Composition du jury proposé

Gilgueng HWANG, CR1, C2N, Université Paris-Sud, Directeur de thèse

Abdul BARAKAT, Directeur de Recherche, LadHyX, Ecole Polytechnique, Rapporteur

Yong CHEN, Directeur de Recherche, Ecole Normale Supérieure,Rapporteur

Harold AURADOU, Directeur de Recherche, FAST, Université Paris-Sud, Examinateur

Michaël GAUTHIER, Directeur de Recherche, AS2M, Femto-st, Examinateur

Abstract :

Au cours du XXe siècle la littérature de science fiction a anticipé le développement de robots si petit qu'ils puissent  entrer dans un corps humain pour y manipuler ses cellules, voir son ADN. Depuis le début du XXI e siècle cette vision prend corps dans le développement de la micro-robotique. Bien que loin d'égaler les prouesses de son alter-ego littéraire, la micro-robotique se développe dans de nombreuses directions et voit son panel d'applications s'étoffer. En parallèle, le développement de la microfluidique permet de disposer d'environnement très contrôlés pour la réalisation de travaux en biologie ou en chimie. Mais cette nature confinée apporte des contraintes quant aux options de manipulation du contenu des puces microfluidiques. Aussi, sans en être à pouvoir travailler in-vivo la micro-robotique peut offrir des options de manipulation mécanique in-vitro en microfluidique. Cette thèse vise le développement d'un micro-robot ayant pour fonction d'offrir des fonctionnalités de manipulations par vortex hydrodynamiques de matériel biologique au sein de puces microfluidiques. Voulant proposer un système complet nous nous sommes intéressé aux quatre parties composant notre micro-robot : le nageur microscopique ayant pour vocation à être intégré dans la puce microfluidique et à générer les vortex de capture ; les puces microfluidiques servant d'environnement de travail pour ce nageur ; l'installation électromagnétique permettant de manipuler le nageur par le biais de champs magnétiques ; et le logiciel informatique pilotant le robot. Les micro-nageurs proposés sont capables de se déplacer en deux comme en trois dimensions tout en étant capable de capturer, et donc de manipuler, des particules d'une dizaine de micromètre de diamètre sur des distances de plusieurs millimètres. Nous n'avons malheureusement pas eu la possibilité d'aller jusqu'à la preuve de concept avec du matériel biologique, mais nos démonstrations sur des particules de polystyrène sont très encourageantes. Les puces microfluidiques ont vu deux développements successif. Un premier consistant à les rendre plus adaptées à des travaux biologiques à long terme par l'ajout de valves pneumatiques et d'option d'oxygénation sur des puces à intégration temporaire du nageur. Un second visant à rendre les puces plus rapide et facile à fabriquer avec une intégration définitive du nageur, pouvant servir dans le cas d'études à fort besoin matériel, comme les études statistiques. L'installation électromagnétique a été étudiée pour pouvoir être intégrée dans des configurations géométriques complexe avec comme exemple une intégration réussi dans un microscope inversé, outil très utilisé dans les laboratoires de biologie. Enfin nous avons développé un logiciel de contrôle visant à offrir à notre robot une interface utilisateur facile à employer et des fonctionnalités automatisées d'analyse vidéo et de contrôle du nageur sur une simple acquisition d'image en deux dimensions. Nous espérons que ces travaux pourront servir d'étape significative vers une application de la micro-robotique en biologie ou en médecine.

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Composition du jury :

Dominique DÉBARRE, Directeur de Recherche Émérite, C2N, CNRS/Université Paris-Sud, Directeur de thèse

Étienne BUSTARRET, Directeur de Recherche, Institut NÉEL, CNRS/UGA, Rapporteur, Ioan POP, Docteur ,Karlsruher Institut für Technologie

Rapporteur

Jérôme LESUEUR, Professeur, LPEM, ESPCI, Examinateur

Eduard DRIESSEN, Chargé de Recherche, Institut de Radioastronomie Millimétrique, Examinateur

Florence LÉVY-BERTRAND, Chargée de Recherche, Institut NÉEL, CNRS/UGA, Examinatrice

