Sujets de Thèses 2014

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1 Sujets de Thèses 2014 Cristaux Phononiques Accordables : application au filtrage en télécommunications et à la furtivité Etude du transport balistique dans les matériaux 2D et leurs applications Développement d un modèle in-vitro d invasion tissulaire par des cellules cancéreuses métastatiques permettant le suivi temps réel et sans marqueur de l invasion Transposition d ordinateur ADN en milieu microfluidique grâce au développement de microsystème d actionnement et de mesure Amélioration des Performances des Caloducs par les Self Rewetting Nanofluides : application au refroidissement des convertisseurs de puissance pour le ferroviaire Contribution de la radio cognitive aux réseaux VANET (Vehicular Applications and Inter-Networking Technologies): adaptation spectrale et allocation dynamique des ressources disponibles Fiabilité des communications par courants porteurs pour une application «bus de capteurs» en environnement avionique Liaisons optiques très haut débit pour transports ferroviaires Synapses artificielles pour calculateurs bio-inspirés Procédés innovants de texturisation et métallisation pour cellules solaires en silicium cristallin Réalisation de modulateurs électro-optiques à base de matériaux polymère pour réseaux d'accès optiques métropolitains Augmentation de la sensibilité des biocapteurs à base de résonance plasmonique: application au dosage de molécules de faible poids moléculaire Contribution à l amélioration des transmissions vidéo dans les réseaux ad-hoc véhiculaire (VANET) Etude théorique de composants semi-conducteurs à transfert électronique pour la réalisation de sources térahertz de puissance à température ambiante Etude des cavités actives dans les nanostructures périodiques à gap de photons Conception d'un filtre acoustooptique multifréquence à sélection de polarisation et compensation de biréfringence. Application à l'imagerie hyperspectrale Démonstration d un Noeud de Réseau de Capteurs sans fils Mécaniquement Souple et Adaptable Design, Fabrication and Characterization of Silicon and SiGe Integrated Thermoelectric Converters - Conception, fabrication et caractérisation de convertisseurs thermoélectriques intégrés en silicium et SiGe Silicon-based THz power sources in nm (Bi)CMOS processes Page04 Page05 Page06 Page07 Page08 Page09 Page11 Page13 Page15 Page17 Page18 Page19 Page20 Page22 Page24 Page26 Page27 Page29 Page31 1

2 Réalisation de circuits MMIC à base de composants HEMT AlGaN/GaN et Page32 InAlN/GaN pour des applications de Puissance en bandes V et W Fabrication top-down et bottom-up et étude des performances de Page34 HEMTs (In,Ga)AlN/GaN à nanorubans en modes d enrichissement et de déplétion Diodes et transistors à effet tunnel résonant Graphène/hBN pour des applications de Page36 puissance RF The Complementary III-V FinFET : a preliminary contribution to sustainable Page38 environment De la dynamique de bouchons liquides dans les réseaux synthétiques au diagnostic et Page40 traitement des maladies respiratoires Cristaux phononiques hypersoniques accordables à base de matériaux hybrides Page42 (organique/inorganique) Simulation à l'échelle atomique de l'auto-échauffement dans les nanodispositifs Page43 Phénomènes moléculaires dans l endommagement de l ADN par rayonnements Page44 ionisants Réalisation de micro-supercapacités à base de silice métallisée Page46 Ingénierie des contraintes des films minces pour le stockage d'énergie pour réseau de Page47 capteurs Environnements Impulsifs dans les réseaux de capteurs Page48 Mesure d énergie dans les réseaux de capteurs Page49 Microstructuration 3D pour le management Thermique et la récupération Page50 électrothermique de l énergie au sein d un nœud de capteur Approche faible consommation de la localisation 3D et la communication pour réseaux de Page51 capteurs en milieu contraint pour les usines du futur Conception avancée de MMICs pour systèmes vectoriels multi-bandes à très haute Page52 précision Système de transmission optique vectoriel Térabit sur fibre optique multimode Page53 polymère Contribution à la réalisation d'un dispositif de dosimétrie temps-réel pour applications aux Page54 rayonnements ionisants de faible énergie Conception de circuits à base d une nouvelle technologie AlN/GaN/AlGaN en gamme Page55 millimétrique sur substrat silicium pour applications télécom Caractérisation du canal radio dans les bandes ISM en environnement industriel Page57 Etude de l influence d un environnement réel sur les performances d un réseau de Page59 capteurs sans fil utilisant une technique de formation de faisceaux collaboratifs Vers une Électronique Radiofréquence souple et biodégradable Page60 2

3 Etudes de structures Ferroics et du couplage ferroélectrique/magnétique. Applications Page61 aux composants accordables à hautes fréquences Etude et réalisation de dispositifs reconfigurables à base de films ferroélectriques pour Page62 applications dans les télécommunications sans fil Instrumentation hyperfréquence basée sur la technique multi-port pour la nanocaractérisation Page63 Nanosources d électronébulisation pour la spectrométrie de masse Page64 Nano-drone volant à aile battante : Optimisation de la structure et de l aérodynamique Page65 Evaluation par voie ultrasonore de l adhésion de dépôts laitiers sur surfaces inertes Page67 Quantification électromécanique de la force d adhésion des cellules biologiques sur un Page69 biomatériau fonctionnalisé Métamatériaux multiphysiques : application aux bâtiments intelligents Page70 Competitive nonreciprocal devices for THz and MWIR frequencies Page71 Antenne plates pour les fréquences terahertz et infrarouge Page73 Metasurfaces aux fréquences terahertz, infrarouge et optique : lentilles et antennes plates Page75 Modulateurs à base de metamatériaux terahertz actifs et leurs applications à l imagerie Page77 et aux communications sans fil Photomélangeur distribué pour la génération d'ondes Terahertz Page79 Photoconducteur en AsGa-BT pour l'échantillonnage de signaux hyperfréquences et Page81 térahertzfonctionnant à =1.55 µm Communications sans fils aux fréquences THz : application à la transmission vidéo hautedéfinition Page83 temps-réel 3

4 Titre : Cristaux Phononiques Accordables : application au filtrage en télécommunications et à la furtivité Financement prévu : Thales Research Technology, Palaiseau Cofinancement éventuel : Région Nord Pas de Calais (Co) Directeur de thèse : Anne-Christine HLADKY, IEMN (UMR CNRS 8520) anne-christine.hladky@isen.fr Co-directeur de thèse : Mai PHAMTHI, Thales RT, Palaiseau mai.phamthi@thalesgroup.com Laboratoire : IEMN, département ISEN, 41 Boulevard Vauban, Lille Groupe de recherche : Acoustique Les cristaux phononiques (arrangement périodique d inclusions dans une matrice) présentent des bandes interdites, bandes de fréquences dans lesquelles la propagation des ondes élastiques est interdite. L apparition de ces bandes est liée à l arrangement, à la géométrie de l inclusion, à la périodicité, mais aussi au contraste entre les matériaux constituant l inclusion et la matrice. Si la première application des cristaux phononiques est l utilisation de ces bandes interdites pour empêcher les ondes de se propager dans une gamme de fréquence donnée, d autres applications en découlent par l introduction de défauts simples ou multiples : filtres coupe bande, passe bande, multiplexage, démultiplexage Cependant, aujourd hui, les propriétés des cristaux phononiques sont établies dès leur conception à partir de la géométrie, des matériaux et du type d arrangement périodique. Les potentialités de ces dispositifs seront accrues grâce à la conception et la réalisation de cristaux phononiques accordables. L introduction de matériaux piézoélectriques dans l arrangement périodique a permis de rendre les cristaux phononiques accordables, grâce à une bande interdite liée à la connexion électrique, dont l accordabilité est élevée et aisée (dépôt de brevet Thales TRT/CNRS). La thèse propose de démontrer expérimentalement le concept pour le filtrage télécom et d explorer les potentialités des cristaux phononiques accordables pour la furtivité. En effet, un problème d actualité est de réduire les phénomènes de diffraction de cibles telles que des coques de sous marins. Ces phénomènes de diffraction sont pour partie induits par la présence de raidisseurs périodiques dans la coque. Le but de la thèse est de proposer une modification des raidisseurs par adjonction d un cristal phononique accordable afin de contrôler les phénomènes de diffraction et de brouiller la signature des cibles. La solution proposée pourra avoir des applications aussi bien dans le domaine de l acoustique sous marine que dans le domaine de l acoustique aérienne pour l isolation acoustique de trains ou d avions ou le contrôle de vibrations. Abstract : Phononic crystals are composite materials made of a periodic arrangement of several elastic materials. Their dispersion curves may present, under certain conditions, absolute forbidden bands e.g. frequency domains where the propagation of elastic wave is prohibited whatever the direction of propagation of the incident wave. This property confers to them potential applications in a wide frequency range, such as pass band filters, stop band filters, or demultiplexing filters. In order to design and fabricate tunable phononic crystals, periodic arrangements based on piezoelectric materials are studied. By the use of a piezoelectric material in the phononic crystal, a band gap related to the electrical connection has been exhibited (Thales/CNRS patent). The aim of the Ph D thesis is first to experimentally demonstrate the concept for telecommunication filtering and then to explore the potentialities of tunable phononic crystals for acoustic stealth. 4

5 Titre : Etude du transport balistique dans les matériaux 2D et leurs applications Financement prévu : Flagship Graphène Cofinancement éventuel : Demande en cours (Co) Directeur de thèse : Henri HAPPY henri.happy@iemn.univ-lille1.fr Co-directeur de thèse : Laboratoire : IEMN Groupe de recherche : CARBON Cette thèse a pour objectif le développement de dispositifs à base de graphène à très haute mobilité pour lesquels le transport électronique est balistique. La première partie du travail de thèse sera dédiée à la fabrication des dispositifs à base de graphène et à l étude de leurs propriétés électroniques grâce à des mesures de transport, sous champs magnétique et à basse température. Cette partie aura comme but la caractérisation des différents types de graphène qui sont synthétisés au laboratoire ainsi que d évaluer l influence de l environnement diélectrique et des différents procédés de nano-fabrication sur la mobilité des porteurs. Dans une seconde phase, il s agira de développer des procédés de fabrication de dispositifs de taille nanométrique. Le choix des substrats ainsi que celle de la couche de passivation sera fait en utilisant les résultats obtenus dans la première partie de travail de thèse. Comme dispositif démonstrateur, on travaillera sur des structures innovantes exploitant la nature des Fermions de Dirac balistique du graphène, mettant en jeu des phénomènes d interférence qui permettent d éteindre la conduction en jouant sur les valeurs de la tension de grille. L objectif ambitieux de ce projet est d atteindre le régime balistique avec du graphène de large taille. Cette thèse permettra de développer un nouvel axe de recherche au sein de l IEMN, qui s oriente vers les propriétés de transport dans le graphène balistique. Cet axe intègrera l activité sur les nouveaux matériaux 2D en cours de développement (h-bn, MoS2) (Projet émergent Graphene and Beyond Graphene). Abstract : The aims of this thesis is to develop ballistic electronics devices based on graphene and related 2D materials. The PhD candidate will first investigate the effect of the dielectric environment and of the fabrication processes onto the graphene mobility. Then, she/he will optimize the fabrication processes needed for the realization of high mobility graphene nano-devices. The last part of the thesis will be devoted to demonstrate a device based on the unique tunneling properties of graphene Dirac fermions. 5

6 Titre : Développement d un modèle in-vitro d invasion tissulaire par des cellules cancéreuses métastatiques permettant le suivi temps réel et sans marqueur de l invasion Financement prévu : Bourse Etablissement (100%) Cofinancement éventuel : (Co) Directeur de thèse : Dominique COLLARD collard@iis.u-tokyo.ac.jp Co-directeur de thèse : Vincent SENEZ vincent.senez@isen.fr Laboratoire : IEMN Groupe de recherche : BioMEMS Le taux de succès du traitement d un cancer primaire est aujourd hui très important. Cependant, la mortalité due au cancer reste grande parce que certaines cellules cancéreuses peuvent quitter le site originel et migrer vers d autres parties du corps en utilisant le système lymphatique et/ou sanguin dans un processus qualifié de métastatique. Au cours de ce processus, les cellules cancéreuses migrent dans le réseau sanguin et/ou lymphatique et adhèrent à certains organes rencontrés lors de leur migration. Les observations expérimentales montrent qu en fonction du cancer originel (ex. foie, poumon, etc ), les cellules métastatiques formeront de nouvelles tumeurs uniquement dans certains autres organes. Ainsi des cellules métastatiques issues du sein ne forment des tumeurs secondaires que dans les os, le foie et les poumons. Il existe différentes hypothèses pour expliquer ces observations : i) affinité (protéine) entre la cellule cancéreuse et la matrice extra-cellulaire de l organe et ii) propriétés mécanique du système vasculaire local à l organe, iii) phénotype de la cellule métastatique. La communauté des cancérologues étudie ces différentes hypothèses pour déterminer des thérapies adaptées. Nous proposons de développer un modèle in-vitro d étude de l invasion d un tissu hépatique et de sa membrane extra-cellulaire par des métastases issues d un cancer du pancréas. Le choix du foie est naturel étant donné qu il est l organe le plus souvent touché par des métastases. Notre approche consiste à concevoir un réseau micro-fluidique mimant le réseau sanguin et permettant d irriguer une co-culture de cellules hépatiques et endothéliales. Ce réseau alimentera le tissu hépatique avec des métastases de pancréas. Le processus de migration de ces cellules métastatiques et d invasion du tissu hépatique sera suivi en temps réel par une technique d impédance électrique. Différentes conditions de culture du tissu hépatique, différentes géométries des canaux seront étudiées pour contribuer à l identification des paramètres importants dans ce processus de développement de tumeur secondaire. Abstract : This PhD project will study the design, fabrication and test of an in-vitro device to study the extravasion of metastatic cells from blood capillary to liver tissue. It will consist in a microfluidic network biomimeting the blood capillaries and feeding liver tissue cultured on a 3D scaffold. The invasive process of the tissue by the metastatic cells will be followed by dielectric spectroscopy. Various culture conditions and geometry of the micro-channels will be studied. 6

