Composition du jury proposé

Prof. Mika Linden

Dr. Jacques Leng

Prof. Jean-Marc Frigerio

Prof. Clément Sanchez

Dr. Marco Faustini

Dr. Andrea Cattoni (Co-encadrant)

Dr. Cédric Boissière (Directeur de thèse)

Abstract

The last decades have seen the fast development of mesoporous silica nanoparticles as a biocompatible platform for drug delivery, thanks to their tunable porosity, high loading capacity and the possibility to be functionalized with organic molecules to control cargo release and cell surface recognition. To design efficient nanocarriers and also to assess toxicity issues on human health, a good understanding of mesoporous silica particles biodegradability is mandatory. This research work wants to determine the dissolution rate of mesoporous silica under physiological conditions and identify some of the factors affecting silica behavior in biological media. The conducted study leads to interesting results which can be used to design in vivo tests. Structure and composition of mesoporous silica nanoparticles  have been reproduced on 2D thin films and studied  through in situ ellipsometric analysis in phosphate buffer, concentrated protein solution and in real biological media such as serum and blood. In particular, we explored dissolution under flow conditions, reproducing the dynamic nature of bloodstream, which can affect the mechanisms of protein adsorption, particle dissolution and drug release. To do so, we developed a special ellipsometric setup which make us able to use opaque liquids (serum, blood) coupled with a microfluidic cell to control flow conditions. We monitored the influence of surface functionalization, pore size and geometry and medium flow on the interfacial behavior of mesoporous silica thin films in biological fluids.

Magneto-electric (ME) sensors have been demonstrated as a promising alternative for the detection of weak magnetic signals with high sensitivity. To date, most applications focused on the use of bulk piezoelectric materials on which magnetostrictive thin films are deposited leading to millimeter-sized devices. The integration of such devices into micro-electro-mechanical systems (MEMS), bringing smaller size and lower power consumption, involves addressing several scientific issues ranging from the integration of active materials on silicon to the strong reduction in amplitude of generated signals related to the size reduction of the sensor.
In this context, the first goal of this thesis work was to integrate high crystalline quality piezoelectric thin films on silicon. Pb(ZrxTi1-x)O3 (PZT) with a morphotropic composition (x=0.52) having high electromechanical coupling factor was chosen. Silicon is a necessary template as it allows for the use of conventional clean room processes for the realization of the microsystem. The crystalline quality of the active films is directly linked to the buffer layers that promote the crystalline growth on silicon. For this purpose, Yttria-stabilized Zirconia (YSZ) was used in combination with CeO2 and SrTiO3 to allow further growth of epitaxial perovskites. The choice of the bottom electrode material (SrRuO3 or La0.66Sr0.33MnO3 in this work) further tunes the crystalline orientation of the PZT layer.
To probe the potential of such PZT thin films for ME devices, the first step was to characterize the electromechanical properties of this material in a free standing cantilever structure. Under an applied electric field, the measured displacement of the epitaxial PZT-based cantilevers is characterized by a coefficient d_31=-53pmV^(-1) , a reduced value with respect to the bulk material but that can be enhanced by further optimizing the film growth. The second step consists in ascertaining the ability of the cantilever to be used as resonator. For that purpose, first characterizations of oscillators have been performed to extract the resonant frequencies and the associated quality factors. Then, the resonant frequency shift with DC bias-induced stress was measured. Finally, a magnetostrictive layer of TbFeCo was added on the PZT cantilevers to sense magnetic field based on the ME effect. The resulting resonant frequency shift with external applied magnetic field was characterized with a typical sensitivity of 10’s of µT.
Keywords: Magneto-electric effect, piezoelectric, magnetostrictive materials, magnetic sensors, ME sensors.

Mots clés en anglais :

Magnetic,Sensors,Piezoelectric,magnetostriction

Jury

Gilles Gaudin

Directeur de recherche CNRS, Grenoble                                          Rapporteur

François Montaigne

Professeur, Université de Lorraine                                                     Rapporteur

Tianxiao Nie

Professeur, Université de Beihang                                                     Examinateur

Dafiné Ravelosona

Directeur de recherche CNRS, Orsay                                                 Directeur de thèse

Weisheng Zhao

Professeur, Université de Beihang                                                     Co-Directeur de thèse

Guillaume Agnus

Maitre de conférences, Université Paris Sud                                      Invité