Thierry KOCINIEWSKI,  Maître de Conférences, GEMAC, UVSQ, Examinateur

Francesca CHIODI, Maître de Conférences, C2N, CNRS/Université Paris-Sud, Encadrante

Hélène LE SUEUR, Chargée de Recherche, SPEC, CEA/CNRS, Encadrante

Résumé :

Cette thèse étudie les propriétés de transport à haute fréquence du silicium très fortement dopé au bore. Ce matériau, le Si:B, est obtenu par un dopage hors équilibre, à l’aide d’un recuit laser ultra-bref, d’échantillons de silicium immergés dans une atmosphère gazeuse contenant du bore. Ce recuit particulier, permettant d’atteindre des concentrations actives très importantes, jusqu’à 10 at.%, au-delà de la limite de solubilité, permet de faire apparaitre le caractère supraconducteur du Si:B, de type BCS en limite sale, dont la transition se situe autour de 0,5 K. La technique de dopage, en lien avec les propriétés structurales des couches fines synthétisées, est détaillée. Le transport en courant continu est abordé, en particulier pour les couches les plus fines et en fonction de la forme de l’impulsion UV du laser de dopage. La méthode d’étude de l’impédance de surface du matériau à haute fréquence choisie est la mesure résonante. Des résonateurs sont construits par gravure des couches de Si:B. Ils sont refroidis pour étudier leur transmission dans l’état supraconducteur. La forte inductance cinétique de surface, prévue à partir des paramètres de transport continu, est mesurée dans la gamme attendue, entre 80 et 500 pH/sq. La dépendance en température est étudiée et montre, à quelques déviations près, un comportement suivant la théorie de Mattis et Bardeen. Une non linéarité très importante est découverte, plusieurs ordres de grandeur au-dessus des prévisions données par le modèle du depairing.

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Composition du Jury :

Adeline Crépieux, Maître de conférences, Université d’Aix-Marseille (CPT, UMR-7332), Rapportrice

Clemens Winkelmann, Maître de conférences, Institut Néel (NEEL, UPR-2940), Rapporteur

Marco Aprili, Directeur de recherche, CNRS (LPS, UMR-8502), Examinateur

Pascal Degiovanni, Directeur de recherche, CNRS (LPENSL, UMR-5672),Examinateur

Gwendal Fève, Professeur, ENS Paris (LPENS, UMR-8023), Examinateur

Frédéric Pierre, Directeur de recherche, CNRS (C2N, UMR-9001), Directeur de thèse

Anne Anthore, Maître de conférences, Université Paris Diderot (C2N, UMR-9001), Encadrante

Abstract:

L'interaction de Coulomb influence fortement toutes les propriétés de transport des circuits composites quantique à basse température. Dans cette thèse, nous étudions les fluctuations de courant et le flux de chaleur dans un circuit quantique, composé de plusieurs canaux de conduction élémentaires. Nous utilisons les mesures combinées des corrélations croisées et des autocorrélations des fluctuations de courant, ce qui nous permet d'extraire séparément, d'une part, le bruit de grenaille provenant du partitionnement des électrons via un canal partiellement transmis et, d'autre part, la température des électrons dans le dispositif. Nous commençons notre investigation dans le cas où un canal quantique élémentaire arbitraire est inséré dans un circuit linéaire. Dans ce cas, nous établissons expérimentalement une relation reliant la suppression de conductance induite par l'interaction de Coulomb et la variation du bruit de grenaille en fonction de la tension. Deuxièmement, dans le même circuit, nous mesurons le bruit de grenaille au travers d'un canal élémentaire unique résultant du transfert de charges induit par un pur gradient thermique. Troisièmement, nous étudions l'effet de l'interaction de Coulomb sur le flux de chaleur électronique. Dans un circuit composé exclusivement de canaux balistiques, nous démontrons expérimentalement le blocage de Coulomb de la chaleur systématique de l'un des canaux. Au-delà de la limite balistique, nous observons un nouveau mécanisme sur le flux de chaleur relié à la fois au partitionnement électronique à travers un canal non balistique et à l'interaction de Coulomb.