7 Titre : «Transposition d ordinateur ADN en milieu microfluidique grâce au développement de microsystème d actionnement et de mesure» Financement prévu : CNRS INSIS Cofinancement éventuel : Région Nord pas de Calais (Co) Directeur de thèse : Lionel BUCHAILLOT lionel.buchaillot@iemn.univ-lille1.fr Co-directeur de thèse : Laboratoire : Institut d Electronique, Microelectronique et Nanotechnologie (IEMN) Groupe de recherche : BioMEMS Les organismes vivants sont capables de traiter de l information de façon extrêmement efficace grâce à des réseaux de réactions chimiques se déroulant à l intérieur de leurs cellules. La capacité de réaliser des systèmes artificiels se basant sur les mêmes principes ouvrent des possibilités importantes dans des domaines tels que l informatique en milieu liquide, les biocapteurs et les systèmes autonomes. L utilisation des capacités d auto-assemblage de l ADN à des fins de traitement d information a commencé en 1994 avec le papier d Adelman. Plus récemment, l approche développée par Y. Rondelez au LIMMS à l avantage d être extrêmement robuste et versatile en se basant sur une combinaison d enzyme et d ADN afin de coder des relations logiques à dessein (via les séquences des bases A,G,C,T choisies pour les différents brins) et donc de réaliser un «ordinateur ADN». Cependant, ces approches issues de la biochimie reposent toujours aujourd hui sur des méthodes de mesures issues de ce champs scientifique afin d interagir avec l ordinateur ADN. Ces dernières fluorescence, injection par pipette, flacon de 20uL ne permettent pas de tirer pleinement partie du potentiel de l ordinateur que cela soit pour des raisons de complexification ou de miniaturisation. Cette thèse visera donc à mettre en place les bases technologiques et scientifiques pour utiliser la microfluidique et des nanocapteurs/microactionneurs à base de nanofils de Silicium et de surfaces fonctionnalisées afin de réaliser une interface électronique-ordinateur ADN bi directionnelle. Abstract : Life possesses a remarkable ability to perform complex computation while relying on networks of intertwined chemical reactions. Replicating this ability is of major importance in fields ranging from unconventional computation to biosensors and smart autonomous systems to cite just a few. Using DNA itself for computation can be traced back to the seminal paper by Adelman in Since then, several other approaches have been developed. The most recent DNA computing framework was developed by Y. Rondelez and relies on a combination of short DNA strands and enzyme to create dynamical system which can be used for computation. Several issues remain in our views to fully exploit these discoveries and turn them into real life technologies. In particular, the ability to interact with and monitor these complex systems is a key requirement for their complexification. This project will thus aim at lifting current scientific and technological barriers which prevent the realization of a programmable DNA computer. We will develop and test novel nano- sensors and actuators to interact with the DNA computer. We will furthermore design and fabricate a microfluidic platform able to integrate this various elements and to manage the liquid function required to perform complex calculation using DNA. 7

8 Titre : Amélioration des Performances des Caloducs par les Self Rewetting Nanofluides : application au refroidissement des convertisseurs de puissance pour le ferroviaire Financement prévu : IRT Railenium Cofinancement éventuel : (Co) Directeur de thèse : Souad HARMAND Souad.Harmand@univ-valenciennes.fr Co-directeur de thèse : Bertrand NONGAILLARD bertrand.nongaillard@univ-valenciennes.fr Laboratoire : TEMPO / IEMN Groupe de recherche : DF2T / MAMINA La gestion thermique représente actuellement un enjeu majeur dans de nombreux secteurs de l industrie. Les caloducs sont des systèmes intégrés qui utilisent des modes de transferts de convection, évaporation et condensation. Ainsi, ils représentent une opportunité idéale pour l application des nanofluides. En effet, l efficacité des échanges de chaleur peut, en particulier être améliorée par l introduction de nanoparticules dans les fluides caloporteurs. Les enjeux technologiques de ce projet sont tout d abord l analyse de l amélioration des performances des caloducs à l aide de l utilisation des nanofluides, en particulier de self rewetting fluids propice à l augmentation de la circulation du fluide au sein du caloduc. L optimisation des performances des caloducs nécessite une meilleure compréhension des phénomènes physiques s y produisant. Dans ce travail, une approche expérimentale originale sera mise en place autour de mesures thermiques, fluidiques et acoustiques. Cette approche de caractérisation croisée par des méthodes expérimentales complémentaires est originale et permettra d apporter des éléments de réponse sur des phénomènes physiques aux interfaces entre nanofluides et micro/nanostructures. Abstract : Heat pipes performances improvement using self-rewetting Nanofluids: application to power converter cooling in the rail industry. Thermal management is an important issue in the field of industry. Heat pipes are integrated systems using convection, evaporation or condensation transfer modes. It represents an interesting application of nanofluids. In fact, the efficiency of heat exchanges can be improved by the introduction of nanoparticles in the fluids. The technological aspects of this project are the improvement of heat pipes performances using nanofluids especially self-rewetting fluids which can improve the circulation of the fluid in the heat pipes. It requires a better comprehension of the physical phenomenon taking place in these heat pipes. Thermal, fluidic and acoustic experiments will have to be achieved. This crossed characterisations approach using complementary methods is original and will make it possible to bring some answers to interrogations about physical phenomena taking place at the interface between nanofluids and micro/nanostructures. 8

9 Titre : Contribution de la radio cognitive aux réseaux VANET (Vehicular Applications and Inter-Networking Technologies): adaptation spectrale et allocation dynamique des ressources disponibles Financement prévu : Bourse du ministère Cofinancement éventuel : (Co)-Directeur de thèse : Martine LIENARD martine.lienard@univ-lile1.fr Co-directeur de thèse : Iyad DAYOUB Iyad.Dayoub@univ-valenciennes.fr Laboratoire IEMN Equipes : COMNUM - TELICE Les systèmes de communications «véhicules à véhicule» ou «véhicule à infrastructure» se multiplient afin d augmenter l efficacité des transports et de minimiser l impact environnemental. Cela soulève des problèmes de cohabitation des systèmes, d interopérabilité entre systèmes et de disponibilité des fréquences. En outre, ces systèmes doivent garantir des exigences de disponibilité, de continuité de service, d hétérogénéité des trafics, de robustesse et de qualité de service des applications visées parfois dans un contexte de forte mobilité et quels que soient les environnements traversés (rural, tranchées, tunnels...). Certaines normes émergentes (IEEE m, IEEE , A-LTE), basées sur la technologie MIMO et celle de multi porteuses OFDM, pourraient répondre aux besoins des VANET (Vehicular Applications and Inter-Networking Technologies) en terme de débit. Alors que les travaux développés actuellement sont généralement basés sur l'emploi d'antennes simples en émission/réception, de nouvelles approches doivent être envisagées afin d'intégrer un schéma à antennes multiples MIMO-OFDM. Cependant, la gestion statique du spectre de fréquence radio qui caractérise actuellement les réseaux de radiocommunications traditionnels conduit à une pénurie de bandes radio disponibles (i.e. une large proportion du spectre alloué n est utilisée que de manière sporadique). La technologie radio cognitive (CR) ou «opportuniste», «consciente» de son environnement est l une des solutions pour l amélioration de la gestion et de l utilisation du spectre radio. L analyse de l environnement radio et l allocation efficace de ressources radio sont parmi les principales techniques permettant de tirer le maximum de bénéfice de la technologie radio cognitive. Nous sommes actuellement impliqués dans un programme de recherche ANR (CORRIDOR) appliquant le concept de radio cognitive (CR) aux transports ferroviaires. Un doctorant en fin de 2 ère année de thèse travaille actuellement sur ce projet ANR en rapport avec ce sujet. Le candidat aura à collaborer avec ce doctorant, dans la mesure où la thèse proposée aura également à prendre en compte le contexte de la CR dans la problématique d allocation de ressources radio et l adaptation spectrale afin de choisir les meilleures bandes de fréquences. Objectifs de la thèse : L objectif final serait dans un premier temps de développer des méthodes et algorithmes d allocation de ressources radio permettant d améliorer les performances de la communication radio cognitive en termes de débit et de qualité de service tout en garantissant la continuité et la qualité de service des réseaux sous licence dans un canal à grande vitesse (i.e. réseau VANET). Dans la seconde phase de valider les algorithmes développés sur des cartes SDR (Software Define Radio) dont nous disposons désormais au laboratoire en vue d une intégration sur une plateforme mise à disposition dans le cadre du projet ANR-CORRIDOR. Bibliographie : 9

10 [1] K. Hassan, I. Dayoub, W. Hamouda., C. Nzeza and M. Berbineau, Blind digital modulation identification for spatially-correlated MIMO systems. IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 11, n. 2, pp , (Feb. 12). [2] K. Hassan, R. Gautier, I. Dayoub, M. Berbineau and E. Radoi Multiple-Antenna Based Blind Spectrum Sensing in the Presence of Impulsive Noise. IEEE Transactions on Vehicular Technology, submitted, March [3] K. Hassan, R. Gautier, I. Dayoub, E. Radoi and M. Berbineau, Predicted Eigenvalue Threshold Based Spectrum Sensing With Correlated Multiple-Antennas, Proceedings of 75th IEEE Vehicular Technology Conference, VTC Spring 2012, Yokohama, Japan, may 6-9, 2012, 1-5, I SBN [4] K. Hassan, R. Gautier, I. Dayoub, E. Radoi and M. Berbineau, Non-parametric Multiple-Antenna Blind Spectrum Sensing by Predicted Eigenvalue Threshold, Proceedings of 2012 IEEE International Conference on Communications, ICC 2012, Cognitive Wireless Networks, Ottawa, ON, Canada, june 10-15, 2012, , ISBN

11 Titre : Fiabilité des communications par courants porteurs pour une application «bus de capteurs» en environnement avionique Financement prévu : Cofinancement éventuel : (Co) Directeur de thèse : Virginie DEGARDIN virginie.degardin@univ-lille1.fr Co-directeur de thèse : Laboratoire : IEMN Groupe de recherche : TELICE Cette thèse s inscrit dans le contexte des avions plus électriques de nouvelle génération, connus sous la dénomination MEA (More Electrical Aircraft). Le remplacement des sources d énergie hydraulique et pneumatique par des sources d énergie électrique conduit à une augmentation de la puissance électrique nécessaire et à un accroissement des besoins de communication entre systèmes, impliquant des câbles et des connexions supplémentaires, avec des conséquences en termes de poids, de fiabilité et de maintenance. Les communications par courants porteurs (CPL) apparaissent comme une solution élégante pour parer à toutes ces difficultés. L application visée dans le cadre de cette thèse est celle d un «bus de capteurs», dans lequel la commande des capteurs et la récupération des mesures avec une datation précise, sont visées. Dans un premier temps, une étude de la transmission commande-capteur sera réalisée en termes de propagation, couplage entre les câbles, et bruit sur les câbles afin de déterminer le rapport signal sur bruit (SNR) de la liaison en fonction des caractéristiques de la ligne (arborescence, nombre de charges/capteur, couplage aux autres lignes, etc.) et du type de coupleur. Dans un deuxième temps, la liaison globale sera étudiée en vue de prédire ses performances en termes de taux d erreurs et de débits grâce à des simulations développées sur Matlab. Une optimisation voire une modification des couches PHY et MAC, proposées dans les spécifications dédiées aux réseaux domestiques ou dans les précédents projets dédiés aux systèmes embarqués véhicules et avioniques, sera étudiée afin de respecter le cahier des charges de l application visée en termes de débit, de temps de latence, de susceptibilité et d émissions pour répondre aux contraintes avioniques. Enfin, une partie réalisation à base de FPGA est envisagée afin de valider les résultats théoriques. Dans une troisième partie, on s intéressera à la possibilité d utiliser le signal CPL dans le cadre de la surveillance du réseau et donc de la détection de défauts. Abstract : This thesis takes place in the context of more electric aircraft of new generation, commonly known as MEA (More Electrical Aircraft). The replacement of energy sources by hydraulic and pneumatic sources leads to an increase in the required electrical power and a growing need for communication between systems, involving additional cables and connections, with consequences on weight, reliability and maintenance. Powerline communications (PLC) appear as an elegant solution to deal with all these difficulties.the targeted application is a "sensor bus", in which the sensor control and measures recovery with a precise dating, are covered. In a first part, a study of the transmission between the master and the sensors is performed in terms of propagation, cables coupling, and noise over the cables to determine the signal to noise ratio (SNR) of the transmission according to the characteristics of the line (tree-shape, the number of charges/sensors, the coupling 11

12 to other lines, etc.) and the type of coupler.in a second step, the overall link will be investigated in order to predict its performance in terms of error rate and throughput through simulations developed in Matlab. Optimization or modification of PHY and MAC layers, proposed in the specifications dedicated to home networks or in previous projects dedicated to vehicles and avionics embedded systems, will be studied in order to meet the specifications of the intended application in terms of throughput, latency, susceptibility and emissions and fulfil the avionic constraints. Implementation on FPGA-based cards is planned to validate the theoretical results. In a third part, we will look at the possibility of using the PLC signal in the context of network monitoring and fault detection. 12

13 Titre : Liaisons optiques très haut débit pour transports ferroviaires Financement prévu : Bourse du ministère Cofinancement éventuel : (Co)-Directeur de thèse : Elhadj DOGHECHE elhadj.dogheche@univ-valenciennes.fr Co-directeur de thèse : Laboratoire IEMN DOAE Equipes : COMNUM - TELICE Ce projet de recherche vise à concevoir et développer un système de communication par voie optique, dédié aux transports ferroviaires en particuliers, avec des matériels roulants soumis à des contraintes sévères. Il est particulièrement axé sur les systèmes de télécommunications très haut débit entre une infrastructure ferroviaire au sol et un matériel roulant. Le cadre général de cette étude concerne le projet OPTIBUS et il s agit d argumenter la solution technologique retenue dans le cadre d un dépôt de projet futur. Dans ce travail de thèse, il s agit de faire l étude globale s agissant des solutions pour le réseau optique embarqué. Au niveau de la spécification et de la conception du réseau embarqué, la liaison embarquée serait basée sur des composants commerciaux fibrés à savoir le modulateur optique, les photodiodes rapides, les connecteurs optiques avec fibre monomode. Une des spécifiés de ces composants réside dans leur tenues en température, la sensibilité au mouvement vibratoire et au vieillissent. La conception du réseau sera basée sur une liaison directe (haut débit 10 Gbit/s) du transpondeur d entrée au transpondeur de sortie. Pour les interconnexions THD (externes inter-caisse/inter-rames et internes), la liaison inter-caisse serait assurée par un système de connectique optique en bout de fibres (i.e. l IEMN possède un savoir faire dans la conception et la réalisation des telles liaisons). La robustesse du dispositif étudié sera fortement corrélée avec l étude vibratoire. Il est envisagé que le cœur de réseau soit embarqué au sein du matériel roulant (alimentation et commutateur). La transmission des signaux lumineux vers chacune des bornes (antennes RoF) sera assurée par des interconnexions optiques (commutateur actif). Le choix de la configuration pour la liaison sera établit au regard des contraintes (i.e. liaisons inter-caisse, point d alimentation, pertes, vibrations) et de la taille du train. La liaison optique haut débit sera caractérisée en mode statique et dynamique à l IEMN, qui possède une expertise forte en la matière. Nous allons nous appuyer sur la plateforme IEMN dont la configuration transport sera définie et complétée à l aide des éléments du banc d essais optique de l IFSTTAR suivant le cahier des charges. Abstract : This PhD proposal concerns the design and the fabrication of a high speed optical fiber transmission link in the frame of transportation, the railway applications. In this research, the global study will be investigated in order to demonstrate the feasibility and the reliability of an embedded network based monomode optical fiber links using commercial components as sources, photodetector, switches and modulators. A specific study will be dedicated to the temperature behaviour as well as the vibration sensitivity. The architecture of the proposed network will be based on a direct optical link (data rate 10Gbit/s) from the input transponder to the output transponder. The high speed optical link will be characterized in terms of static and dynamic modes, at the Institute IEMN and IFSTAR using their respective expertises and experimental platforms. 13

