation de 106 à 108 ont été obtenus grâce à la présence du film d’or continu sous le réseau de nanodisques. Ce gain est fonction de l’épaisseur du film d’or, de la longueur d’onde d’excitation utilisée et du taux de remplissage des nanostructures. En SPR, nous avons démontré expérimentalement et théoriquement la possibilité de couplage entre les modes localisés et propagatifs donnant lieu à un nouveau mode hybride, potentiellement plus sensible car plus confiné. Les calculs numériques développés pour simuler le comportement de structures réelles (présence d’arrondi, de flanc ou de couche d’accroche) confirment les résultats obtenus. L’ensemble de ce travail a permis de manière expérimentale et théorique d’apporter une meilleure compréhension des propriétés plasmoniques aux échelles nanométriques sur des structures constituées de réseaux de nanostructures d’or, notamment sur film d’or. Par ailleurs, une étude précise des différentes étapes technologiques a permis de comprendre quels éléments impactent significativement les propriétés plasmoniques des échantillons et donc améliorent ou dégradent les performances de ces substrats en tant que biocapteur. Au final, les échantillons réalisés ont été testés et validés en tant que biocapteur au sein d’un appareil bimodal SPR-SERS.

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  • 13

    12/2016

    De l’importance de l’interaction de Dzyaloshinskii-Moriya sur la dynamique sous champ des parois de


      Rémy SOUCAILLE.

    Le caractère ultra-mince de couches magnétiques y exacerbe les effets d’interfaces. Dans ces systèmes, l’interaction d'échange dite "de Dzyaloshinskii-Moriya" (DMI) est autorisée par la brisure de symétrie d'inversion inhérente aux interfaces. Contrairement à l’interaction d’échange de Heisenberg, la DMI favorise une rotation de l’état d’aimantation, et ce avec une chiralité donnée. L'existence de la DMI dans les films ultra-minces était jusqu’à récemment sujette à débat, de sorte qu'il est apparu nécessaire de la quantifier et de caractériser ses manifestations observables. En partenariat avec le National Institute of Materials Science, le laboratoire Aimé Cotton et le laboratoire des Sciences des Procédés et des Matériaux, j'ai caractérisé l’interaction de Dzyaloshinskii-Moriya dans des films de CoFeB/MgO avec différentes couches tampons. Ce système matériau d’intérêt technologique reste suffisamment simple pour permettre une modélisation sans équivoque. Les méthodes utilisées recouvrent le déplacement de paroi de domaine dans un régime de reptation par microscopie magnéto-optique, la cartographie des champs de fuite de paroi par centre NV et la spectroscopie d’onde de spin par diffusion Brillouin. Quand l’interaction de Dzyaloshinskii-Moriya est relativement faible, ces différentes méthodes s'accordent quant à son amplitude et son signe. Néanmoins dans le cas général, les différentes façons de mesurer de l’interaction de Dzyaloshinskii-Moriya ne convergent pas vers des valeurs consensuelles. Pour comprendre ces différences, j’ai modélisé le comportement des parois de domaine sous champ planaire. J’ai montré qu’il existe un domaine en champ planaire où l’interaction de Dzyaloshinskii-Moriya déstabilise les parois rectilignes en formant préférentiellement des parois en Zigzag. L’élasticité des parois de domaine en est dramatiquement modifiée. Le champ dipolaire dans les parois de domaine amplifie ce phénomène. La reptation de paroi nécessite aussi la bonne compréhension du piégeage des parois de domaine. J’ai développé un modèle permettant d’estimer les champs de dépiégeage en fonction des différents paramètres matériau. Ce modèle permet aussi d’expliquer le comportement à haute fréquence des parois dans les échantillons en présence de défauts d’anisotropie variable.

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  • 2

    12/2016

    Etude théorique de nanodispositifs électroniques et thermoélectriques à base de jonctions contrainte


      Mai Chung NGUYEN.