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Anne-Marie HAGHIRI-GOSNET, DR1,CNRS (C2N-UMR9001), Directeur de thèse

Yong  CHEN, Directeur de Recherche, ENS (UMR8640), Paris,Rapporteur

Katia  GRENIER,Chargé de Recherche,CNRS (LAAS), Toulouse,Rapporteur

Claire  SMADJA, Professeur des Universités, Université Paris Saclay Institut Galien (UMR8612),Examinateur

Jumana  BOUSSEY, Directeur de Recherche, CEA - LETI (LTM),Examinateur

Jean GAMBY, Chargé de Recherche, CNRS (C2N-UMR9001), Examinateur

Isabelle LE POTIER, Maître de Conférences, CNRS (C2N-UMR9001),Invité

Stéphane GUILET, Ingénieur de Recherche, CNRS (C2N-UMR9001), Invité

Détecter des biomolécules à l’état de traces reste l’un des enjeux actuels des biopuces. Les dispositifs nanofluidiques apparaissent aujourd’hui comme une voie prometteuse pour simultanément concentrer et détecter des biomolécules. Cette électro-préconcentration est possible grâce au caractère de perméabilité sélective de la nanofente (ou du nanocanal), qui se comporte sous champ électrique comme un «super-filtre» moléculaire à perméabilité sélective. Ce nanofiltre permet de piéger les analytes en amont ou en aval de la fente, dans l’un ou l’autre des réservoirs (anodique ou cathodique).
Au cours de ce doctorat, j’ai développé et étudié des dispositifs nanofluidiques sur la base de deux géométries différentes : des nanofentes horizontales uniques et des réseaux de nanocanaux verticaux, dans une géométrie de code-barres.
Pour les nanofentes horizontales, j’ai étudié l’évolution de la conductance en fonction de la force ionique et de la géométrie de la nanofente. Sur la base d’un protocole d’électro-préconcentration assistée en pression, j’ai établi des diagrammes « champ électrique/pression » qui permettent de prédire l’obtention d’un point focal stable où les analytes vont se concentrer. J’ai étudié le rôle de la longueur de la nanofente sur l’observation de ce point focal pour deux molécules modèles, la fluorescéine et l’ovalbumine.
Pour les dispositifs à code-barres, j’ai mis au point un procédé de nanostructuration par lithographie électronique couplée à de la gravure profonde et un protocole de collage verre-verre. Les diagrammes « champ /pression » obtenus pour différentes nanofentes au sein des codes-barres dynamiques permettent de discuter du rôle de la géométrie sur l’observation du point focal.

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Composition du jury proposé

M. Eric CASSAN Université Paris-Sud Directeur de thèse

M. Christophe GALLAND École polytechnique fédérale de Lausanne Rapporteur

M. Wim BOGAERTS Ghent University Rapporteur

M. Laurent LABONTÉ Université Côte-d'Azur Examinateur

Mme Ségolène OLIVIER Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives Examinatrice

M. Philippe  GRANGIER Institut d'Optique Graduate School Examinateur

M. Carlos ALONSO-RAMOS Université Paris-Saclay Invité (Co-encadrant)

Résumé :  