14 Profil du candidat souhaité : Le candidat devra avoir de solides connaissances en physique, en optique, en électronique et dans le domaine du traitement de signal. Il sera amené à réaliser des mesures expérimentales, en particuliers sur des liaisons optiques fibrées réalisées à partir de composants commerciaux. Référence : [1] Elhadj Dogheche, Transmission optique d'un signal analogique hyperfréquence et digital bas débit, Thèse de Doctorat,, Université Lille1 - Sciences et Technologies, soutenue le [2] K. Blary, S. Dupont, JP. Vilcot, F. Mollot, D. Decoster. J. Chazelas. DOS optical switch for microwave optical link based applications, Electron. Lett., 38, 25 (2002) [3] D. Wake, S. Dupont, C. Lethien, JP. Vilcot, D. Decoster, Radio frequency transmission of 32 QAM signals over multimode fibre for distributed antenna system, Electron. Lett., 37, 17 (2001) [4] A. Stolz L. Considine, E. Dogheche, D. Decoster, D. Pavlidis. Prospective for gallium nitride-based optical waveguide modulators, 9th Topical Workshop on Heterostructure Microelectronics, TWHM 2011, Gifu, Japan, august 28-31, 2011, IEICE Trans. Electron., E95-C, 8 (2012) [5] A. Gauthier-Brun, J.H. Teng, E. Dogheche, L. Wei, A. Gokarna, M. Tanouchi, D. Decoster, S.J. Chua; Application of nitride-based semiconductor materials to high speed THz photodiode Photonics Global Conference, PGC 2012, Sentosa, Singapore, December 13-16,

15 Titre : Synapses artificielles pour calculateurs bio-inspirés Financement prévu : Contrat doctoral Ecole Centrale de Lille Cofinancement éventuel : Région Nord-Pas de Calais. (co)directeur de thèse : Pr. Philippe PERNOD philippe.pernod@iemn.univ-lille1.fr (co)directeur de thèse : Pr. Vladimir PREOBRAZHENSKY vladimir.preobrajenski@iemn.univ-lille1.fr Laboratoire : Institut d Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN UMR CNRS 8520) Groupe de recherche : AIMAN-FILMS / Laboratoire International Associé LICS L atteinte très prochaine des limites ultimes de miniaturisation des technologies CMOS et l exorbitante dissipation énergétique des concepts actuels s opposent à l'augmentation de performance de nos systèmes de traitement de l information. Simultanément l impact sur l environnement devient très significatif. Il est indispensable de développer de nouveaux paradigmes de traitement de l information pour permettre la poursuite de l augmentation des performances tout en abaissant de façon drastique l impact environnemental. Les architectures neuromorphiques inspirées du cerveau constituent une voie prometteuse à grande capacité de traitement et grande efficacité énergétique. L IEMN (coté matériel) et le LIFL (coté logiciel) se sont récemment associés pour explorer conjointement ces nouvelles architectures bio-inspirées et développer les composants requis pour leur implémentation. Les modèles actuels impliquent des réseaux artificiels de neurones interconnectés par des synapses dont la plasticité permet un apprentissage. Un tel réseau nécessite le développement d une synapse artificielle, indisponible actuellement. Pour implémenter la synapse, nous proposons dans la présente thèse de développer un memristor à base de nanostructures multiferroiques artificielles, domaine d excellence de notre Laboratoire International Associé LIA LICS/LEMAC de l IEMN. Afin de faire apparaître la fonction de mémoire/plasticité, les phénomènes hystérétiques dans les systèmes magnétiques et/ou électriques du composant seront exploités. Les dispositifs seront explorés sur la base des modèles théoriques et outils de simulation disponibles à l IEMN. Un modèle pouvant être intégré dans les simulations de réseaux neuromorphiques complets du LIFL seront proposés afin de tester les performances et rétroagir sur la conception du composant. L objectif final de la thèse est la réalisation d un démonstrateur d un réseau «hardware» (type crossbar ) d environ 256x256 connexions montrant un apprentissage effectif et applicable à un problème de traitement d image ou de recherche vidéo. Abstract : The limits of CMOS technologies will soon be reached and the tremendous energy dissipation of the current concepts hinders the continuous performance increase of our information processing systems. In the same time, the energetic footprint on the environment becomes significant. It is thus compulsory to find new paradigms for the processing and storage of information to meet our ever-growing needs and reduce the impact on the environment. Brain inspired neuro-morphic architectures are a promising lead for a large processing capability with a high efficiency. The two laboratories IEMN (hardware side) and LIFL (software side) recently started to collaborate to explore these bio-inspired architectures and develop the required components for their implementation. Current models and simulations involve artificial neuron networks that are interconnected with synapses that exhibit plasticity and thus present learning capabilities. Such a network requires an artificial synapse that is not readily available so far. 15

16 To implement such a synapse, our proposal is to develop a memristor component based on artificial multiferroic nanostructures, which are a specialty of our International Associated laboratory LIA LICS/LEMAC at IEMN. In order to induce the memory/plasticity, hysteretic phenomena of the magnetic and/or electric systems will be taken advantage of. The devices will first be explored using the available theoretical and numerical means at IEMN. A model that can be integrated in neural networks simulation tools of LIFL will be proposed so as to test the expected performances and perform a feedback on the device conception. The objective of the doctoral work is the realization of a crossbar prototype with 256x256 connections showing effective learning capabilities with a possible application to image processing or artificial vision. 16

17 Titre : Procédés innovants de texturisation et métallisation pour cellules solaires en silicium cristallin Financement prévu : Région Cofinancement éventuel : Université Lille1 (Co) Directeur de thèse : Jean-Pierre VILCOT jean-pierre.vilcot@iemn.univ-lille1.fr Co-directeur de thèse : Mohammed BOUAZAOUI mohamed.bouazaoui@univ-lille1.fr Laboratoire : IEMN/PhLAM Groupe de recherche : Optoélectronique/Photonique Le sujet traite du développement de procédés de fabrication innovants pour cellules solaires en silicium cristallin. En particulier, il s'agit ici d'explorer deux pistes pour la diminution du facteur de mérite en /W des cellules solaires. D'une part la diminution du coût est envisagée par le remplacement de l'argent contenu dans les métallisations par le cuivre, d'autre part, l'augmentation de l'efficacité des cellules est envisagée par une texturisation de surface ainsi qu'un dimensionnement de la grille de collection des porteurs plus adaptés. L'utilisation de cuivre permet de revoir le procédé de dépôt des électrodes et de remplacer l'étape de sérigraphie actuelle par une étape d'électrolyse. Couplée à une ouverture par laser des passivations de surfaces, ce procédé permet une réelle refonte du procédé de métallisation en en augmentant la résolution tout en en diminuant le coût. L'utilisation d'une texturisation en "pyramides inversées" plutôt qu'en "pyramides" telle qu'utilisée actuellement permet une augmentation substantielle du rendement des cellules, néanmoins aucun procédé n'existe actuellement pour l'effectuer au niveau industriel. La texturisation sera donc vue à la fois au niveau théorique et expérimental pour définir soit de nouvelles formes plus faciles à réaliser soit de nouveaux procédés pouvant être reproduits à grande échelle. Abstract : The PhD work deals with development of innovative fabrication processes for silicon solar cells. Those are particularly focused on the diminution of the /W figure of merit using two ways. The first one targets production cost diminution by the use of copper instead of silver for the grid metallization. The second one aims to increase the cell efficiency using surface texturization and matched collection grid design optimization. The use of copper allows reviewing the deposition process of the collection grid, replacing the serigraphy step by an electroplating one. This is joined to a laser opening of passivation layers that allows reconsidering the grid metallization process in a whole while minimizing fabrication costs. The use of an inverted pyramidal texturization instead of an upright one allows increasing the efficiency of cells but no industrial fabrication process exists. Texturization will be investigated at theoretical and experimental levels to define either new forms that could be more easily fabricated or new processes that could be upscaled. 17

18 Titre : Réalisation de modulateurs électro-optiques à base de matériaux polymère pour réseaux d'accès optiques métropolitains Financement prévu : ANR Cofinancement éventuel : (Co) Directeur de thèse : Jean-Pierre VILCOT jean-pierre.vilcot@iemn.univ-lille1.fr Co-directeur de thèse : Hong-Wu LI hongwu.li@univ-nantes.fr Laboratoire : IEMN/IETR (Nantes) Groupe de recherche : Optoélectronique/Systèmes de communications numériques Il s'agit de fabriquer et caractériser un modulateur électro-optique à base de matériaux polymère. Une majorité du travail de thèse sera d'ordre technologique et consistera à fabriquer un composant en technologie optique intégrée. Le candidat devra donc posséder une volonté expresse de s'investir dans un travail de salles blanches dont une partie, liée à un processus spécifique aux matériaux polymères électro-optiques, sera réalisée dans le laboratoire IREENA de l'ietr situé à Nantes. Environ 1/3 du temps total de la thèse sera consacré à ce point particulier. La partie conception a déjà été globalement faite dans un travail antérieur, il s'agira au candidat de s'imprégner de la physique nécessaire à la conception de manière à pouvoir revenir sur celle-ci en fonction des résultats expérimentaux qu'il obtiendra. Ces derniers seront soit d'ordre technologique, en fonction des solutions qu'il aura développées pour la fabrication des modulateurs, soit d'ordre expérimental en fonction des résultats de mesures qu'il aura effectuées sur les composants. En ce qui concerne les mesures, celles-ci sont relatives aux composants pour télécommunications optiques à haut-débit et concernent principalement la manipulation d'un banc de caractérisation en optique intégrée pour la partie optique et celle d'analyseurs de réseau vectoriels pour la partie microonde. Abstract : The goal is to fabricate and characterize an electro-optical modulator based on polymer materials. The main part of the work will be of technological order and will consist in fabricating a component in integrated optics technology. The candidate will thus have to possess an express will to perform technological fabrication work within clean rooms. A part of this work, connected to a specific process for electro-optical polymers, will be realized in the laboratory IREENA of the IETR located in Nantes. Approximately 1/3 of the total time of the thesis will be dedicated to this point. The design part was almost made in a previous work. Nevertheless, the candidate shall firstly assimilate all the related physical notions so as to be able to make feedback on design according to the obtained experimental results. Those will be of technological order depending on developed processes as well as of experimental order via the measurements of device performance. These later are related to high speed telecommunication devices and concern mainly optical characterization using an integrated optics bench and microwave characterization using vector network analyzers. 18

19 Titre : Augmentation de la sensibilité des biocapteurs à base de résonance plasmonique: application au dosage de molécules de faible poids moléculaire Financement prévu : Contractuel BPI-France Cofinancement éventuel : (Co) Directeur de thèse : Jean-Pierre VILCOT jean-pierre.vilcot@iemn.univ-lille1.fr Co-directeur de thèse : Catherine FOULON catherine.foulon@univ-lille2.fr Laboratoire : IEMN/ Chimie Analytique Groupe de recherche : Optoélectronique Les capteurs à résonance plasmonique de surface sont utilisés pour la quantification d'interactions moléculaires. Lié à son principe physique de base, le dosage de molécules de faible poids moléculaire reste une problématique. Par exemple, dans le cadre du suivi du traitement du diabète, le dosage de l insulinémie devrait être complété par celui du glucagon afin d améliorer l efficacité du traitement par un meilleur équilibre glycémique. Hors à l heure actuelle cette molécule de faible poids moléculaire est difficilement dosable dans un contexte clinique de routine. Nous proposons ici l'étude de différentes méthodes, à la fois physiques et biologiques, permettant d'amplifier la réponse d'un capteur à résonance plasmonique de surface, notamment lors du dosage de petites molécules. Ce travail sera mené en collaboration étroite entre les Universités de Lille1 et de Lille2 en faisant intervenir deux groupes de recherche, spécialisés respectivement dans la conception et réalisation de détecteurs par résonance plasmonique de surface et dans le dosage en milieu clinique à des fins thérapeutiques. Les capteurs seront réalisés puis testés en laboratoire quant à leurs propriétés physiques (IEMN), ce qui permettra, le cas échéant, d'en affiner le retour sur les étapes de conception. Ils seront ensuite testés sur la plateforme à Lille2 en configuration "biologique" en suivant les protocoles établis. Abstract : Surface Plasmon Resonance (SPR) based biosensors are used for the quantification of molecular interactions. Directly linked to its physical basic principle, assay of molecules of low molecular weight reminds a problem. For example, within the framework of the follow-up of the treatment of diabetes, insulin level assay should be completed by that of glucagon to improve the efficiency of the treatment by a better glycemic balance. Currently, this molecule of low molecular weight is difficult to quantify in a clinical routine context. We propose here the study of various methods, both in the physical and biological domains, allowing to amplify the answer of a SPR biosensor, particularly targeting molecule assays. This work will be led in close collaboration between two research groups of the Universities of Lille1 and Lille2, specialized respectively in the design and realization of SPR sensors and in bioassays in clinical environment. Firstly, the sensors will be fabricated then tested for their physical properties (IEMN), what will allow, where necessary, to refine the return on the stages of design. They will then be tested on the platform of Lille2 in "biological" configuration using established protocols. 19