    De par ses extraordinaires propriétés physiques, on s'attend à ce que le graphène devienne un matériau de nouvelle génération, susceptible de compléter les semiconducteurs traditionnels dans les technologies de dispositifs électroniques. Depuis sa découverte expérimentale en 2004, de nombreux travaux ont cherché à en évaluer les potentialités. Toutefois, en vue d'ap-plications en électronique, le graphène souffre d'un inconvénient majeur: l'absence de bande interdite dans sa structure de bandes. Ainsi, il est très difficile de moduler et couper le courant dans un transistor de graphène, ce qui restreint considérablement son champ d'applications. Du point de vue des propriétés thermoélectriques, l'absence de bande interdite empêche la sé-paration des contributions opposées des électrons et des trous au coefficient Seebeck, qui reste donc faible dans le graphène parfait. Aussi, l'ouverture d'une bande interdite (gap) dans le gra-phène est une nécessité pour contourner les inconvénients de ce matériau et bénéficier pleine-ment de ses excellentes propriétés de conduction. Il a été montré que de nombreuses appro-ches de nanostructuration peuvent être utilisées dans ce but: découpage de nanorubans de gra-phène, bicouche de graphène avec application d'un champ électrique transverse, percement d'un réseau périodique de nano-trous (nanomesh), structures mixtes de graphène et de nitrure de bore, dopage du graphène à l'azote,… Cependant, toutes ces approches ont leurs propres difficultés de fabrication et/ou restent encore à confirmer expérimentalement. Dans ce travail, je me suis focalisée sur une autre approche : l'ingénierie de contrainte, qui offre un large éven-tail de possibilités pour moduler les propriétés électroniques des nanostructures de graphène. Pour ce travail théorique, tous les calculs ont été faits en utilisant essentiellement deux métho-des: un modèle atomistique de Hamiltonien de liaisons fortes pour décrire les propriétés élec-troniques du matériau et l'approche des fonctions de Green hors-équilibre pour le calcul du transport quantique.Après une introduction du contexte général de ce travail et des techniques de calcul développées dans ce but, j'ai d'abord analysé les effets de contrainte. En fait, une contrainte d'amplitude supérieure à 23% est nécessaire pour ouvrir un gap dans la structure de bande du graphène. Mais je montre qu'avec une contrainte de quelques pourcents, le décalage du point de dirac induit par la contrainte peut suffire à ouvrir un gap de conduction très signi-ficatif (500 meV ou plus) dans des hétérostructures de graphène constituées de jonctions gra-phène contraint / graphène non contraint, alors que chacun des matériaux reste semi-métallique. Après l'analyse détaillée de cette propriété en fonction de l'amplitude de la contra-inte, de sa direction et de la direction du transport, j'exploite cet effet dans des jonctions ap-propriées pour améliore le comportement et les performances de différents types de disposi-tifs. En particulier, je montre qu'avec une contrainte de seulement 5% il est possible de couper efficacement le courant dans les transistors, de sorte que le rapport ON/OFF peut atteindre 105, ce qui constitue une très forte amélioration par rapport aux transistors de graphène pristi-ne où ce rapport ne peut pas excéder 10. Puis, nous montrons qu'en combinant ingénieries de contrainte et de dopage dans de telles jonctions, le coefficient Seebeck peut atteindre des va-leurs aussi fortes que 1.4 mV/K, ce qui est 17 fois plus élevé que dans le graphène sans gap. Cela peut contribuer à faire du graphène un excellent matériau thermoélectrique. Enfin, j'ai étudié l'effet de conductance différentielle négative (CDE) dans des diodes de graphène, cons-tituées soit d'une simple-barrière contrainte contrôlée par une grille, soit d'une jonction PN. Je montre qu'une ingénierie de contrainte appropriée peut induire de forts effets de CDE, avec un rapport pic/vallée de quelques centaines à température ambiante.

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  • 28

    11/2016

    Design and characterization of Silicon Photonic structures for third order nonlinear effects


      Samuel SERNA.