La photonique silicium est un domaine prolifique de l’optique intégrée. Elle permet de miniaturiser de nombreuses fonctionnalités optiques, l’émission laser (en considérant les stratégies d’intégration hybride), la modulation électro-optique, le routage, la détection, pour les télécoms, les LIDAR ou la spectroscopie, la métrologie, les capteurs et laboratoires sur puce, toute en produisant à grande échelle avec une grande précision et à bas coût. L’optique quantique, quant à elle, souffre d’une grande sensibilité aux vibrations et à l’environnement. Les montages optiques nécessitent stabilité, alignement parfait et un grand nombre d’éléments optiques, ce qui limite son développement à grande échelle. Inversement, tous ces aspects sont naturels en photonique intégrée. Le développement de la photonique quantique est ainsi susceptible de permettre l’implémentation à large échelle de systèmes de clés de cryptage pour les télécoms et le calcul quantique. Les prérequis de la photonique quantique sont globalement plus sévères que ceux de la photonique classique. La génération d’états quantiques nécessite notamment un niveau de réjection de la pompe de plus de 100 dB ; le niveau de bruit photonique ambiant sur la puce est également un facteur à soigner particulièrement dans la mesure où les paires de photons générées par les processus quantiques sont par principe de très faible puissance. Dans ce contexte, cette thèse aborde le développement de composants et de circuits pour la photonique quantique silicium. Le but est de générer des états intriqués en énergie-temps et de pouvoir les manipuler sur une puce. Cela va de la conception à l’utilisation des paires de photons, en passant par la fabrication des circuits intégrés optiques. La qualification des propriétés quantiques est aussi explorée afin de cerner les limitations de la plateforme silicium pour le domaine applicatif visé. L’esprit de ce travail est également de proposer des solutions restantes compatibles avec les canaux de télécommunications standard (ITU), de n’utiliser que des composants fibrés standards pour les connexions à réaliser, tout en restant le plus compatible possible avec les techniques de fabrication industrielle des  fonderies microélectroniques afin de permettre une future production à grand échelle des circuits photoniques quantiques.

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Composition du jury:

Agnès Maître Institut des NanoSciences de Paris, Rapporteur

Nicolas Bonod Institut Fresnel, Rapporteur

Jean-Jacques Greffet Laboratoire Charles Fabry, Institut d’Optique, Examinateur

Yannick De Wilde Institut Langevin, Examinateur

Elizabeth Boer-Duchemin Institut des Sciences Moléculaires d’Orsay, Examinatrice

Jean-Luc Pelouard C2N, Directeur de thèse

Claire Deeb Almae Technologies & C2N, Co-directrice de thèse

Riad Haïdar ONERA, Invité

La forte exaltation de l’interaction lumière-matière au sein de résonateurs optiques présentant un confinement du champ électromagnétique dans un espace nanométrique ouvre la voie à de nouvelles applications dans l'infrarouge, dans les domaines de l’optique, l’opto-électronique, la chimie ou la biologie. La théorie de l’électromagnétisme prévoit que les résonateurs de type métal-isolant-métal présentent un confinement d'autant plus grand que l'épaisseur de l’isolant est faible. Cependant, pour des épaisseurs de l’ordre du nanomètre, les électrons ont une probabilité non-négligeable de passer d’une couche métallique à l’autre par effet tunnel. Cet effet quantique qui remet en cause leur description dans la théorie classique, a été mis en évidence et étudié dans différents types de résonateurs optiques à nanogap : entre une pointe AFM et un substrat, entre deux nanoparticules, au sein d’une constriction métallique…

Dans cette thèse, nous avons utilisé un nanorésonateur MIM qui, par son empilement de couches solides, permet une bonne maîtrise de la géométrie et de son évolution dans le temps. Son objectif est double : accéder de façon quantitative à la physique mise à l’œuvre et tester son potentiel applicatif. Des procédés de nanofabrication ont été spécifiquement développés et validés par les caractérisations optiques et électriques des nanorésonateurs. Dans le régime quantique, les spectres mesurés en réflexion ne peuvent pas être interprétés par l’approche largement répandue dans la littérature qui introduit un terme de conduction électrique dans l’isolant. De plus le décalage spectral mesuré sous polarisation électrique est très faible (δλ/(λV²) ≈ 3×10^-2V^-2) et de signe opposé aux prédictions de la littérature. Ces résultats mettent en lumière des comportements inexpliqués qui ouvrent la voie à de nouvelles recherches sur les résonateurs optiques à nanogap.

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Alejandro GIACOMOTTI, Chargé de Recherche, Center Nanosciences Et Nanotechnologies - CNRS, Directeur de thèse

Gilles  TESSIER, Professeur des Universités, Université Paris Descartes, Institut de la Vision, Rapporteur

Anne  SENTENAC, Directeur de Recherche, Institut Fresnel, Rapporteur

Stéphanie  PITRE-CHAMPAGNAT, Chargé de Recherche, Imagerie par Resonance Magnetique Medicale et Multi-Modalites, Université Paris-Saclay, Examinateur

Joerg  ENDERLEIN, Professeur des Universités, Georg August University of Göttingen III. Physical Institute Biophysics / Complex Systems, Examinateur