20 Titre : Contribution à l amélioration des transmissions vidéo dans les réseaux ad-hoc véhiculaire (VANET) Financement prévu : Université de Valenciennes et du Hainaut Cambrésis (UVHC) Cofinancement éventuel : Directeur de thèse : François-Xavier COUDOUX s : Francois-Xavier.Coudoux@univ-valenciennes.fr Co-directeur de thèse : Patrick CORLAY s : Francois-Xavier.Coudoux,Patrick.Corlay@univ-valenciennes.fr Laboratoire : IEMN-DOAE UMR 8520 (Institut d Électronique de Microélectronique et de Nanotechnologie, Département Opto-Acousto-Électronique). Groupe de recherche : COMNUM (COMmunications NUMériques) Contexte scientifique : Les réseaux ad hoc de véhicules (VANET) constituent aujourd hui un des domaines d application les plus prometteurs des réseaux sans fil dits ad-hoc, capables de s organiser sans infrastructure prédéfinie. Ces réseaux véhiculaires permettent aux véhicules de communiquer entre eux (Vehicle-to-Vehicle Communication) ou avec les infrastructures au bord de route (Vehicle-to-Infrastructure) et permettront à terme d avoir des routes plus sûres et plus efficaces via l échange d informations opportunes aux conducteurs et aux autorités (police, SAMU,...). En particulier, la transmission de données vidéo dans les VANETs représente un enjeu majeur car l information vidéo va enrichir considérablement la qualité d expérience perçue par l usager et/ou la connaissance de l environnement dans des applications telles que les appels vidéo d urgence, les conditions du trafic routier, les informations touristiques, etc. Toutefois, la transmission de données vidéo dans les VANETs constitue une tâche difficile : les réseaux véhiculaires sont un environnement hostile pour la transmission des données (nombreuses pertes de paquets, mobilité des noeuds,...), tandis que la transmission vidéo est une application exigeante en termes de qualité de service car très sensible aux perturbations sur le canal de transmission, notamment du fait de la compression appliquée aux données vidéo pour réduire la bande passante occupée. Il devient alors nécessaire de mettre en place des stratégies de transmission spécifiques, dites cross-layer, au niveau de la couche application mais aussi réseau voire couche physique afin d optimiser la qualité vidéo en réception. Objectifs de la thèse : Ce sujet de thèse vise à étudier, dans un premier temps, les performances d une transmission de contenus vidéo au sein d un réseau véhiculaire du type VANET. Différents scénarios seront envisagés (densité de nœuds, topologie, mobilité,...) qui s appuieront sur les standards à l état de l art en compression vidéo (H.264 et HEVC) et en transmission VANET (IEEE p, IEEE ). L effet des perturbations sur le canal de transmission sera mesuré et analysé. Le sujet se focalisera ensuite sur la définition de schémas originaux de transmission cross-layer afin d optimiser la qualité vidéo perçue en réception. On s intéressera notamment aux solutions introduites récemment dans les standards de compression vidéo afin de rendre le flux compressé plus robuste vis-à-vis des pertes sur le canal (ordonnancement flexibles des macroblocs, partitionnement de données), et à la façon de les combiner efficacement avec les technologies réseaux dans un schéma de protection inégale des données. Les solutions proposées seront implémentées et leurs performances seront validées par simulation. Pour cela, une plateforme de simulation d un réseau ad-hoc véhiculaire VANET performante et fiable sera développée durant le projet de thèse au sein du laboratoire, qui pourra par la suite répondre aux problématiques rencontrées au sein du groupe de recherche COMNUM. Cette plateforme pourra être développée en collaboration 20

21 scientifique avec les partenaires du projet CPER CISIT (Campus International pour la Sécurité et l Intermodalité dans les Transports). Abstract : This thesis aims to study, at first, the performances of video delivery over VANETs using conventional video transmission schemes. Then, the subject will focus on the development of original cross-layer video transmission schemes with aim to improve the quality of received video. The proposed transmission schemes will include unequal error protection of compressed video data based on a combined source-network-channel approach. The performances of the proposed solutions will be studied through extensive simulations. To do that, an efficient and scalable VANET simulation platform will be developed. This platform will be available as a long-term scientific tool for transport research at IEMN-DOAE. Bibliographie : P. Pinol et al. Evaluating HEVC video delivery in VANET scenarios, Wireless Days, IFIP, 1-6, Nov J-S. Park et al. Vehicular communications: emergency video streams and network coding, Journal of Internet Services and Applications, 1(1), 57-68, D. Krajzewick et al. Recent developments and applications of SUMO - Simulation of Urban MObility, Int. Journal on Advances in Systems and Measurements, 5(3), , I. Fatani et al. Robust train-to-wayside video communications in tunnels using H.264 error-resilient video encoding combined with multiple antenna systems, Transp. Res. Pt. C-Emerg. Technol., 25, , Profil du candidat souhaité : Afin de mener à bien ce travail, il est nécessaire que le candidat ait des connaissances en réseaux de communication numériques, en programmation C/C++. Il est également souhaitable d avoir des connaissances en compression vidéo et en programmation MATLAB. 21

22 Titre : Etude théorique de composants semi-conducteurs à transfert électronique pour la réalisation de sources térahertz de puissance à température ambiante Theoretical study of transferred electron devices for the realization of terahertz power sources at room temperature Financement prévu : Contrat doctoral Cofinancement éventuel : (Co) Directeur de thèse : Christophe DALLE Christophe.Dalle@iemn.univ-lille1.fr Co-directeur de thèse : Jean-Luc THOBEL Jean-Luc.Thobel@iemn.univ-lille1.fr Laboratoire : IEMN Groupe de recherche : Silphyde L'extension du champ d'application des systèmes de traitement de l'information aux ondes sub-millimétriques térahertz (300 GHz-3 THz) nécessite des circuits réalisant les principales fonctions de l'électronique. La réalisation de sources de puissance RF à l'état solide constitue encore aujourd'hui un verrou technologique. Les quelques solutions envisageables (laser à cascade quantique, source optique à battement de signaux laser, multiplicateurs de fréquence, etc.) sont complexes, souvent insuffisamment performantes et peu pratiques d utilisation (nécessitant un dispositif de refroidissement). Dans ce contexte, nous nous proposons d'évaluer les performances potentielles des composants semi-conducteurs à transfert électronique pour la réalisation de sources de puissance fonctionnant à température ambiante dans cette gamme de fréquence. Cette famille de composants comprend les diodes GUNN de structure mésa (verticale) et les transistors à transfert électronique à injection, MESFET ou bipolaire, à homo (BICTED) ou hétérojonction (HeBiCTED). Nous irons jusqu'à l'étude physique de structures distribuées utilisant les propriétés liées à la propagation, l'interaction avec les porteurs de charge et l'amplification d'une onde électromagnétique dans la zone active de la structure. Ce travail sera mené à l'aide d'une modélisation physique numérique temporelle. Elle visera en premier lieu à comparer les résultats de modélisations du transport des charges libres issues de la méthode microscopique (basée sur la méthode de Monte-Carlo) et macroscopique de type énergie-moment (basée sur la méthode des moments appliquée à l'équation de transport de Boltzmann). Cette étude permettra en particulier de déterminer la limite fréquentielle de fonctionnement des structures à transfert électronique. Nous disposons ainsi d'un ensemble de modèles de type 1D, 2D et 3D permettant des approches électrostatique et électromagnétique en ce qui concerne la solution des équations de Maxwell. Les différents aspects de la technologie (en particulier le choix du matériau semiconducteur : GaN, InN, InP, ) et du fonctionnement des structures (mode de fonctionnement de type accumulation et temps de transit, couche dipolaire à simple et multiple transit) seront abordés en relation avec les contraintes électroniques (conditions du transfert de la puissance émise au circuit de charge, adaptation d'impédance) et thermique (rendement, polarisation continue, fiabilité de fonctionnement). Abstract : The development of electronic systems up to terahertz frequencies requires basic circuits realizing the main electronic functions. RF solid-state sources still remains a major stumbling block. The available solutions (quantum cascade laser, optical sources based on laser mixing, frequency multipliers,.etc,) suffer from rather poor performance and complex practical use (device cooling). In this context, we propose to investigate the potential for the realization of RF power sources at terahertz frequencies of Transferred Electron Devices (TEDs), namely : 22

23 mesa structures (Gunn diodes), Transferred Electron transistors : MESFET injection and bipolar injection (homojuntion : BiCTED and heterojunction : HeBiCTED). This study will also address distributed devices based on propagation and interaction with the free carriers and amplification of an electromagnetic wave through the device active zone. This work will be carried out from a general point of view by means of a time domain physical numerical modelling. The goal will be firstly to determine the device RF operating frequency limit by means of a comparative theoretical study performed by both microscopic (based on the Monte-Carlo method) and macroscopic/energy-momentum free carrier transport modelling. We have developed a set of models allowing 1D, 2D and 3D electrostatic and electromagnetic approaches for the solution of the Maxwell equations. The different features of the device RF operation will be investigated in relation with the electronic limitation (impedance matching) and thermal limitation (circuit reliability). 23

24 Titre : Etude des cavités actives dans les nanostructures périodiques à gap de photons Financement prévu : Contrat doctoral Cofinancement éventuel : Directeur de thèse : Joseph GAZALET joseph.gazalet@univ-valenciennes.fr Co-directeur de thèse : Samuel DUPONT Samuel.Dupont@univ-valenciennes.fr Laboratoire : IEMN-DOAE (Institut d Électronique de Microélectronique et de Nanotechnologie, Département Opto-Acousto-Électronique). Groupe de recherche : Opto. / Composants et Systèmes Acousto-Optiques (CSAO). Contexte scientifique : Les cristaux photoniques sont des structures périodiques, nanostructurées qui ont la propriété d inhiber la propagation des ondes optiques dans certaines bandes de fréquences. Ces matériaux font l objet d intenses investigations pour les applications liées au contrôle des photons (modulateurs, capteurs). Ces matériaux permettent de réaliser des modulateurs optiques à grand rendement. Objectifs de la thèse : Le sujet concerne la conception d un modulateur à cavité photonique. La cavité est constituée d un défaut de structure : l absence d un ou plusieurs motifs. Les ondes sont fortement confinées à l intérieur des défauts, il en résulte un facteur de qualité potentiellement très élevé (Q>10 5 ). Ces dispositifs sont aussi très sensibles aux perturbations (acousto-optiques et électro-optiques par exemple). Consécutivement, un composant conçu à partir de ces structures devrait présenter une efficacité de modulation accrue : il devient envisageable de diminuer la puissance des signaux de commande d un ordre de grandeur. Le matériau considéré sera semi-conducteur, qui se prête bien aux réalisations technologiques. Le candidat mettra en œuvre des modèles numériques d optimisation de cavité en tenant compte du caractère multiphysique du problème : évolution du facteur de qualité en présence d une perturbation acousto - électro - optique. Ce sujet s'inscrit dans la continuité des travaux de l'équipe CSAO qui ont donné lieu à publications dont : Appl. Phys. Lett., 101, (2012) Abstract : The subject is related to photonic cavity modulator design. The cavity consists of a structure defect introduced by the lack of one or more unit cell pattern. The waves are strongly confined into the cavity with a potentially very high quality factor (Q>10 5 ). These devices are also very sensitive to additional perturbations (acousto-optic or electro-optical for instance). Consecutively, such a component should exhibit increased modulation efficiencies: it allows decreasing the control signals power by an order of magnitude. The studied devices will be based on semiconductor materials which are well fitted to technological realizations. The candidate will implement numerical models for cavity optimization taking into account the multiphysic character of the problem i.e., the evolution of the quality factor in the presence of an acousto - electro-optical perturbation. This subject falls under the continuity of CSAO team works which led to publications. See for instance, Appl. Phys. Lett., (2012) Bibliographie : 24

25 ROLLAND Q., OUDICH M., EL-JALLAL S., DUPONT S., PENNEC Y., GAZALET J., KASTELIK J.C., LEVEQUE G., DJAFARI-ROUHANI B. Acousto-optic couplings in two-dimensional phoxonic crystal cavities. Appl. Phys. Lett., 101, 6 (2012) S. EL-JALLAL, M. OUDICH, Y. PENNEC, B. DJAFARI-ROUHANI, A. MAKHOUTE, Q. ROLLAND, S. DUPONT, J Gazalet. Optomechanical interactions in two-dimensional Si and GaAs phoxonic cavities. J. Phys.: Condens. Matter GAZALET J., DUPONT S., KASTELIK J.C., ROLLAND Q., DJAFARI-ROUHANI B. A tutorial survey on waves propagating in periodic media: electronic, photonic and phononic crystals. Perception of Bloch theorem in both real and Fourier domains. Wave Motion, 50, 3 (2013) DUPONT S., GAZALET J., ROLLAND Q., KASTELIK J.-C. Acousto-optic couplings in a phoxonic crystal slab L1 cavity. IC-MSQUARE 2013, International Conference on Mathematical Modeling in Physical Science. Septembre , Prague, République Tchèque ROLLAND Q., DUPONT S., GAZALET J., KASTELIK J.C., PENNEC Y. Acousto-optic interaction in 2D LiNbO3 phoxonic crystal. Proceedings of 11th Congrès Français d'acoustique joint with 2012 Annual IOA Meeting, Acoustics 2012, Nantes, France, avril, 2012, paper , , ROLLAND Q., DUPONT S., YUDISTIRA D., GAZALET J., KASTELIK J.C., PENNEC Y. Acoustooptic interaction in photonic and phononic crystals for improved efficiency. Proceedings of 5th International Symposium on Optronics in Defence and Security, OPTRO 2012, Paris, France, february 8-10, 2012, Emerging Technologies II, S05_08, OPTRO , 1-7 OUDICH M., EL JALLAL S., ROLLAND Q., PENNEC Y., DUPONT S., GAZALET J., LEVEQUE G., DJAFARI-ROUHANI B. Enhanced acousto-optic interactions in silicon phoxonic cavities: comparison of opto-mechanical and photoelastic effects Proceedings of 2012 IEEE International Ultrasonics Symposium, IUS 2012, Dresden, Germany, october 7-10, 2012, paper P5H-3. Profil du candidat souhaité : Optique, photonique, physique, électronique. 25