    Ce travail a été consacré à l'étude des nonlinéarités de troisième ordre dans des structures intégrées compatibles avec la filière silicium, incluant des matériaux en rupture de l’état de l’art (chalcogénures, alliages GeSi à forte concentration en germanium) et des structures de guidage à exaltation du champ électromagnétique (cavités, modes lents). Tout d'abord, nous avons développé une méthode simple et fiable, originale au regard des travaux antérieurs, non destructive, et à faisceau unique, pour la caractérisation des effets de troisième ordre instantanés. Elle permet de quantifier la susceptibilité non linéaire effective dans des guides d'ondes quelconques. La méthode a été dénommée "Top-hat D-Scan bi-directionnelle" et constitue un analogue temporel de la méthode Top-hat Z-Scan développée pour les matériaux massifs. Nous avons établi un modèle analytique et numérique et nous rendons compte des premières mesures en configuration guidée utilisant des impulsions mises en forme dans un étireur et complétée par une procédure d’injection bi-directionnelle. L’ensemble instrumental développé constitue une expérience de métrologie des effets non-linéaires dans des guides d’ondes pour la photonique silicium au meilleur niveau de l’état de l’art. La méthode proposée a été appliquée à des guides Si3N4, Si1-xGex (x>0.7), et chalcogénures, révélant de riches perspectives quant à l’utilisation de ces deux dernières familles de matériaux pour des applications dans le proche (1.55μm) et le moyen infra-rouge (2μm-10μm). Dans une autre direction dédiée à l’ingénierie des nonlinéarités d’ordre 3 en photonique sur silicium, et forts de l’outil métrologique développé, nos travaux d’exploration des interactions non linéaires lumière-matière ont été consacrés à deux grandes familles de nanostructures photoniques : des microcavités optiques et guides d'ondes en régime de lumière lente. Dans la première des deux situations, les variations d'indice provoquées par les nonlinéarités sont responsables d’un décalage des fréquences de résonance excluant leur coïncidence avec la fréquence du signal d'excitation et diminuant ainsi l'efficacité de l'injection optique de manière drastique. Afin de maintenir le bénéfice de localisation de la lumière tout au long de l'excitation pulsée, nous avons étudié expérimentalement et numériquement le comportement d'une cavité en silicium conçue, fabriquée, et enfin excitée par une impulsion présentant une puissance crête élevée. En contrôlant temporellement la phase des composantes spectrales injectée, la relation de phase spectrale compensant la dérive de fréquence non linéaire de la résonance de la cavité, nous avons effectué une étude rigoureuse de l'excitation cohérente d'une micro-cavité silicium non linéaire. Nous avons également consacré des efforts importants à concevoir, fabriquer et caractériser des guides d'ondes à cristaux photoniques à fente sur silicium, support d’une intégration hybride de matériaux optiques non-linéaires sur silicium. Les résultats rapportés fournissent la première preuve expérimentale d’un contrôle précis des propriétés de dispersion de guides à cristaux photoniques à fente propres à être remplis par des matériaux souples comme des polymères ou des couches minces dopées. La dispersion de groupe des modes lents guidés est contrôlable en signe et en amplitude et correspond à des bandes passantes optiques exploitables (~15nm). Ces résultats démontrent l’intérêt pour le traitement tout-optique des données sur puce des guides à modes lents à coeur creux utilisant des effets optiques non linéaires d’ordre trois pour le traitement des données.

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  • 24

    11/2016

    Nonlinear Photonic Nanostructures based on Wide Gap Semiconductor Compounds


      Aude MARTIN.

    Nonlinear Photonic Nanostructures based on Wide Gap Semiconductor Compounds *Composition du jury:* Prof. Dr. Giuseppe Leo (LMPQ, Université Paris Diderot, France) . . . . . . . . . . . . Rapporteur Prof. Dr. Marco Santagiustina (University of Padova, Italy) . . . . . . . . . . . . . . Rapporteur Prof. Dr. Fabien Bretenaker (LAC, Université Paris Saclay, France) . . . . . . . . . . Examinateur Prof. Dr. Allard P. Mosk (Utrecht University, The Netherlands) . . . . . . . . . . . . Examinateur Dr. Christelle Monat (INL, Ecole Centrale de Lyon, France) . . . . . . . . . . . . . . Examinateur Dr. Alfredo De Rossi (Thales Research & Technology, France) . . . . . . . . . . . . . . Directeur de Thèse Dr. Isabelle Sagnes (C2N, CNRS, France) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Co-Directeur de Thèse Dr. Fabrice Raineri (C2N, CNRS, France) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Co-encadrant Dr. Sylvain Combrié (Thales Research & Technology, France) . . . . . . . . . . . . . . .Invité


  • 24

    11/2016

    Elaboration de photocathodes à nanofils de GaAs sur verre pour la vision nocturne


      Theo JEGOREL.