Patrice  GENEVET, Directeur de Recherche, CRHEA, Examinateur

Nathalie  WESTBROOK, Professeur des Universités, Institut d’Optique, Examinateur

Sophie  BOUCHOULE, Directeur de Recherche, Center Nanosciences Et Nanotechnologies - CNRS, CoDirecteur de thèse

In recent years there has been a significant effort to push electromagnetic metasurfaces with the ability to abruptly change light properties into visible wavelengths. These advancements have opened a new range of possibilities to reshape light using ultra-thin optical devices and there is one field that is starting to gather attention: bioimaging. One technique particularly well suited for the study of molecules near a cell membrane is Total Internal Reflection Fluorescence (TIRF) microscopy, which relies on an evanescence field created by light being totally internally reflected within a glass substrate due to its high incidence angle. As of today, TIRF is generally implemented using bulky high-NA, small field of view oil objectives.

In this project we present the realization of metasurface-based TIRF microscopy substrates consisting of periodic 2D arrays of asymmetric structures fabricated in titanium dioxide on borosilicate glass. These patterns, as small as 48nm, were optimized through rigorous coupled-wave analysis to couple 50-90% of the incoming normally incident light into the first diffraction order, which outputs at an angle that suffices total internal reflection in water and eliminates the requirement for high NA objectives or prisms to achieve TIRF. Being able to utilize lower-magnification air objectives and having a large evanescence field area provide unique TIRF conditions not accessible by traditional methods. Additionally, these structures are compatible with soft UV nanoimprint lithography, for cost-effective scale production, to give TIRF’s high contrast, low photodamage and low photobleaching capabilities to inexpensive wide-field microscopes

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Eric CASSAN, Professeur, Université Paris-Sud, Directeur de thèse

Régis BARILLE, Professeur, Universite Angers/CNRS UMR 6200, Rapporteur

Béatrice DAGENS, Professeur, Université Paris Sud/CNRS UMR 9001, Examinateur

Xinliang ZHANG, Professeur, Huazhong University of Science and Technology, Examinateur

Liu LIU, Professeur South China Normal University, Rapporteur

Jianjun HE, Professeur, Zhejiang University, Examinateur

Second-order Pockels and the third-order Kerr effects are among the important effects exploited for light modulation and light generation in integrated photonic platforms. To take advantage of these nonlinearities in silicon photonics, especially due to the lack of second order effect in bulk Si, the use of subwavelength optical structures is explored. In this context, this thesis work has focused on two main aspects, including: 1) Exploration of a novel photonic cavity scheme to take benefit of the electro-optical Pockels effect in strained Si structures for the realization of ultra-fast lower-consumption compact silicon modulators; 2) Exploration of a new family of waveguides leading to an automatic satisfaction of energy/momentum conservation for the purpose of Kerr frequency comb generation in integrated photonic platforms.
For improving the performances of integrated silicon resonant optical modulators, we have developed a novel Fano cavity resonator enabled by sub-wavelength engineering, leading simultaneously to high extinction ratio (23 dB) with a small Q factor of only 5600, and characterized by an ultra-low power consumption of less than 5 fj/bit when relying on the free carrier plasma dispersion effect. We have further extended the method to design a strained silicon Fano modulation structure which performances traditionally suffer from the weak amplitude of the exploited strain-induced Pockels effect and from considerable microwave losses due to large footprint components. By means of the proposed ultra-compact subwavelength structured Fano resonator, around 200-fold/60-fold (Q factor of 32000/5600) improvement on the modulation extinction ratio with the same driven voltage was theoretically predicted.
For improving the exploitation of silicon Kerr nonlinearities, we have proposed a novel family of graded index optical waveguides intending to automatically fulfill the energy and momentum conservation laws of four-wave mixing processes. The design of the waveguide section is based on a principle inherited from quantum wells of wave mechanics and concepts inherited from subwavelength structures for the practical realization of the rather particular index profiles. Standing on these specific waveguides in term of light dispersion, we have applied them to the modeling of frequency micro-combs (e.g. frequency combs generated using micro-ring resonators and a CW light source) by solving the nonlinear relevant equations (Lugiato-Lefever) to dynamically analyze the soliton comb spectrum generation process in various configurations. On top of this model, the specifically automatically phase-matched sub-wavelength-enabled graded-index waveguides were considered to trim and extend the bandwidth of silicon soliton frequency combs, demonstrating enlarged bandwidth and improved spectrum design flexibility with respect to previous works.
Overall, one of the dominant features of our study was to contribute to showing that sub-long wavelength photonic structures could provide concrete solutions to problems useful for the realization of on-chip non-linear functions. Subwavelength/nano structures not only benefit to passive photonic circuits which have been intensively developed in the past ten years, but also show strong potentials in the realization of active functions. This subwavelength toolbox is decisive in practice for the concrete achievement of the objectives pursued.