26 Titre : «Conception d'un filtre acoustooptique multifréquence à sélection de polarisation et compensation de biréfringence. Application à l'imagerie hyperspectrale» Financement prévu : Université de Valenciennes et du Hainaut Cambrésis (UVHC) Cofinancement éventuel : (Co)-Directeur de thèse : Jean-Claude KASTELIK jean-claude.kastelik@univ-valenciennes.fr Co-directeur de thèse : Samuel DUPONT samuel.dupont@univ-valenciennes.fr Laboratoire IEMN-DOAE (Institut d Électronique de Microélectronique et de Nanotechnologie, Département Opto-Acousto-Électronique). Groupe de recherche : Opto Contexte scientifique : Le sujet concerne la conception, la réalisation et l expérimentation d un filtre acoustooptique hyperspectral accordable en longueurs d onde et en résolution. Le matériau d interaction considéré est le dioxyde de tellure pour ses propriétés acousto-optiques exceptionnelles sur une gamme de longueurs d onde de 0,35 à 4,5 microns. Il est de plus disponible en grandes dimensions (25 mm par 25 mm) le rendant favorable pour la réalisation de composants à grande ouverture optique. L interaction acousto-optique présente l avantage, outre l absence de parties mécaniques mobiles, d une large plage d accordabilité avec des temps de réponse très courts (quelques microsecondes), autorisant plusieurs modes d analyse : multifréquences, balayage continu ou aléatoire. Un tel filtre de par son accordabilité sur une large gamme spectrale est destiné à une utilisation dans des systèmes de spectroscopie, d imagerie hyperspectrale et polarimétrique pour lesquels les applications sont très nombreuses : domaine biomédical, industrie pharmaceutique, industrie agroalimentaire, détections de polluants, identification d objets Objectifs de la thèse : Concevoir, réaliser et expérimenter le filtre acousto-optique hyperspectral. L originalité du dispositif envisagé consiste en la mise en cascade de deux composants dans une architecture à compensation de biréfringence. La configuration d interaction envisagée est de type anisotrope autorisant une extraction simultanée des 2 composantes de polarisations orthogonales du faisceau lumineux analysé traversant le cristal biréfringent. Les deux composants seront également équipés de réseaux de transducteurs Cette architecture inédite permettra une utilisation simultanée de plusieurs fréquences d accord sélectionnant autant de bandes optiques avec des résolutions également accordables. Abstract : The proposed study consists in the design and experimental validation of a specific bulk acousto-optic device for spectral imaging. The acousto-optic material is the tellurium dioxide allowing tunability over a large optical bandwidth. An original optical architecture will be considered based on two cascaded devices allowing the compensation of the optical birefringence and the use of several simultaneous ultrasonic frequency carriers. Profil du candidat souhaité : Afin de mener à bien ce travail, il est nécessaire que le candidat ait des connaissances en propagation des ondes mécaniques et/ou ultrasonores dans les milieux solides. Il est également souhaitable d avoir des connaissances en optique. 26

27 Titre : Démonstration d un Noeud de Réseau de Capteurs sans fils Mécaniquement Souple et Adaptable - Demonstration of a Mechanically Flexible and Shape Conformable Wireless Sensor Module Financement prévu : CIFRE dans le cadre du laboratoire commun STMicroelectronics-IEMN Cofinancement éventuel : (Co) Directeur de thèse : Emmanuel DUBOIS emmanuel.dubois@isen.iemn.univ-lille1.fr Co-directeur de thèse : Laboratoire : Institut d Electronique, Microélectronique et de Nanotechnologies (IEMN - UMR CNRS 8520) Groupe de recherche : Microélectronique Silicium Contexte Flexibilité, finesse, légèreté, modularité et performance, telles sont les promesses de l électronique sur substrat souple et de l intégration hétérogène de matériaux fonctionnels et structurels. L électronique flexible et l intégration hétérogène pourraient faire décoller une nouvelle génération d objets intelligents tels que des réseaux de capteurs, des micro-drones, des capteurs pour la sécurité et la santé, le suivi de paramètres environnementaux et des textiles intelligents. Pour réaliser ces objectifs, des films minces et des microsystèmes avancés englobant des mémoires, de l électronique analogique, des circuits RF, antennes, capteurs et actuateurs doivent être développés. Dans ce contexte, STMicroelectronics développe une plateforme de réseaux de capteurs sans-fils appelée GreenNet. Sur le plan matériel, GreenNet est un nœud de réseau autonome qui intègre les technologies ST dans une plateforme générique pour démontrer l intérêt d associer les éléments de base que sont le bloc RF, la gestion d alimentation, l acquisition et le traitement de données numériques. L idée de cette thèse est de développer une version plus compacte et flexible mécaniquement du nœud GreenNet notamment en éliminant les plaques de circuits imprimés rigides (PCB). L approche technologique consiste à inclure les puces non packagées et amincies (retrait partiel ou total du substrat) ainsi que les éléments passifs dans un feuillet plastique dans une approche dite system-in-foil. L objectif visé est de conférer des propriétés additionnelles de flexibilité mécanique aux nœuds de réseaux qui permettent des scenarii d utilisation inenvisageables dans leur forme rigide. Le candidat devra avoir un diplôme de niveau Master 2 ou équivalent dans l un des domaines suivants : électronique, micro-électronique ou micro-nanotechnologies avec une formation préliminaire en technologies de micro et nanofabrication et caractérisation électrique. Abstract : Background Foldable, thin, light-weight, stackable, high performance that s the promise that flexible electronics and integration of highly heterogeneous functional and structural materials holds today. Smart systems featuring ubiquitous intelligence such as wireless sensor networks, micro-aerial vehicles, embedded defense, security and biomedicine chips, environment monitoring and smart textiles are all applications that flexible electronics and heterogeneous integration would make take off. To realize that objectives, advanced very thin film and flexible/conformable electronics and microsystems comprising digital, embedded memories and analogue signal processing, RF circuitry, antennas, sensors, actuators need to be developed. In that context, STMicroelectronics develops a networked wireless sensor (WSN) platform called GreenNet. The hardware heart of GreenNet is an autonomous wireless sensor node that integrates core ST technology as a practical test-bed vehicle to demonstrate the collective efficiency of building blocks comprising RF front-end communication, energy management, digital 27

28 signal processing and sensors. Overall, the basic idea behind this PhD subject is to develop a more compact and mechanically flexible flavor of the GreenNet node that eliminates the conventional rigid printed circuit board (PCB). The technical approach consists in embedding bare and thinned circuits dies as well as passives in a plastic foil, in the so-called system-in-foil approach. The applicant must hold a master degree in one of the following areas: electrical engineering, microelectronics or micro-nanotechnologies with a preliminary experience in clean room processing and in electrical characterization. 28

29 Titre : Design, Fabrication and Characterization of Silicon and SiGe Integrated Thermoelectric Converters - Conception, fabrication et caractérisation de convertisseurs thermoélectriques intégrés en silicium et SiGe Financement prévu : CIFRE dans le cadre du laboratoire commun STMicroelectronics-IEMN Cofinancement éventuel : (Co) Directeur de thèse : Emmanuel DUBOIS emmanuel.dubois@isen.iemn.univ-lille1.fr Co-directeur de thèse : Laboratoire : Institut d Electronique, Microélectronique et de Nanotechnologies (IEMN - UMR CNRS 8520) Groupe de recherche : Microélectronique Silicium Les défis sociétaux, environnementaux et technologiques posés par l approvisionnement énergétique poussent à rechercher des sources fiables, sûres et aisément disponibles d énergie. La thermoélectricité, qui convertit un flux thermique en énergie électrique, remplit ces critères. STMicroelectronics et l Institut d Electronique, Microélectronique et de Nanotechnologies (IEMN) ont proposé une nouvelle génération de convertisseurs thermoélectriques compatibles avec les filières usuelles de la micro-électronique (CMOS). Ces convertisseurs utilisent des films minces de silicium dopé dans une géométrie plane. En effet, le silicium n est pas naturellement un bon matériau thermoélectrique et seule une structuration artificielle permet de réduire fortement le transport thermique qui constitue le facteur limitant de ses performances thermoélectriques. Deux voies complémentaires ont été explorées. La première consiste à utiliser une membrane de silicium ou de SiGe, matériau naturellement moins conducteur sur le plan thermique. La seconde, consiste à nano-structurer le silicium avec un réseau organisé de trous nanométriques. Cette seconde approche, dite «ingénierie phononique», repose sur l influence d une telle structure artificielle sur le transport des phonons thermiques, principaux porteurs d énergie thermique dans les semi-conducteurs. L objectif de cette thèse est d aboutir à une démonstration de convertisseur et comprend des étapes de conception, fabrication et caractérisation des convertisseurs. Le candidat devra être titulaire d un Master 2 Recherche ou diplôme d ingénieur avec une spécialité en en sciences des matériaux, électronique ou physique. Une expérience pratique en micro et nanotechnologies sera un point positif. Abstract : Societal, environmental and technological concerns raised by energy production stimulate research efforts toward reliable, safe and abundant energy sources. Thermoelectricity, the conversion of a heat flux into electric power, fulfills these criteria. However, the cost and poor efficiency restrain its use to small markets. Improving performance requires obtaining materials properties such as: a large Seebeck coefficient, a good electrical conductivity for charge transport and a large thermal resistivity in order to achieve a thermal gradient. STMicroelectronics and Institut d Electronique, Microélectronique et de Nanotechnologies (IEMN) have proposed a new generation of thermoelectric generators compatible with conventional microelectronics technologies (CMOS). These converters rely on doped silicon thin films and in-plane geometry. As a matter of fact, silicon is not an efficient thermoelectric material and only the introduction of an artificial structure enables to reduce drastically its thermal conductivity which is the limiting factor of its thermoelectric efficiency. Two complementary approaches were explored toward this aim. The first consist in the use of a silicon or SiGe membrane. The phonon confinement indeed reduces heat conduction and the latter material exhibits spontaneously lower thermal conductivity. The second approach uses a periodic, nanoscale, patterning of a 29

30 silicon membrane with holes also known as phononic engineering and relies on the effect of this structure as a filter on thermal phonons which are the main heat carriers in semiconductors. The aim of this PhD is to demonstrate real converters. The proposed work includes design, fabrication and characterization tasks. The applicant must hold a master degree in one of the following areas: solid state physics, electrical engineering, microelectronics or micro-nanotechnologies. A preliminary experience in clean room processing and/or electrical and physical characterization is a plus. 30

31 Titre : Silicon-based THz power sources in nm (Bi)CMOS processes Financement prévu : Thèse CIFRE Cofinancement éventuel : STMicroelectronics (Co) Directeur de thèse : Andreas KAISER andreas.kaiser@isen.fr Co-directeur de thèse : Andreia CATHELIN andreia.cathelin@st.com Laboratoire : IEMN - ISEN Groupe de recherche : MicroelecSi Les travaux de recherche récents à l Université de Wuppertal en collaboration avec STMicroelectronics et l IEMN/ISEN ont amené le développement de la première caméra THz d' 1k-pixel intégrée en technologie CMOS 65 nm, ayant la capacité de fonctionner à des cadences vidéo et intégrant toutes la logique de lecture et décodage [Sherry 12]. Le travail proposé dans cette thèse est dans la continuité de ce travail, mais s intéressant à la faisabilité et la démonstration de sources de puissance THz intégrée sur Silicium, dans les gammes de fréquences 300 à 1000 GHz. Les procédés technologiques visés sont le CMOS 65nm, le BiCMOS 55 nm et le CMOS 28 nm FDSOI. Dans le cadre de cette thèse, l objectif est de créer un changement de direction pour les sources de puissances intégrées en (Bi)CMOSdans la gamme de fréquence THz en appliquant de nouvelles idées. L étudiant travaillera dans une équipe interdisciplinaire composée de concepteurs microélectroniques, de concepteurs d antennes, d experts d imagerie THz et d experts en métrologie THz. Abstract : The most recent research work at the Bergische Universität Wuppertal in collaboration with STMicroelectronics and IEMN/ISEN Lille has led to the development of the world-first large-count 1 k-pixel THz camera in a bulk 65 nm CMOS process with a full video rate capability and a completely integrated read-out circuitry [Sherry 12]. The work targeted for this PhD thesis aims to continuing the work done since 3 years, now taking in charge the feasibility study and demonstration of Silicon integrated power sources in the frequency range of 300 to 1000 GHz. The target processes are 65nm CMOS, 55nm BiCMOS and 28nm FDSOI CMOS. Within the frame of this thesis, we aim to achieve a breakthrough in (Bi)CMOS integrated power sources in the THz frequency range by applying new design ideas. The student will work inside an interdisciplinary team of microelectronic designers, antenna designers, THz imaging experts, THz metrology experts. [Sherry 12] H. Sherry, J.Grzyb, Yan Zhao, R. Al Hadi,A. Kaiser,A. Cathelin,U. Pfeiffer, A 1k-Pixel CMOS Camera Chip for 25fps Real-Time Terahertz Imaging Applications, International Solid State Circuits Conference, Paper 15.1,