    Les photocathodes jouent un rôle important dans de nombreux dispositifs, notamment dans les tubes intensificateurs de lumière adaptés à la vision nocturne. Dans ces dispositifs, elles sont l’élément clé permettant de convertir les photons de l’environnement extérieur en électrons …..

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  • 23

    11/2016

    Développement et application de la technique analytique de courant induit par faisceau d’électrons


      Vladimir NEPLOKH.

    Dans cette thèse je me propose d’étudier des nano-fils, et en particulier d’utiliser la technique EBIC pour explorer leurs propriétés électro-optiques. Je décris d’abord les détails de la technique d’analyse EBIC avec un bref retour historique sur la microscopie électronique, le principe physique de l’EBIC, sa résolution spatiale, les paramètres conditionnant l’amplitude du signal, et les informations que l’on peut en tirer sur le matériau en termes de défauts, champ électrique, etc. Je m’intéresse ensuite à la caractérisation de LEDs à nano-fils à base de GaN, qui ont été observés par EBIC, soit en coupe soit en vue plane (depuis le haut des fils). Les mesures EBIC sont comparées à celles de micro-électroluminescence. Plus loin j’adresse la fabrication et la mesure de nano-fils à base de GaN séparés de leur substrat d’origine. Je présente les mesures EBIC de nano-fils uniques entiers, puis de nano-fils en coupe horizontale. La partie suivante de la thèse traite d’étude EBIC des cellules solaires à base de nano-fils Si ayant d’abord une géométrie aléatoire, puis une géométrie régulière. La génération de courant dans ces cellules solaires est analysée à l’échelle submicronique. A la fin du manuscrit je discute la fabrication et les mesures EBIC de fils GaN épitaxiés sur Si. Je montre en particulier qu’une jonction p-n est enduite dans le substrat Si par la diffusion d’Al lors de la croissance de nanofils.

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  • 22

    11/2016

    Novel substrates for growth of III-Nitride materials


      Vishnuvarthan KUMARESAN.

    A major advantage of semiconductor nanowires (NWs) is the possibility to integrate these nanomaterials on various substrates. This perspective is particularly attractive for III-nitrides, for which there is a lack of an ideal substrate. We examined the use of novel templates for growing GaN NWs by plasma assisted molecular beam epitaxy. We explored three approaches with a common feature: the base support is a costefficient amorphous substrate and a thin crystalline material is deposited on the support to promote epitaxial growth of GaN Nws. In the first approach, we formed polycrystalline Si thin films on amorphous support by a process called aluminum-induced crystallization (AIC-Si). The conditions of this process were optimized to get a strong [111] fiber-texture of the Si film which enabled us to grow vertically oriented GaN NWs. The same idea was implemented with graphene as an ultimately thin crystalline material transferred on SiOx. We illustrated for the first time in literature that GaN NWs and the graphene layer have a single relative in-plane orientation. We propose a plausible epitaxial relationship and demonstrate that the number of graphene layers has a strong impact on GaN nucleation. Proof-of-concept for selective area growth of NWs is provided for these two approaches. As a simple approach, the possibility of growing NWs directly on amorphous substrates was explored. We use thermal silica and fused silica. Self-induced GaN NWs were formed with a good verticality on both substrates. Based on our observations, we conclude that the epitaxial growth of GaN NWs on graphene looks particularly promising for the development of flexible devices.

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  • 21

    11/2016

    Quantification de la charge et criticalité quantique Kondo dans les circuits mésoscopiques


      Zubair IFTIKHAR.