Jury members:

Isabelle ROBERT-PHILIP, Directrice de Recherche, Université de Montpellier, Directeur de thèse

Marc FAUCHER, Chargé de Recherche, IEMN, Rapporteur

Nicolas LE THOMAS, Professeur, Ghent University - IMEC, Rapporteur

Xavier CHECOURY, Professeur, Université Paris Sud, Examinateur

Maria-Pilar BERNAL-ARTAJONA, Directeur de Recherche, FEMTO-ST, Examinateur

High purity reference oscillators are currently used in a wide variety of frequency control and timing applications including radar, GPS, space... Current trends in such fiels call for miniaturized architectures with direct signal generation in the frequency range of interest, around few GHz. Recently, novel optomechanically-enhanced architectures have emerged with this purpose. Such optomechanically-driven oscillators not only generate microwave signals directly in the GHz frequency range with possibly low phase noise but also are amenable to a high degree of integration on single chip settings. This PhD work falls within this scope. The optomechanically-driven oscillator under study consists of suspended photonic crystal cavities coupled to integrated silicon-on-insulator waveguides in a three-dimensional architecture. These cavities harbor highly-confined optical modes around 1,55 µm and mechanical modes in the GHz and most importantly, feature a high phonon-photon spatial overlap, all resulting in an enhanced optomechanical coupling. This enhanced optomechanical coupling strength is here probed optically on photonic crystal structures with optimized design. These cavities are hosted in III-V semiconductor materials whose piezoelectricity enable us to integrate additional tools for probing and controlling mechanical vibrations via capacitive, piezoelectric or acoustic driving. This full control over the mechanical modes and optomechanical interaction, paves the way towards the implementation of integrated injection locking circuits of feedback loops for reducing the phase noise of the oscillator.

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Jury members :

M Alain Le Corre, FOTONS, Rapporteur

M James Connolly, IPVF, Rapporteur

M Andrea Gauzzi, IMPMC, Examinateur

M Wilfried Favre, INES, Examinateur

M Jean Christophe Harmand, C2N, Directeur de thèse

Mme Jara Fernandez Martin, TOTAL,Directrice de thèse 

Abstract :

Terrestrial photovoltaic is dominated by Silicon based devices. For this type of solar cells, the theory predicts an efficiency limit of 29%. With photovoltaic modules showing 26.6% efficiency already, Silicon-based modules is a mature technology and harvest almost their full potential. In this work, we intend to explore another path toward the enhancement of photovoltaic conversion efficiency. Tandem solar cells that consist in stacking sub-cells, allow overcoming the Si efficiency limit. Since solar cells made of III-V semiconductors are good complements to Silicon solar cells, theory predicts that efficiency above 40% is attainable when combining those types of cells. This work focuses on the elaboration of a performant III-V solar cell, compatible for a tandem use.

The first stage of the PhD was to build expertise on phosphide alloys epitaxy with MBE. The influence of the growth conditions on GaInP properties were studied. Then GaInP single junction solar cells were fabricated. The different layers composing the cells were optimized.

P-GaInP is presented as a potential limit of solar cell performance. Indeed, a small diffusion length of the generated carriers was evidenced in this material. A practical solution was proposed and implemented: we designed a cell combining GaInP and AlGaAs in a heterojunction cell. An efficiency of 18.7% was obtained using this structure.