32 Titre : Réalisation de circuits MMIC à base de composants HEMT AlGaN/GaN et InAlN/GaN pour des applications de Puissance en bandes V et W MMICs based on AlGaN/GaN and InAlN/GaN HEMTs for microwave power applications in V and W bands Financement prévu : DGA (France) et Université de Sherbrooke (Canada) acquis : thèse en cotutelle entre l Institut d Electronique de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN) à l université de Lille1 et le Laboratoire de Nanotechnologie et de Nanosystèmes (LN2) à l université de Sherbrooke Cofinancement éventuel : (Co) Directeur de thèse : Jean-Claude DE JAEGER (IEMN) jean-claude.dejaeger@iemn.univ-lille1.fr Co-directeur de thèse : Hassan MAHER (LN2) hassan.maher@usherbrooke.ca Laboratoire : IEMN (Université de Lille1) / LN2 (Université de Sherbrooke) Groupe de recherche : Puissance Le candidat doit être impérativement de nationalité française ou ressortissant de l Union Européenne. L étude proposée est axée sur la technologie de fabrication de circuits MMICs de la filière nitrure de gallium pour des applications de puissance hyperfréquence dans les bandes V et W. Les applications sont nombreuses dans les domaines militaires et civils des communications. Plus particulièrement, dans le domaine de l aéronautique, les circuits amplificateurs MMIC sont attendus pour améliorer les systèmes d émission-réception embarqués dans les avions. Ils pourront être à la base de nouvelles générations de radars fonctionnant en environnement hostile. Ceci sera bénéfique, par exemple, pour des missions de reconnaissance assurées par des drones. Par ailleurs, l amélioration des performances des composants permettra de réduire la taille des antennes et réduira considérablement la taille des systèmes permettant ainsi de réaliser des systèmes de télécommunication très compacts et très performants. Ce sujet de thèse a donc pour thème le développement de composants et de circuits basés sur le transistor à effet de champ de type HEMT à base de GaN sur substrat silicium fonctionnant en bandes V et W pour différents types d applications entre autres, aérospatiales, défense, sécurité et télécommunications. L objectif est de réaliser des transistors pouvant délivrer de hautes puissances à des fréquences les plus élevées possibles. Dans ce contexte, notre objectif est l optimisation du procédé de fabrication pour les filières de matériaux AlGaN/GaN et InAlN/GaN afin d assurer la montée en fréquence des composants et des circuits hyperfréquences de puissance de la filière nitrure de gallium. Le but consiste à démontrer une densité de puissance de 2.5W/mm en bande V et 1.5W/mm en bande W. Le candidat recruté aura également à travailler sur la mise au point du procédé de réalisation de circuits MMIC depuis la conception de la structure des couches épitaxiales jusqu à la caractérisation du dispositif final. Dans ce but, il bénéficiera du savoir faire complémentaire de deux laboratoires : l IEMN à Lille et le LN2 à Sherbrooke, ce dernier ayant toutes les compétences dans le design des circuits. L étudiant sera impliqué dans un travail essentiellement expérimental utilisant les plateformes technologiques et de caractérisation disponibles à l IEMN et les moyens en technologie du 3IT (Québec). La partie la plus importante de la thèse portera sur l optimisation des différentes étapes du procédé de fabrication des transistors et des circuits. Le candidat doit être très motivé par la recherche expérimentale et avoir de bonnes bases de la physique des composants. Il doit être autonome, avoir le sens de l expérimentation et du travail en équipe. 32

33 Le candidat devra travailler sur l optimisation des différentes étapes du procédé de fabrication (marques, isolation, contacts ohmiques, contact Schottky, plots épaississements, ponts BCB, passifs). Une attention particulière sera portée à la fabrication de composants de longueur de grille ultime de 40nm ce qui va nécessiter des épitaxies avec une épaisseur de la couche de barrière très fine afin de maximiser le rapport d aspect du transistor. Ceci pourra avoir un effet pénalisant au niveau du courant de fuite de grille et par conséquent sur la tenue en tension du transistor. Une structure de type MISHEMT constitue une alternative qui va être étudiée afin de mieux isoler la grille du composant. Une autre partie sera orientée vers la caractérisation des transistors et circuits fabriqués par le doctorant afin de valider la technologie mise en œuvre. Celle-ci comportera notamment la caractérisation physique basée sur des mesures type effet Hall, C(V), Raman, SIMS Le candidat sera également impliqué dans des mesures électriques et hyperfréquences. Cette thèse est une formation en cotutelle entre l université de Sherbrooke (Canada) au sein du Laboratoire de Nanotechnologie et de Nanosystèmes (LN2) qui est l une des infrastructures majeures du réseau Nano-Québec et l université des Sciences et Technologies de Lille1 (France) au sein du laboratoire Institut d Électronique de Microélectronique et de Nanotechnologies (IEMN) qui est un des acteurs majeurs en France pour les composants GaN. Le candidat sera amené à travailler sur les deux sites à 50%. Contacts : jean-claude.dejaeger@iemn.univ-lille1.fr & marie.lesecq@iemn.univ-lille1.fr (co-encadrante) Abstract : The study is focused on the fabrication of MMICs circuits in gallium nitride material line for microwave power applications in V and W bands. Applications exist in areas such as military and civilian communications. MMIC amplifiers are expected to improve performances of emitter and receiver chains aboard aircraft. They can be used in radar working in harsh environment. Moreover, the improved performance of components will allow reducing the antenna size and so fabricating very compact telecommunication systems. The objective of this thesis is the development of components and circuits based on Gallium Nitride based HEMTS (High Electron Mobility Transistors) on silicon substrate working in V and W band for different applications. The objective is to fabricate transistors delivering high power at high frequency. In this context, our objective is the technological process optimization for AlGaN/GaN and InAlN/GaN material line to increase working frequency of microwave components and circuits. The goal is to demonstrate a power density of 2.5W/mm in V band and 1.5W/mm in W band. Another part of the work will be the fabrication of MMIC circuits from epimaterial structure conception to the characterization of the final device. For that, the know-how of each partner, IEMN at Lille and LN2 in Sherbrooke, will be useful. The experimental work will be conducted in clean room and characterization platform. A part of the work will focused on the optimization of technological fabrication steps (isolation, ohmic contacts, Schottky, interconnection, BCB bridges...). The ultimate objective is to fabricate 40nm gate length transistors on epimaterial structure with thin barrier layer. This may lead leakage gate current and so have an impact on the transistor performance. An alternative to limit this phenomenon will be the study of MISHEMTs. Another part of the work will be the characterization of the transistors and circuits to validate the technological fabrication (Hall measurements, C(V), Raman spectroscopy, SIMS, DC and RF measurements). The candidate must be highly motivated by experimental research and have competences in physics of components. He must be autonomous, have a sense of experimentation and teamwork. This co-tutorial thesis will be supervised jointly between the University of Sherbrooke (Canada) at the Laboratory of Nanotechnology and Nanosystems (LN2 ) and the University of Science and Technology Lille1 ( France ) at the Institute of Electronics, Microelectronics and Nanotechnology. Contacts : jean-claude.dejaeger@iemn.univ-lille1.fr & marie.lesecq@iemn.univ-lille1.fr (co-encadrante) 33

34 Titre : Fabrication top-down et bottom-up et étude des performances de HEMTs (In,Ga)AlN/GaN à nanorubans en modes d enrichissement et de déplétion (Top-Down and bottom-up (In,Ga)AlN/GaN Enhancement- & Depletion-mode Nanoribbon HEMTs) Financement prévu : Financement Ganex 50% (acquis) Cofinancement éventuel : Région Lorraine 50% (Co) Directeur de thèse : Jean-Claude DE JAEGER jeanclaude.dejaeger@iemn.univ-lille1.fr Co-directeur de thèse : Abdallah OUGAZZADDEN aougazza@georgiatech-metz.fr Laboratoire : IEMN-Lille/LMOPS-Metz Groupe de recherche : Composants et Dispositifs Microondes de Puissance Les SC III-V de la filière nitrure de gallium et en particulier les HEMTs AlGaN/GaN sont étudiés intensivement en mode de déplétion pour des applications de puissance en hyperfréquence depuis plus d une décennie. Parmi les méthodes permettant de faire fonctionner ces composants en mode d accumulation, celles qui sont les moins étudiées consistent à mettre à profit les effets électrostatiques en 3D à l échelle nanométrique. Dans le cadre de ce sujet de thèse, nous proposons de démontrer que, en combinant des épitaxies de HEMTs classiques (In,Ga)AlN/GaN associées à une technologie top-down ou bottom-up pour la réalisation de nanorubans, une utilisation de ces composants innovants est possible à la fois en mode d enrichissement et en mode de déplétion. Ces nanorubans associés à des designs spécifiques seront fabriqués par lithographie électronique. Il est alors possible d intégrer l ensemble de ces dispositifs actifs sur le même wafer afin d envisager une intégration de ces composants pour une électronique logique qui apparaît très attractive pour un fonctionnement à haute température. Certaines structures à transport 1D pourront être utilisées pour la réalisation de transistors de puissance à haute fréquence. Le sujet de thèse proposé consiste à optimiser la géométrie de ces dispositifs permettant la pixellisation d un wafer pour des opérations en électronique numérique à haute température de manière à permettre d accumuler les performances de chaque nano-ruban. L objectif étant d améliorer la commande des grilles et la collecte des charges par la réduction des résistances d accès des contacts ohmiques. Il en résulte une nette amélioration de la commande de grilles courtes et des résistances d accès ultra-stables même lorsque la structure est soumise à de fort champ électrique. La résultante en est une linéarité du transistor nettement améliorée. La seconde partie de ce travail consiste à établir les performances de ces composants pour l électronique numérique et de puissance en hyperfréquence. L étude physique sur le fonctionnement et le transport quasi-1d de ces dispositifs feront l objet d un troisième travail. Cette thèse implique deux laboratoires reconnus dans la fabrication d hétérostructures à base de GaN (GeorgiaTech Institut et le laboratoire de matériaux à propriétés spécifiques de Metz - LMOPS) et le laboratoire centrale de l Institut d Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN-Lille) lequel est reconnu pour son savoir-faire sur la fabrication en salle blanche de transistors HEMTs à base de nitrure de gallium notamment. Ce travail se fera alors conjointement entre ces deux entités complémentaires. Le candidat devra avoir de bonnes bases en physique des matériaux et physique des semiconducteurs. Abstract : III-V Nitride HEMTs are currently intensively investigated for both depletion and enhancement mode operations at high power and high frequency. Among the various methods permitting to get the polarization-doped HEMTs enhancement-mode, the least investigated are those based on 3-D nanoscale geometrical electrostatic effects. 34

35 Recently, bottom-up grown GaN nanowire MISFETs have shown respectable depletion-mode device performance. However, the handling of isolated nanowires is technologically challenging. In this study, we want to demonstrate that by combining conventional epitaxal grown AlN/GaN HEMT structures with top-down nanoribbon fabrication, both E-mode and D-mode HEMTs with high performance can be realized easily, and allow integration on the same substrate. These top-down nanoribbon HEMTs also take advantage of the superior electrostatics of wrap-gates and quasi-1d charge transport for high performance. The goal of this study is to fabricate a demonstrator and to analyse the performance of these components for microwave power applications. Contacts : jean-claude.dejaeger@iemn.univ-lille1.fr & ali.soltani@iemn.univ-lille1.fr (co-encadrant) 35

36 Titre : Diodes et transistors à effet tunnel résonant Graphène/hBN pour des applications de puissance RF (Resonant tunneling diode and transistors based on graphene/h-bn heterostructure) Financement prévu : Thèse université de Lille 1 Cofinancement éventuel : (Co) Directeur de thèse : Jean-Claude DE JAEGER jean-claude.dejaeger@iemn.univ-lille1.fr Co-directeur de thèse : Michel ROUSSEAU michel.rousseau@iemn.univ-lille1.fr Laboratoire : IEMN-Lille Groupe de recherche : Composants et Dispositifs Microondes de Puissance Les propriétés de transport intrinsèques remarquables du graphène sont généralement limitées par des défauts liés à son support isolant tels que SiC, SiO 2 ou autre diélectrique. La mobilité des porteurs s en trouve alors considérablement réduite par la rugosité de surface, les états de surface ou les interactions avec les phonons optiques. Récemment, il a été montré que le graphène reporté sur un film mince de nitrure de bore hexagonal permet d obtenir des mobilités de porteurs à l état de l art jamais obtenues. Le caractère bi-dimensionnel du nitrure de bore à hybridation sp 2, associé à sa structure hexagonale similaire à celle du graphène et à sa large bande interdite, permet de l utiliser comme couche barrière à moindre défauts et par conséquent obtenir un transport balistique dans une hétérostructure à double barrière. Pour étudier la physique de ce composant et prédire les caractéristiques électriques de ces DETRs, un code de simulation autocohérent fondé sur le formalisme des fonctions de Green hors équilibre et des liaisons fortes a été mis au point. Cet outil de simulation permettra aussi d optimiser les géométries et les dimensions des structures à élaborer. Le matériau et l hétérostructure sont réalisés par collaboration dans un laboratoire partenaire (GTL-Metz). L objet de cette thèse est par conséquent de concevoir, de fabriquer et de mesurer les performances de diodes à effet tunnel resonant graphène/hbn. Ces objets pourraient permettre d envisager l élaboration de transistors à effet tunnel résonant et des photodétecteurs ultra-performants à température ambiante par la suite. Le candidat aura aussi pour tâche d étudier l impact de différents paramètres comme le dopage des zones d'accès (par effet électrostatique ou non), la largeur du puits (graphène) et des couches barrières (BN) sur la sensibilité du dispositif élaboré ainsi que la résistance différentielle négative et le rapport pic/vallée sur la caractéristique courant-tension de la diode. Abstract : The extraordinary transport properties of intrinsic graphene are generally limited by defects of the insulating support such as SiC, SiO 2 or others dielectrics. Carrier mobility is significantly reduced by the surface roughness, surface states or interactions with optical phonons. Recently it has been shown that graphene transferred onto a thin film of hexagonal boron nitride allows obtaining carrier mobilities at the state of the art. The twodimensional structure of the boron nitride with sp 2 hybridization, similar to the hexagonal structure of graphene is a wide bandgap semiconductor that can be used as the barrier layer. It presents lower defects and a ballistic transport in a double barrier heterostructure is possible. To study the physical component and predict the electrical characteristics of these RTDs, a self-consistent code based on the formalism of non-equilibrium Green's functions and tight binding has been developed. This tool will also permit to optimize the design and size of the proposed structures. 36

37 The purpose of this thesis is therefore to design, manufacture and measure the performance of resonant tunneling diodes. These objects could be used to consider the development of resonant tunneling transistors and highperformance photodetectors at room temperature. The PhD will also study the impact of various parameters such as doping access areas (electrostatic effect or not), the width of the well (graphene) and barrier layers (BN) on the sensitivity, on the negative differential resistance and ratio of peak/valley of the current-voltage characteristic of the diode. CONTACTS: - - (co-encadrant) 37