    Quantification de la charge et criticalité quantique Kondo dans les circuits mésoscopiques Composition du jury : Mme Julia MEYER, Université Grenoble-Alpes, Rapporteur M. Christopher BÄUERLE, Institut Néel, Grenoble, Rapporteur M. Takis KONTOS, Laboratoire Pierre Aigrain, Paris, Examinateur M. Serge FLORENS, Institut Néel, Grenoble, Examinateur M. Cristian URBINA, SPEC, Saclay, Examinateur M. Frédéric PIERRE, C2N, Marcoussis, Directeur de thèse


  • 15

    11/2016

    From nitride nanowires to piezoelectric generation


      Nicolas JAMOND.

    Nitride nanowires are a promising material for the fabrication of efficient and compact piezogenerators. Their tremendous piezoelectric and mechanical properties give them the ability to convert efficiently mechanical energy into electrical energy. The piezoelectric material studied in this thesis is GaN, synthetised as nanowires by PA-Molecular Beam Epitaxy. Thanks to an adapted AFM résiscope, we show the great potential of nitride nanowires for piezogeneration and the correlation between the polarity of the nanostructure, its deformation and the establishment of the piezopotential. We also study the harvesting efficiency of the nanostructures’ polarization, through a nanometric Schottky contact. Due to scale effects, this Schottky nanocontact shows a reduced barrier height and resistance, which lead to an enhanced conduction and thus to a better harvesting of the piezoelectric energy generated by the GaN nanowires. Based on the understanding of those mechanisms, we have built a piezogenerator integrating a vertical array of p-type GaN nanowires, embedded in HSQ resist and with their top connected by a Pt metallic electrode, leading to a Schottky contact. This prototype delivered a power density of about 12,7 mW.cm-3, which is the state of the art for GaN nanowires based piezogenerator.

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  • 21

    10/2016

    Mechanisms of heterostructure formation and polytypism in III-V nanowires


      Giacomo Priante.

    This work investigates III-V nanowires synthesized via the vapor-liquid-solid method, whereby a catalyst droplet promotes one-dimensional growth. By combining molecular beam epitaxy experiments, structural characterization and theoretical analyses, I study and clarify several critical issues. One of them is the control of the crystal phase, which is frequently found to be a mix of cubic and hexagonal segments. By performing a probabilistic analysis of the stacking sequence of InP nanowires, I show that phase selection is determined not only by growth conditions but also by interactions between layers. I highlight and discuss the role of the edge energy of the nucleus that mediates the formation of each monolayer. Another important problem is the formation of axial heterostructures, which interface sharpness is severely limited by material accumulation in the droplet (‘reservoir effect’). To this end, I study the formation of such heterostructures in Ga-catalyzed GaAs nanowires using either a second group V element (P) or a second group III element (Al). The composition profiles of the ternary insertions are analyzed with monolayer resolution. The interface widths are found to be larger [Ga(As,P)] or narrower [(Al,Ga)As] than expected, and the morphology of the growth front depends on supersaturation. In both cases, I demonstrate that the interface width can be reduced to a few monolayers and suggest further improvements. Attempts to achieve ultrathin GaAs and GaP nanowires that would permit lateral quantum confinement are presented. Finally, I consider the possibility of minimizing the stochastic character of nucleation ultimately to control the growth of single monolayers.

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  • 4

    10/2016

    High speed optical modulation, advanced modulation formats and mode division multiplexing in Silico


      Perez-Galacho Diego.

    Bandwidth demand in optical communication systems is continually growing. Data rate values in the order of several hundreds of TBps are expected in the near future. In order to cope with those expectations silicon based technologies are believed to be the best suited. Its naturally compatibility with CMOS easily enables the electronics and photonics co-integration. In the short-term the way increase data rates in next generation optical communication systems goes through using advanced modulation format and increase symbol rates. In the long-term view, new multiplexing techniques will be required. In this sense, mode division multiplexing is nowa-days an attractive approach under consideration. In this Thesis work, the way to implement these new optical communication schemes in studied from the transmitter point of view. It includes, on the one hand, the modeling, design and charac-terization of silicon modulators. And in the other hand, it includes the proposition, design and characterization of novel mode handling devices for mode division multiplexing. A new way of modeling silicon modulators has been developed. This new model permits to re-duce the computation time of modulator analysis up to two orders of magnitude, while maintain-ing a good level of accuracy. Using the model, modulators based on lateral PN junctions and in-terdigitated PN junctions were designed to work in the O-Band of optical communications. Char-acterization work has been performed on these modulators with good results. Wide-open OOK eye diagrams were obtained at 10GBps. Furthermore, BPSK modulation was also demonstrated at 10GBps. New kind of mode converters and multiplexers, intended to work as mode division multiplexing subsystems have been proposed, designed, fabricated and characterized. Measured results show broad bandwidth operation high extinction ratio.