This thesis focuses on the influence of edge damages introduced by the patterning process on the magnetic switching of spintronics nanodevices. Two typical magnetic switching have been investigated: (i) field-induced switching in magnetic nanodots with perpendicular magnetic anisotropy (PMA) and (ii) current-induced switching in Magnetic Tunnel Junctions (MTJ) with in-plane magnetization. Along this line, we first have developed the full nanofabrication process for both magnetic nanodots down to 400 nm and MTJ nanopillars down to 100 nm using conventional electron beam lithography, ion beam etching and lift-off approach. By studying the switching field distribution (SFD) of magnetic nanodots using Kerr image microscopy, we show that the magnetization reversal is dominated by the nucleation and pinning of Domain Walls (DWs) at the edges of the nanodots due to the damages induced by the patterning process. For MTJ nanopillars, we show that by using SiO2-based insulator material for encapsulation, unexpected resistive Si filaments are formed at the edges of the MTJ. These Si filaments exhibit resistive switching, which allows us to demonstrate for the first time a heterogeneous memristive device, namely resistively enhanced MTJ (Re-MTJ) that combines magnetic and resistive switching. We discuss the potential application for Re-MTJ as a logic-in-memory device with memory encryption function.

Composition du jury proposé

Rapporteur     M. Dimitrii Krizhanovskii, University of Sheffield, Royaume-Uni

Rapporteur     M. Mark Oliver Goerbig, LPS, Université Paris-Sud

Examinatrice  Mme. Hannah Price, University of Birmingham, Royaume-Uni

Examinateur   M. Jean Dalibard, Collège de France

Examinateur   M. Mathieu Bellec, LPMC, Université de Nice-Sophia Antipolis

Directrice de thèse       Mme. Jacqueline Bloch, C2N

Encadrant de thèse   M. Alberto Amo, PhLAM, Lille

Abstract

The engineering of Dirac matter using photonic materials opens unhindered opportunities to explore unconventional transport and novel topological phases. Thanks to the direct optical access to the spatial and momentum wavefunctions and spectrum exciton polaritons in semiconductor microcavities appear as an extraordinary platform to emulate 1D and 2D Hamiltonians, including Dirac Hamiltonians.

By etching a GaAs-based microcavity, a honeycomb lattice for polaritons has been fabricated. The lowest two bands of this structure emulate for photons the π and π* bands of graphene. Remarkably, the system also permits exploring orbital degrees of freedom, inaccessible in actual graphene.

In the first part of this thesis a polariton emulator is used to address the physics of edge states in a honeycomb lattice. New edge states, with flat and dispersive bands, have been discovered and visualised in orbital graphene.

In the second part of the thesis we demonstrate experimentally a method to tailor the Dirac dispersion for photons. By implementing uni-axial strain in the honeycomb lattice, Dirac photons that combine zero, finite and infinite effective masses are created.

The experimental and theoretical results here presented open new perspectives for the engineering of interfaces between photonic lattices with different types of Dirac dispersions. Furthermore, the excitonic component of polaritons assures sensitivity to external magnetic fields, providing the possibility to break the time reversal symmetry of the system and to study photonic topological edge states in exotic Dirac cones. Finally, nonlinear Dirac physics can be probed in this system owing to polariton-polariton interactions

Composition du jury proposé

ESTOUCHES, Université de Saint-Etienne, LHC, Rapporteure

Emmanuel CENTENO, Université de Clermont-Ferrand, Institut Pascal, Rapporteur

Elizabeth BOER-DUCHEMIN, Université Paris Sud, ISMO, Examinatrice
Olivier GAUTHIER-LAFAYE, Université de Toulouse, LAAS, Examinateur
Kevin HEGGARTY, Télécom-Bretagne, IMT Atlantique, Examinateur
Giovanna CALO, Université de Bari, Examinatrice
David BARAT, Groupe PSA, encadrant
Béatrice DAGENS, Université Paris Sud, C2N, Directrice de thèse