38 Titre : The Complementary III-V FinFET : a preliminary contribution to sustainable environment Financement prévu : Université Lille 1 Cofinancement éventuel : aucun (Co) Directeur de thèse : Prof. Sylvain BOLLAERT sylvain.bollaert@iemn.univ-lille1.fr Co-directeur de thèse : Laboratoire : IEMN Groupe de recherche : ANODE L'augmentation de la puissance consommée par les technologies de la communication et de l information (ICT) est un défi sociétal crucial pour les années futures. Actuellement l ICT utilise 10% de l électricité mondiale (l énergie générée par l Allemagne et le japon) et correspond à l éclairage mondial de Cette explosion de consommation est liée à l augmentation de la demande pour les technologies de l information en particulier l émergence des technologies sans fils (tablettes, smartphone ), d internet... Aujourd hui une heure d internet correspond à environ au trafic de l année L augmentation des bandes passantes, du sans fil et particulièrement du nombre d utilisateurs (1 milliard de plus?) augurent d une explosion de la demande en électricité. Une part importante de la consommation provient du réseau (en particulier le dernier km sans fil), des «data center», de la fabrication et de la consommation des appareils. Enfin, le développement de systèmes plus autonomes (smartphone, tablettes, capteurs communicants) requiert aussi une électronique faible consommation, pour un meilleur confort d utilisation. Une méthode à court terme, pour réduire cette consommation est la diminution de la consommation des circuits et des composants (CMOS) dont ils sont constitués. A plus long terme, une technologie de rupture devra être envisagée. Une voie envisagée à court terme par ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) est le remplacement du canal silicium dans les CMOS par un matériau haute mobilité III-V. Cette haute mobilité pourrait compenser la dégradation de paramètres électriques lors de la réduction de la tension d'alimentation V DD (V DD ~consommation). L objectif de cette thèse est la réalisation dans une première phase de transistors III-V N-MOS sur substrat silicium utilisant une technique de recroissance et dans une seconde phase le canal P. Ce sujet est mené en étroite collaboration avec le groupe croissance Epiphy de l IEMN. Abstract : The increase of the power consumption by the information and communication technologies (ICT) is a key societal challenge for future years. Currently ICT uses 10% of world electricity (energy generated by Germany and Japan ) and corresponds to the global lighting in This explosion of consumption is related to the increase in demand for information technology in particular the emergence of wireless technology (tablets, smartphones... ), Internet... Today an hour of internet traffic corresponds approximately to the traffic in The increase in bandwidth, wireless and particularly the number of users (1 billion more?) will lead to an explosion in demand for electricity. A significant part of consumption are due to networks (especially the last wireless mile)," data center " and the fabrication and consumption of appliances. Finally, the development of more autonomous systems (smartphones, tablets, communicating sensors ) also requires low power electronics for a better user comfort. A short-term method to reduce this consumption is to decrease consumption of circuits and devices (CMOS) which they are made. At long term, a disruptive technology should be considered. A way envisaged at short term by ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors ) is replacing the Silicon channel CMOS with high mobility III -V material. This high mobility may compensate the degradation of 38

39 electrical parameters during the reduction of the supply voltage and therefore consumption. The objective of this thesis is the development in the first phase of III- V transistors N- MOS silicon substrate using a technique of regrowth and in a second phase, the P-channel. This topic is conducted in close collaboration with the group EPIPHY from IEMN. 39

40 Titre : De la dynamique de bouchons liquides dans les réseaux synthétiques au diagnostic et traitement des maladies respiratoires Financement prévu : Contrat doctoral Université Lille 1 Cofinancement éventuel : - (Co) Directeur de thèse : Farzam ZOUESHTIAGH farzam.zoueshtiagh@univ-lille1.fr Co-directeur de thèse : Laboratoire : IEMN Groupe de recherche : AIMAN/FILMS Le poumon a une structure en arbre aboutissant à des alvéoles vascularisées qui permettent les échanges gazeux avec le sang. Les voies pulmonaires sont recouvertes de mucus, un liquide biologique, qui capte les impuretés présentes dans l air lors de la respiration. Cette fonction est essentielle mais peut être perturbée par certaines maladies génétiques telle que la mucoviscidose ou chroniques telle que la bronchite chronique. Ces deux maladies sont à l origine de l accumulation de mucus dans les voies pulmonaires qui finit par former des bouchons liquides et obstruer certaines parties du poumon. Ces voies peuvent se rouvrir naturellement lors du cycle respiratoire ou nécessiter des appareils de réanimation si le patient est en insuffisance respiratoire. L écoute des bruits associés à ces réouvertures est utilisée quotidiennement par les praticiens pour le diagnostic médical (écoute des poumons à l aide d un stéthoscope). Une meilleure compréhension physique des phénomènes sousjacents est essentielle car elle permettrait (i) d affiner le diagnostic via l étude des signatures sonores et (ii) d améliorer les traitements et les protocoles de réanimation. Un travail récent nous a permis d identifier, dans des géométries simplifiées, les mécanismes physiques à l origine de la réouverture des voies pulmonaires inférieures via des cascades de rupture de ponts liquides. Cette étude a été menée sur des arbres synthétiques en PDMS conservant certaines propriétés essentielles de l arbre pulmonaire sans en reproduire toute la complexité. Les résultats obtenus ouvrent de nombreuses perspectives qu il est indispensable d exploiter si l on veut aboutir à des résultats concrets pour le diagnostic et la thérapeutique médicale. Ainsi, l objectif de notre projet est (i) d étudier le rôle du cycle respiratoire et notamment du comportement hystérétique des ponts liquides sur la dynamique de réouverture, et (ii) de caractériser la signature acoustique associée aux ruptures de ponts liquides. Abstract : Human lung has a tree structure and its main function is to ensure gas exchanges between the atmosphere and the bloodstream. Pulmonary airways are covered by a thin layer of mucus, which aids in the protection of the respiratory system by trapping foreign particles that enter it. Some genetic diseases like cystic fibrosis or some chronic diseases like chronic bronchitis may disrupt this function since they lead to the accumulation of mucus in the bronchial tree. Above a certain threshold the mucus layer becomes unstable leading to the formation of liquid plugs, which obstruct some parts of the lung. These obstructed path may reopen either naturally during the breathing cycle or may require some clinical intervention when the patient has respiratory failure. Noises associated with these airways reopenings are used by clinicians for medical diagnosis (auscultation with a stethoscope). Thus, a better understanding of the underlying physics of airways reopening (i) would lead to a better diagnosis of the patient through a in depth study of the acoustical signature and (ii) might improve these diseases treatment. 40

41 In a recent work, our team has identified in simplified geometries the main physical mechanisms which allows airways reopening through cascades of plug ruptures. This study was performed on synthetic PDMS trees, which reproduce some essential properties of the pulmonary tree without copying all its complexity. Our aim in this PhD thesis is (i) to investigate the role of the breathing cycle on the reopening dynamics and (ii) to characterize the acoustical signature associated with the cascades of plugs breaking. 41

42 Titre : Cristaux phononiques hypersoniques accordables à base de matériaux hybrides (organique/inorganique) Financement prévu : Cofinancement éventuel : (Co) Directeur de thèse : Yann PENNEC yan.pennec@univ-lille1.fr Co-directeur de thèse : Bahram DJAFARI-ROUHANI bahram.djafari-rouhani@univ-lille1.fr Laboratoire : IEMN Groupe de recherche : EPHONI / Groupe de PHYSIQUE Les cristaux phononiques sont des structures périodiques constituées d inclusions dans une matrice. La modulation périodique de leur densité et constantes élastiques dans l espace ouvre la voie à de nombreuses fonctionnalités pour la manipulation et le contrôle de la propagation des ondes acoustiques (formation des bandes interdites absolues et phénomènes de guidage, filtrage, localisation ; phénomènes de réfraction négative et superrésolution ; structures à propriétés graduées...). Les avancées technologiques permettent la fabrication de ces matériaux périodiques à des tailles inférieures au micron et donc à des fréquences hypersoniques intéressant le domaine des télécommunications. Le sujet de thèse porte sur un nouveau type de cristaux phononiques hypersoniques constitués par un arrangement périodique de rainures déposées à la surface d une membrane ou d un substrat semi-infini. Nous proposons de modéliser et simuler les propriétés de tels cristaux phononiques à base de matériaux hybrides organique/inorganique afin de comprendre l effet des paramètres physiques (nature des matériaux) et géométriques (largeur, hauteur et forme des rainures) sur la dispersion et la transmission des ondes élastiques et explorer les propriétés d accordabilité de ces structures. Le travail théorique se fera en étroite collaboration avec plusieurs équipes expérimentales pour la fabrication des échantillons et leur caractérisation, notamment par diffusion Brillouin et interférométrie laser. Les simulations numériques seront faites sur la base de différentes méthodes que nous avons développées (éléments finis (FEM), différences finies (FDTD), ondes planes (PWE)). Abstract : We propose to study the acoustic properties of a new type of hypersonic (GHz) phononic crystals constituted by a periodic deposition of ridges on top of a substrate or a membrane. The structures are constituted by a combination of organic/inorganic materials, allowing the modification of their properties by external stimuli. The objective is to understand the dispersion and transmission properties of such crystals as a function of their physical and geometrical parameters and explore their tenability. The PhD student will work on the modeling and simulation of such structures in close collaboration with several experimental groups involved in their fabrication and characterization. 42

43 Titre : Simulation à l'échelle atomique de l'auto-échauffement dans les nanodispositifs Financement prévu :ANR Cofinancement éventuel : CNRS ou université (Co) Directeur de thèse : Evelyne LAMPIN evelyne.lampin@univ-lille1.fr Co-directeur de thèse : Christophe DELERUE christophe.delerue@isen.fr Laboratoire : IEMN Groupe de recherche : Physique L'échauffement des transistors à dimensionnalité réduite, c'est-à-dire à base de nanofils ou réalisés selon les technologies FinFETs ou FDSOI, est exacerbé par rapport aux dispositifs des générations précédentes. L'origine en est double. D'une part car la source de chaleur, c'est-à-dire le couplage entre les électrons chauds en fin de canal et le réseau cristallin augmente à cause du confinement spatial dans la zone active du transistor. D'autre part car la dissipation de la chaleur ainsi créée est rendue plus difficile à cause de la diminution de la conductivité thermique dans les nanostructures, et de la présence de matériaux, comme les oxydes enterrés dans les technologies sur SOI, qui présentent une forte barrière thermique sur le chemin de dissipation de la chaleur vers la face arrière du circuit. Le but de la thèse est d étudier ces effets de manière théorique grâce à une modélisation à l'échelle atomique du couplage électron-phonon par liaisons fortes, sous l encadrement de Christophe DELERUE, et à la modélisation de l échauffement et de la dissipation thermique par dynamique moléculaire, sous l encadrement d Evelyne LAMPIN. Ces travaux font partie du projet ANR P2N 2013 NOODLES, cofinanceur de la thèse. NOODLES regroupe 5 partenaires académiques et un partenaire industriel, STM, et vise à optimiser les architectures et les matériaux pour les dispositifs à ultra-faible puissance pour les applications mobiles, secteur qui domine le marché actuel de la nanoélectronique. Les effets de nanothermiques étudiées dans le cadre théorique seront étayés par des mesures thermiques à l échelle nano effectuées grâce à des équipements acquis dans le cadre de l EQUIPEX EXCELSIOR. 43

44 Titre : Phénomènes moléculaires dans l endommagement de l ADN par rayonnements ionisants Financement prévu : no Cofinancement éventuel : no (Co) Directeur de thèse : Fabrizio CLERI fabrizio.cleri@univ-lille1.fr Co-directeur de thèse : Laboratoire : IEMN Groupe de recherche : Physique La destruction des cellules tumorales par des faisceaux de photons en radiothérapie du cancer est encore aujourd hui basée sur une compréhension trop empirique des mécanismes de l endommagement de l ADN par les rayonnements. Il est bien établi que les photons produisent des cassures simple brin (SSB) et double brin (DSB) de l ADN, par plusieurs mécanismes directs et indirects, mais leurs détails et efficacité sont fort mal connus. D autre part, la réponse (nano)mécanique de l ADN, est beaucoup mieux comprise et étudiée, à la fois sur le plan expérimental et théorique. Nous avons récemment proposé une nouvelle approche multi disciplinaire, avec un projet financé par l INSERM (Plan Cancer 2013). Au cœur de nos actions se trouve un dispositif micromécanique en silicium, le SNT, conçu et réalisé par le LIMMS-Cnrs de Tokyo, capable de caractériser le taux de rupture de l ADN avec grande précision. La mesure effectuée sur ADN exposé à l irradiation, dans les expériences en cours, permettra de connaître, avec une précision jamais atteinte, les taux de production des SSB et DSB dans des protocoles d irradiation typiques de la radiothérapie. La théorie et modélisation multi-échelle (du moléculaire au macroscopique) de l endommagement de l ADN, qui est le thème de ce projet de thèse, doit nécessairement complémenter ces expériences, si l on veut arriver a une réelle compréhension des interactions microscopiques entre rayonnements ionisants et ADN, permettant pour la première fois d établir des relations cause-effet conséquent aux différentes conditions expérimentales. Dans cette thèse nous allons étudier, par des simulations de dynamique moléculaire empirique et ab-initio, la corrélation entre défauts microscopiques induits dans l ADN par la radiation, et sa réponse mécanique telle qu elle est mesurée par le dispositif micromécanique, en étroite collaboration avec les équipes expérimentales travaillant sur les projets mentionnés. Abstract : Tumour cell killing by therapeutic photon beams in cancer radiotherapy is still based on a rather empirical understanding of the damage mechanisms in DNA by ionizing radiation. It is well established that photons produce single-strand (SSB) and double-strand breaks (DSB) in DNA, by several direct and indirect mechanisms, whose details and efficacy are rather poorly known. On the other hand, the microscopic mechanical response of DNA is much better understood, both theoretically and experimentally. We have recently proposed a multidisciplinary approach in the framework of a project funded by INSERM (Plan Cancer 2013). At the heart of our strategy we find a silicon micro-electro-mechanical (MEMS) device, conceived and developed by the LIMMS- Cnrs in Tokyo, capable of characterizing with the highest accuracy the microscopic DNA breaking rate. The experiments performed on irradiated DNA will allow to measure with unprecedented precision, the rate of production of SSB and DSB, with irradiation protocols typical of radiotherapy conditions. Multiscale yheory and modelling (from the molecular to the macroscopic scale) of DNA damage, which is at the heart of this thesis project, must necessarily complement such experiments, to arrive at a real understanding of the microscopic interactions between ionizing radiation and DNA, allowing to establish for the first time a causal relationship. In 44

45 this thesis, the candidate will study, principally by means of both empirical and ab-initio molecular dynamics computer simulations, the correlation between such microscopic defects induced in DNA strands by radiation, and its mechanical response as it is measured by the MEMS device, in tight collaboration with the experimental teams. 45