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  • 30

    09/2016

    Photodétecteurs InGaAs nanostructurés pour l'imagerie infrarouge


       Michaël Verdun (MiNao).

    Malgré les remarquables performances démontrées par les photodétecteurs quantiques pour l'infrarouge, les progrès dans cette filière stagnent. La principale limitation est due au bruit lié à leur courant d'obscurité, qui impose, aux plus grandes longueurs d'onde, un fonctionnement à des températures cryogéniques. Ce travail de thèse a pour principal objectif de dépasser cette limite intrinsèque en combinant des structures photodétectrices innovantes et des nanorésonateurs optiques. La réduction par plus d'un ordre de grandeur de l'épaisseur de la zone absorbante, modifie considérablement les propriétés optiques et électroniques de la structure, imposant de revisiter entièrement ses modes de fonctionnement. Dans ce contexte, ce travail de thèse vise à valider expérimentalement l'apport de la nanophotonique à l'amélioration des performances des photodiodes InGaAs. La première partie est dédiée à l'étude de photodiodes InGaAs à double hétérojonction dans le but de réduire à la fois le courant d'obscurité et l'épaisseur de la structure pour la rendre compatible à celle des nanorésonateurs optiques. La seconde partie est dévolue à la conception, la fabrication et la caractérisation de photodétecteurs résonants nanostructurés. Dans la troisième partie, les remarquables propriétés de ces photodétecteurs sont étudiées dans un contexte de mini-matrices, premier pas vers la réalisation de caméras. Les concepts développés durant cette thèse et les résultats expérimentaux obtenus, ouvrent la voie vers une nouvelle génération de photodétecteurs pour l'imagerie infrarouge.

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  • 29

    09/2016

    Etude et intégration de films getter pour le packaging sous vide à basse température de résonateurs


      Ming WU.

    Le packaging sous vide des capteurs résonants (accéléromètres, gyromètres), des oscillateurs à quartz utilisés dans les références de temps ou encore des bolomètres est indispensable pour obtenir de très hautes performances et les maintenir dans le temps. Le faible volume de la cavité sous vide nécessite un pompage in-situ pour compenser les fuites et maintenir le vide pendant toute la durée de vie des dispositifs. Ce pompage peut être réalisé par l'insertion dans la cavité de matériaux getter, qui constituent un système intégré de pompage à l'état solide par adsorption et piégeage des molécules de gaz. Nous avons étudié les phénomènes d’interdiffusion et comparé la capacité de sorption de films getters de titane, vanadium ou zirconium protégés par une couche ultramince d'or. Les propriétés des films ont été analysées en utilisant différentes techniques: mesure de résistivité 4 pointes, XRD, MEB, XPS et SIMS après différents traitements thermiques. Les résultats montrent que le système Au/Zr est le meilleur candidat à la fonction de matériau getter grâce au démouillage de l'or après traitement thermique : 70 nm de Zr est oxydé en ZrO2 après un recuit à 300 °C pendant 1h, ce qui correspond à 7,5 10-7 moles d'oxygène absorbées. Toutefois ce système Au/Zr réagit déjà à 200 °C-1h, une température qui peut s'avérer trop basse pour des applications de packaging sous vide. Ainsi, l'empilement Au/Zr/V/Zr a été proposé pour mieux cibler la température d'activation autour de 300°C tout en gardant une capacité de sorption importante.

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  • 28

    09/2016

    Mechanical nonlinear dynamics of a suspended photonic crystal membrane with integrated actuation


      Avishek Chowdhury.