Résumé

Les travaux de cette thèse ont porté sur la conception et la réalisation d'un dispositif d'éclairage surfacique à géométrie planaire à base de structures plasmoniques, pour révéler un hologramme à la longueur d’onde de 633nm. Ce dispositif sera capable de convertir la lumière cohérente d’une diode laser en un faisceau de sortie large et uniforme, collimaté et avec un angle prédéfini par rapport au plan du dispositif.
Pour réaliser ce dispositif, la solution envisagée est l'utilisation d'un réseau de guides d'onde diélectriques pour répartir la lumière sur la surface, et de chaînes de nanostructures d'argent couplées aux guides, dimensionnées comme des antennes pour réémettre la lumière hors du plan.
Les travaux réalisés ont mis en évidence le contrôle du couplage entre le guide d'onde et la chaine de nano-structures d'argent, modulable par plusieurs paramètres dans une gamme comprise entre 10% et 90 %: nombre de particules, dimensions des particules, distance entre le guide et les particules. En jouant sur la période de la chaine, il est possible d'obtenir un rayonnement hors-plan, avec un angle déterminé par la formule des réseaux de diffraction.
Des émetteurs élémentaires, composés d’un guide et de chaines de particules, ont été fabriqués en salle blanche et caractérisés sur un banc d’optique guidée à l'aide d'un montage de projection dans le plan de Fourier. Les diagrammes de rayonnement expérimentaux sont en accord avec les simulations. De premiers résultats ont également confirmé expérimentalement la possibilité de moduler le couplage guide-chaine en modifiant les dimensions des particules.
Enfin le réseau de guides d'onde a été dimensionné pour une surface émettrice de 1 cm² et fabriqué en lithographie par projection. Les pertes linéiques mesurées dans les guides d'onde sont de l'ordre de 5 dB/mm. Plusieurs optimisations peuvent être réalisées pour améliorer la qualité des guides. A partir des données expérimentales obtenues et des simulations de propagation de faisceau, une configuration réaliste de dispositif d’éclairage incluant le nombre et le positionnement des émetteurs sur le réseau de guides a été proposée. L’ensemble des travaux réalisés valident l’approche choisie.

Cette thèse est consacrée aux recherches des propriétés statiques et dynamiques des parois de domaines magnétiques (DW pour Domain Wall) dans les nanofils CoFeB. Un système de mesure basé sur un microscope Kerr à haute résolution a été mis en place et utilisé pour ces recherches. Tout d'abord, les phénomènes liés à la tension interfaciale des parois ont été étudiés. La contraction spontanée des bulles de domaine a été observée directement en utilisant le microscope Kerr. Ce phénomène a été expliqué en utilisant le concept de la pression de Laplace due à l'énergie interfaciale des parois. L'énergie interfaciale des parois a été quantifiée en mesurant le champ externe nécessaire pour stabiliser ces bulles. Le mécanisme de la piégeage et de la dépiégeage des parois dans certaines géométries artificielles, comme la croix de Hall ou l'entrée reliant un carré de nucléation et un fil, a été expliqué en utilisant le concept de tension interfaciale des parois et a été utilisé pour extraire l'énergie interfaciale des parois. Bénéficiant de ces études, une méthode permettant de quantifier directement le coefficient des Interactions de Dzyaloshinskii- Moriya (DMI pour Dzyaloshinskii- Moriya Interaction) à l'aide du microscope Kerr a été proposée. En outre, un nouveau type de capteur magnétique basé sur l'expansion réversible de paroi en raison de la tension interfaciale a été proposé et vérifié en utilisant des simulations micromagnétiques. Deuxièmement, les propriétés dynamiques des parois dans le film et les fils Ta / CoFeB / MgO ont été étudiées. La vitesse du propagation des parois induite par le champ magnétique ou par l'effet combiné des impulsions de champ magnétique synchronisées et des impulsions de courant électrique a été mesurée. En régime précessionne, la vitesse du mouvement DW induite par l'effet combiné du champ et du courant est égale à la superposition des vitesses entraînées par le champ ou le courant indépendamment. Ce résultat nous a permis d'extraire la polarisation de spin de CoFeB dans cette structure. Les effets de piégeage du mouvement des parois dans les fils étroits ont été étudiés. Des champs de dépiégeage associés aux gros défauts pour le mouvement des parois induit par champ dans les nanofils a été mesurée. Il a été constaté que les effets de piégeage deviennent plus sévères lorsque la largeur w des fils diminue. Une relation linéaire entre le champ de piégeage et 1/w a été trouvée. L'origine de ces sites d'ancrage durs ainsi que leurs influences sur la vitesse de mouvement des parois ont été discutées. En outre, il a été constaté que l'effet d'épinglage était amélioré lorsque le courant était appliqué, quelle que soit la direction relative entre le mouvement des parois et le courant. Cet accroissement pourrait être expliqué par l'effet du courant de Hall de spin de la sous-couche (Ta). Bien qu'il n'y ait pas eu de DMI ou de champ planaire, le courant de Hall de spin, polarisé dans la direction transversale, peut exercer un couple sur la parois de type de Bloch, une fois que la paroi s'éloigne de la direction transversale. Enfin, un dispositif mémoire de circuit en forme d'anneau basée sur le travail combiné de STT et SOT a été proposée. Comparée à la mémoire de piste traditionnelle en forme de ligne, cette mémoire en forme d'anneau permet au paroi de demaine de se déplacer dans un nanofil en forme d'anneau sans être éjecté, évitant ainsi la perte des informations associées. Le travail de conception et d'optimisation a été réalisé avec des simulations micromagnétiques.