    Nonlinearities in nanomechanical systems can arise from various sources such as spring and damping mechanisms and resistive, inductive, and capacitive circuit elements. Beyond fundamental interests for testing the dynamical response of discrete nonlinear systems with many degrees of freedom, non-linearities in nanomechanical devices, open new routes for motion transduction, nanomechanical sensing, and signal processing. We investigate the nonlinear response of a nanomechanical resonator consisting in a suspended photonic crystal membrane acting as a deformable mirror. Actuation of the membrane motion in the MHz frequency range is achieved via interdigitated electrodes placed underneath the membrane. The applied electrostatic force induces mechanical non-linearities, in particular bistability, superharmonic and stochastic resonances.

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  • 19

    07/2016

    Pockels effect in strained silicon waveguides
 Towards high-speed and low power consumption optical


      Pedro DAMAS.

    Membres du jury : Directeur de thèse : Laurent Vivien C2N (France) Rapporteurs : Prof. Lorenzo Pavesi University of Trento (Italy) Prof. Jeremy Witzens RWTH Aachen (Germany) Examinateurs : Valérie Véniard Ecole Polytechnique (France) Frédéric Boeuf STMicroelectronics (France)


  • 4

    07/2016

    “Dynamique non-linéaire dans les nano-structures semi-conductrices pour le traitement du signal”


      Grégory MOILLE.

    Membres du jury : Directeur de thèse Dr. Alfredo DE ROSSI Thales Research & Technology Examinateur Prof. Xavier CHECOURY IEF - U-Psud Dr. Emilien PEYTAVIT IEMN Rapporteur Prof. Dr. Allard P. MOSK Utrecht University Prof. Christophe PEUCHERET Foton - CNRS

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  • 27

    06/2016

    Dispositifs intersousbandes à base de nitrures d’éléments III du proche infrarouge au térahertz


      Patrick QUACH.

    Dispositifs intersousbandes à base de nitrures d’éléments III du proche infrarouge au térahertz


  • 21

    06/2016

    Circuit-tunable subwavelength terahertz devices


      Bruno Paulillo.

  • 20

    06/2016

    Nouvelles sources compactes dans le moyen-infrarouge : Lasers à cascade quantique (LCQ) au-delà ...


      Daniel Chastanet.

    Nouvelles sources compactes dans le moyen-infrarouge : Lasers à cascade quantique (LCQ) au-delà de 16 microns et LED électroluminescentes en régime de couplage fort

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Soutenance HdR

  • 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

    Les promesses du germanium pour la photonique silicium


      Moustafa El Kurdi.

    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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  • 17

    10/2016

    Intégration d’oxydes fonctionnels sur plate-formes semi-conductrices appliquée à la réalisation de


      Guillaume AGNUS.

    Les oxydes fonctionnels de structure pérovskite ABO3 présentent une large gamme de propriétés physiques aussi variées que le ferromagnétisme, la ferroélectricité ou encore la supraconductivité. Ces propriétés couplées avec le silicium ouvrent à de nouveaux dispositifs tels que le transistor à grille ferroélectrique ou encore le memristor. Cependant cette approche impose de maîtriser la croissance des oxydes fonctionnels sur substrats semi-conducteurs. Initiées depuis bientôt deux décennies avec les travaux pionniers de Mc Kee, les recherches sur l’intégration de ces matériaux se sont principalement concentrées sur les dispositifs pour la microélectronique. Mais l’intégration sur silicium ouvre également à la fabrication de microsystèmes, composants extensivement utilisés dans le domaine des capteurs pour leur faible coût de fabrication, leurs performances et leur faible consommation électrique. On associe alors les procédés maîtrisés de mise en forme du silicium avec les propriétés exceptionnelles de ces oxydes épitaxiés. Je présenterai mes travaux depuis mon recrutement à l’Université Paris-Sud en tant que maître de conférences en mettant l’accent sur l’intégration de films minces de pérovskites sur substrats semi-conducteurs ainsi que sur les problématiques liées à cette intégration. Les études que j’ai menées sur la base de cette plate-forme seront ensuite détaillées avec une attention particulière portée aux applications de type capteurs. Je conclurai en présentant mes perspectives de recherche dans ce domaine.