Mots- clés : parois des domaines magnétiques,fil de CoFeB,courant polarisé,mouvement des parois,tension interfaciale,

Composition du jury proposé

            M. Alain BOSSEBOEUF  Université Paris-Sud  Directeur de thèse

            M. Didier THERON IEMN Rapporteur

            M. Tarik BOUROUINA ESIEE Rapporteur

            Mme Rose-Marie SAUVAGE Direction Générale de l'Armement Examinateur

            M. Benoît CHARLOT  IES, Institut d'Electronique et des Systèmes CNRS UMR 5214 / Université Montpellier Examinateur

            M. Raffaele COLOMBELLI Université Paris-Sud Examinateur

            M. Olivier LE TRAON ONERA - Centre de Châtillon - Université Paris-Saclay Invité

Résumé

Un microgyromètre 3 axes permet avec une structure unique de mesurer la vitesse de rotation d’un objet autour des trois axes de l’espace. Les microgyromètres 3 axes existants sont peu nombreux et typiquement résonants, fabriqués en technologie silicium par micro-usinage de surface, à transductions électrostatiques, et conçus pour des applications de fort volume ou la taille et le coût sont des critères majeurs. Dans cette thèse nous avons étudié la transduction et le procédé de fabrication d’un gyromètre résonant 3 axes à actionnement et détection piézoélectriques, fabriqué par micro-usinage de volume dans du GaAs semi-isolant, et dont les performances sont potentiellement très supérieures à l’état de l’art tout en conservant une taille et un coût limité. Ce microgyromètre nécessite une transduction piézoélectrique 3D et un routage des connexions électriques qui ont été modélisés et optimisés pour réduire les couplages parasites entre les modes de détection et le mode pilote. Un procédé original de fabrication collective du microgyromètre a été développé, modélisé et caractérisé. Ce procédé utilise notamment une gravure ionique réactive très profonde et traversante du GaAs dans un plasma BCl3-Cl2. Il est démontré pour la première fois qu’une gravure anisotrope traversante de tranchées de 450 µm de profondeur peut être réalisée grâce à une optimisation des paramètres de gravure et à l’utilisation d’un masque en résine. Un procédé original de dépôt et de délimitation d’électrodes Au/Cr sur les flancs verticaux d’une structure gravée par évaporation sous incidence oblique avec rotation du substrat et à travers un masque pochoir en film sec photosensible a aussi été étudié en détail. Une caractérisation fine de la structure cristalline, de la résistivité et des contraintes mécaniques avant, pendant et après recuit des couches Au/Cr poreuses évaporées sous incidence oblique a été menée. Des microgyromètres complets avec tout le système de transduction 3D ont été réalisés. Des premières caractérisations par vibrométrie optique hors du plan et dans le plan des gyromètres réalisés démontrent des résultats encourageants. Enfin, différentes voies d’amélioration de la conception et du procédé sont proposées.

Mots-clés :

gyromètre, GaAs, 3 axes, gravure ionique réactive profonde, dépôt oblique, MEMS

Nous avons découvert une méthode originale pour produire une transformation de phase dans les nanofils de Ge et Si (de

structure cubique diamant 3C). Sous l’action d’une contrainte externe à

chaud, des nanodomaines de structure hexagonale diamant 2H se forment de manière quasi-périodique le long du fil ce qui résulte en un réseau 1D

d’hétérostructures 3C/2H. Dans ce contexte, ce projet de thèse vise à mettre en lumière les mécanismes de cette transformation de phase et à caractériser les propriétés physiques de la phase 2H. Nous avons mis en place des analyses structurales systématiques dans les nanofils de Ge et Si-3C/2H pour mettre en évidence les paramètres clés de la transformation de phase. Les nanodomaines 2H sont formés dans des bandes de cisaillement de direction <2-5-5>. Une relation d’orientation a été mise en évidence : <1-10>3C//<-2110>2H et (110)3C//(0001)2H  et les bandes 2H reposent majoritairement sur les plans d’interface (115)3C. Les études préliminaires montrent que la contrainte de cisaillement et le budget thermique sont nécessaires à la transformation avec une température seuil minimale de 350°C et 500°C pour le Ge et le Si respectivement, ces conditions sont caractéristiques d’une transformation martensitique. Les paramètres clés identifiés sont : l’orientation cristallographique et le diamètre des nanofils. Dans les nanofils de Si, la formation des bandes de cisaillement et donc des domaines 2H est induite par la composante de contrainte de cisaillement dans la direction de glissement du plan interfacial 3C/2H. D’après ces résultats, la transformation de phase serait compatible avec un mécanisme de relaxation plastique via la formation des bandes de cisaillement [5-5-2](1-15)2H. Nous avons réalisé des mesures Raman sur nanofil unique de Ge- et Si-3C/2H pour caractériser les modes de phonons optiques. Dans le Ge, nous avons détecté deux pics à 288 cm−1 et 301 cm−1 attribués aux modes E2g et F2g + E1g + A1g. Dans le Si, nous avons observé trois pics à 498, 515 et 520 cm−1 respectivement associés aux modes E2g, E1g et A1g + F2g. Ces valeurs coïncident avec les calculs reportés. Nous avons également mesuré les largeurs de bandes interdites dans les nanofils de Ge-3C/2H par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier : nous avons obtenu un gap direct à 0,58 eV attribué à la phase 2H et un gap indirect à 0,72 eV qui proviendrait vraisemblablement de la phase 3C. Ces valeurs constituent les premières mesures expérimentales du gap de la phase 2H et vont dans le sens des calculs théoriques qui prédisent un gap étroit et direct.

La phase 2H peut aussi être obtenue dans le massif de Si et Ge après décompression dans une cellule à enclumes de diamant menant à la phase BC8 qui se convertit à température ambiante (dans le Ge) ou à chaud (dans le Si) en phase 2H. Afin de comparer les propriétés du massif, nous avons réalisé des mesures in-situ par spectroscopie Raman et par diffraction des rayons X dans le massif en étudiant différents chemins de décompression. A température ambiante, nous obtenons soit la phase Ge-ST12, soit un mélange des phases Ge-ST12 et Ge-BC8 en fonction de la vitesse de décompression. La nucléation de la phase 2H est donc complexe car elle dépend fortement du chemin de décompression et des conditions hydrostatiques dans la cellule. Ces études révèlent de plus un effet de taille. Dans les nanofils de Ge, nous observons après décompression un retour vers la phase 3C avec une composante amorphe. Les mesures in-situ du gap dans le Ge massif et les nanofils de Ge en fonction de la pression confirment cet effet de taille. Après décompression dans le Ge massif, nous obtenons un gap direct égal à 0,53 eV et un gap indirect valant 0,73 eV. Ces valeurs sont liées à la structure de bandes de la phase Ge-ST12 et s’accordent avec les récents résultats reportés. La mesure dans les nanofils de Ge-3C présente un comportement d’hystérésis, avec le retour vers le gap initial après décompression.

Composition du jury :

Rapporteur : Fabio Sciarrino - La Sapienza University, Rome                   

Rapporteur : Julien Claudon - CEA, Institut Nanosciences et Cryogenie    

Examinateur : Antoine Browaeys - Laboratoire Charles Fabry                     

Examinateur : Wolfgang Löffler - Leiden University                                    

Examinatrice : Eleni Diamanti - Université Pierre et Marie Curie                  

Directrice de thèse : Pascale Senellart - CNRS-C2N                                          

Abstract:

Single photons play a central role as quantum information carriers in quantum networks to connect distant nodes. A promising approach is the realization of efficient atom-cavity interfaces, which allows the deterministic and reversible transfer of information between the flying photons and the stationary atomic quantum bit. In this work, we use light-matter interfaces based on a single semiconductor quantum dot, acting as an artificial atom, deterministically coupled to a micropillar cavity. We show that such a device is both an efficient emitter and receiver of single photons, and can be used to implement basic quantum functionalities.

First, the device is shown to act as a source of single photons, which allows the generation of highly indistinguishable photons with a record brightness. These single-photon sources are then used to investigate path-entangled N00N states and propose a new tomographical method. And finally, we observe optical nonlinearities at the single photon level, and we demonstrate the filtering of single photon Fock states from classical incident light pulses.