46 Titre : Réalisation de micro-supercapacités à base de silice métallisée Financement prévu : ANR Cofinancement éventuel : région (Co) Directeur de thèse : Odile CRISTINI-ROBBE et Nathalie ROLLAND odile.robbe@univ-lille1.fr Co-directeur de thèse : Laboratoire : IEMN/PhLAM/IRCICA Groupe de recherche : CSAM-Groupe Photonique Ce sujet de thèse s'inscrit dans le cadre du développement de réseaux de capteurs autonomes à l'étude au sein de l'ircica. Il se positionne plus particulièrement pour apporter des éléments de réponses à la problématique que pose l autonomie énergétique de ces réseaux (récupération et stockage). Une voie à l'étude actuellement est la réalisation de micro-supercondensateurs qui présentent des caractéristiques de stockage complémentaire à celle des micro-batteries. L'objectif global est la réalisation de super-condensateurs intégrables et donc compatibles avec un procédé MEMS. Actuellement les électrodes de supercapacités sont réalisées majoritairement soit à partir de carbone, soit à partir d oxydes métalliques. Trois paramètres sont essentiels à la réalisation de supercapacités : le contrôle de la porosité (taille et dispersion), la conduction électrique du matériau d électrode et sa stabilité chimique. Le but de ce projet de thèse est de développer des électrodes de micro-supercondensateurs par des méthodes chimiques en solution. Le candidat aura en charge le développement d électrodes et de supercapacités à base de monolithes de silice (dimensions latérales millimétriques et épaisseur de quelques centaines de micromètres) de porosité contrôlée et ajustable, qui devront être métallisés. Pour cela deux voies, mettant en œuvre des procédés très différents, seront étudiés afin de limiter les risques liées aux contraintes induites par les spécificités de chaque procédé : - le premier, déjà à l'étude, est basé sur une métallisation par irradiation laser de précurseurs d'or, - le second, original, est basé sur l'imprégnation des monolithes par de la cellulose, qui traité thermiquement sous atmosphère légèrement réductrice devrait permettre d'obtenir un revêtement de carbone sur l'ensemble des pores. L'intégration de ces micro-supercondensateurs constitue un verrou technologique. Ce projet prend en compte cette problématique dès la conception. Nous proposons d'utiliser des cavités micro-usinées dans du silicium. Ces cavités permettront la synthèse de la silice et la reprise de contact des électrodes. Cette étape majeure permettra de démontrer l'intégrabilité de la solution retenue. Enfin, le développement d'électrolyte quasi solide permettant de s'affranchir des encapsulations hermétiques sera abordé. 46

47 Titre : Ingénierie des contraintes des films minces pour le stockage d'énergie pour réseaux de capteurs Financement prévu : ANR-université Lille1 Cofinancement éventuel : (Co) Directeur de thèse : Nathalie ROLLAND nathalie.rolland@iemn.univ-lille1.fr Co-directeur de thèse : Laboratoire : IEMN Groupe de recherche : CSAM Le développement de dispositifs embarqué de stockage de l'énergie est un point bloquant pour l'essor des réseaux de capteurs de grande envergure. Une des voies prometteuse est la mise au point de capacités (de type MIM Metal Insulator Metal) de grande valeur et de supercapacités. La valeur de la capacité dépendant étroitement de la surface des électrodes, il est important d'augmenter fortement cette surface spécifique, tout en conservant un volume limité. Cette thèse s'intéresse plus particulièrement au développement de supercapacités et de capacités MIM 3D. Tous les développement seront optimisés pour être compatibles avec une approche SIP (System In a Package) ou dans un procédé de type MEMS (MicroElectro Mecanical Systems) standard, notamment silicium (sur CMOS ou SOI-CMOS). Cette intégration implique une reprise de contact 3D totalement intégrée et est complètement originale et en rupture avec la fabrication classique des supercapacités qui nécessite le report d'électrodes fabriquées séparément. Enfin, les matériaux choisis seront le plus possible à faible empreinte écologique (procédés basse température, matériaux peu nocifs), avec un impact limité tant sur le plan sanitaire qu'environnemental. Le premier effort portera sur la caractérisation et la maîtrise des contraintes lors du dépôt de matériaux par PVD (Physical Vapour Deposition) ou CVD (Chemical Vapour Deposition). Ces matériaux, après gravure d'une couche sacrificielle, permettront d'obtenir des micro- et nanostructures en 3D hors plan. L'introduction de matériaux à mémoire de forme (notamment TiNi) permettra d'apporter une agilité lors de la formation des structures 3D. Ces développements seront aussi utilisés avec les matériaux faible coût basés sur des procédés de chimie en solution bas coût (collaboration avec PhLAM). Cette étape conduira au développement de dispositif de caractérisation des constantes mécaniques des films minces (module de Young, courbe de traction, adhésion, ). Ces différentes études permettront de concevoir des techniques de reprise de contacts électriques en 3D afin de pouvoir connecter les supercapacités. Les matériaux développés par méthodes chimiques en solution sont soumis à de très grandes variations de volume (évaporation du solvant lors des séchages) limitant leur intégrabilité. Le développement de matériaux 3D et notamment des matériaux à mémoire de forme permettront la conception de dispositif gérant ce changement de volume. Le second axe sera le développement de techniques d'encapsulation compatibles avec les procédés CMOS. Ce packaging permettra de finaliser les dispositifs obtenus par ingénierie des contraintes en les isolant de l'environnement extérieur. Deux types de packaging seront à étudier : (1) une technique permettant un scellement hermétique (applications spécifiques telles qu'implantation dans le corps humain) et (2) un scellement bas coût dérivés des activités en cours à l'iemn (packaging dans le groupe CSAM). 47

48 Titre : Environnements Impulsifs dans les réseaux de capteurs Financement prévu : - Cofinancement éventuel : - (Co) Directeur de thèse : Laurent CLAVIER laurent.clavier@iemn.univ-lille1.fr Co-directeur de thèse : Laboratoire : IEMN Groupe de recherche : CSAM Les télécommunications sont en pleine révolution : les réseaux de capteurs, la 5G, la radio cognitive, etc... En moins d'une décennie, il n'est pas déraisonnable de supposer que les dispositifs autonomes vont construire leur propre réseau : ils vont s'adapter à de nouveaux environnements, modifier leur configuration, s'adapter à la disparition ou l apparition d autres nœuds communiquant. Ils devront choisir les meilleures opportunités de communication et en assurer la fiabilité malgré des contraintes énergétiques strictes. Une redéfinition complète des règles de communication est sans doute nécessaire pour faire face aux principaux défis envisagés, les interférences et l'adaptabilité. L'objectif de cette thèse est de proposer de nouveaux modèles pour représenter efficacement et avec précision l'environnement de communication (canal radio, interférences). La modélisation des dépendances et des évolutions spatiales et temporelles seront nos principales contributions. Notre approche réside principalement sur de nouvelles approches mathématiques en Télécommunication pour mieux prendre en compte les évènements rares. Dans un deuxième temps, nous voulons montrer que les stratégies de communication classique et de traitement de signal sont loin d'être optimale dans un tel environnement, et donc que de nouvelles approches sont nécessaires. Abstract : Telecommunications are undergoing a significant and important revolution: sensor networks, 5G, cognitive radio, etc. In less than a decade it is not unreasonable to speculate that autonomous devices will build their own network: they will adapt to new environments, change their configuration, adapt to disappearing or appearing nodes; they will have to track the best communications opportunities and ensure reliability with strict energy constraints. However a complete redefinition of communication rules is needed to face the main foreseen challenges, interference and adaptability, with a hard energy constraint. The objective of this PhD is to propose new models to efficiently and accurately represent the communication environment (radio channel, interference). Time and space dependencies and evolutions will be our main contributions. Our approach is mainly based on new mathematical approaches to better take into account rare events. In a second step we aim to show that classical communication and signal processing strategies are far from being optimal in such an environment and hence that new approaches are needed. 48

49 Titre : Mesure d énergie dans les réseaux de capteurs Financement prévu : - Cofinancement éventuel : - (Co) Directeur de thèse : Laurent CLAVIER laurent.clavier@iemn.univ-lille1.fr Co-directeur de thèse : Laboratoire : IEMN Groupe de recherche : CSAM Les réseaux de capteurs imposent aux couches physique et MAC des contraintes très spécifiques et différentes des réseaux classiques. Pour les étudier nous mettons en œuvre une plate-forme TELECOM permettant de tester les émetteurs et les récepteurs, les algorithmes de traitement numérique du signal et la couche MAC. L originalité de cette plate-forme est d avoir une grande flexibilité sur le choix technologiques, en particulier au niveau de la partie RF. L un des premiers objectifs de la plate-forme est d étudier l impact de l interférence sur la consommation. Des travaux existent pour améliorer les récepteurs dans le cas d une interférence non gaussienne mais il faut maintenant en évaluer le coût d implémentation et le coût énergétique. De même, la couche MAC peut tenter de limiter au maximum l interférence ou, au contraire, s adapter et tolérer un certain niveau d interférence que la couche physique peut supporter. Les protocoles doivent alors être modifiés ce qui permettrait en particulier d améliorer l efficacité des réseaux et la réutilisation spatiale de la ressource. L objectif de cette thèse est d allier des expériences et des résultats théoriques pour comprendre l évolution des environnements de communication et proposé des stratégies fiables et faible consommation. Abstract : Sensor networks require physical and MAC layers with very specific and different constraints than conventional networks. We implement a TELECOM platform for testing transmitters and receivers, the algorithms of digital signal processing and the MAC layer protocols. The originality of this platform is to have flexibility on the technological choices, especially at the RF part. One of the first objectives of the platform is to study the impact of interference on consumption. Work exist to improve the receivers in the case of non-gaussian interference, but we must now evaluate their implementation and energy costs. Similarly, the MAC layer may attempt to minimize interference or, conversely, to adapt and tolerate a certain level of interference that the physical layer can support. The protocols should be modified to improve the network efficiency and the spatial reuse of the resource. The objective of this thesis is to combine experiments and theoretical results to understand the changing communication environments and to propose reliable and low consumption strategies. 49

50 Titre : Microstructuration 3D pour le management Thermique et la récupération électrothermique de l énergie au sein d un nœud de capteur Financement prévu : ANR, université Cofinancement éventuel : (Co) Directeur de thèse : Nathalie ROLLAND nathalie.rolland@iemn.unv-lille1.fr Co-directeur de thèse : Laboratoire : IEMN Groupe de recherche : CSAM Ce sujet de thèse s'inscrit dans le cadre du développement de réseaux de capteurs autonomes à l'étude au sein de l IRCICA. Le développement de nœuds de capteur de plus en plus petits possédant de plus en plus de fonctionnalités nécessite de prendre en compte le management thermique d un nœud de capteur. L objectif de cette thèse est d étudier le management thermique en l associant à de la récupération d énergie électrothermique. Pour le management thermique nous développons une solution originale basée sur le guidage du flux thermique par microstructuration 3D d une plateforme Silicium permettant de réaliser un métamatériau thermique. Selon le méta-matériau, on peut soit créer une zone froide, soit une zone chaude. Cette approche originale est développée dans le cadre du projet ANR blanc INPACT en collaboration avec l institut FRESNEL. Si on est capable de réaliser une concentration de la chaleur en des points prédéfinis au sein d un nœud de capteur, il sera possible d envisager la réalisation de source d énergie électrothermique, qui permettra d améliorer l autonomie d énergie du nœud de capteur. Durant cette thèse différents types de métamatériaux seront à concevoir et à réaliser en microstructuration 3D pour effectuer le management thermique et récupérer de l énergie par électrothermie. Cette approche est compatible avec une Intégration Hétérogène 3D (SIP) que nous développons dans le groupe CSAM pour la réalisation de nœuds de capteur intégrant les différentes fonctions : le système de communication, la microsource d énergie, la localisation, l intelligence, le(s) capteur (s) 50

51 Titre : Approche faible consommation de la localisation 3D et la communication pour réseaux de capteurs en milieu contraint pour les usines du futur Financement prévu : Région Cofinancement éventuel : (Co) Directeur de thèse : Christophe LOYEZ Christophe.loyez@iemn.univ-lille1.fr Co-directeur de thèse : Laboratoire : IEMN Groupe de recherche : CSAM L objectif de cette thèse est la contribution à la mise en place d une plateforme globale, ouverte, multidisciplinaire et instrumentalisée, pour la conception optimale de systèmes de communication et de localisation robustes et faible consommation dédiés aux usines du futur. Dans ce cadre, le noeud de capteurs modélisé doit permettre de répondre aux exigences des procédés de production agiles. En complément des recherches menées à l'iemn sur les réseaux de capteurs, la présente thèse se focalisera sur la mise en place d'un modèle comportemental fiable de tous les composants d'un nœud de capteur. Ce modèle devra être générique et sera confronté aux différentes expérimentations menées à l'aide de la plateforme. Par ailleurs, plusieurs travaux actuellement menés sur la géo-localisation, indispensable à de nombreuses applications et opérations, ne prennent pas en compte la consommation énergétique des moyens déployés. Un des objectifs de cette thèse est de développer un algorithme de géo-localisation 3D précis basé sur une approche faible consommation et ce en milieu contraint (environnement métallique, canal de propagation déficient, environnement perturbé, ). Cet algorithme sera implémenté au niveau de la plateforme et ses performances seront testées in situ. Abstract : Low power consumption approach of 3D localisation and communication for sensors networks applied to the manufactory of the future The aim of this thesis is to achieve a global platform based on a multidisciplinary approach specific to the optimal design of communication and localisation systems which can address low power consumption applications devoted to the manufactories of the future. With such a context, each network node needs to be modelled rigorously with the aim to meet the flexibility requirements of future industrial processes. A key point of this thesis is the development of a behaviour model of the sensor node, including all the components involved in the communication and localisation operations. The reliability of this model will be validated experimentally. Another key point is the study of a specific 3D localisation algorithm based on a low power approach. This algorithm will be implemented and its performance will be evaluated. 51

52 Titre : Conception avancée de MMICs pour systèmes vectoriels multi-bandes à très haute précision Financement prévu : CIFRE Cofinancement éventuel : (Co) Directeur de thèse : Christophe LOYEZ Christophe.loyez@iemn.univ-lille1.fr Co-directeur de thèse : Laboratoire : IEMN Groupe de recherche : CSAM L objectif de cette de thèse est de mettre en œuvre des méthodologies de conception adaptées aux nouveaux besoins des systèmes vectoriels très large bande dont le nombre d applications est croissant. Les systèmes actuels n autorisent pas un fonctionnement multi-bandes et il est nécessaire d explorer de nouvelles topologies permettant d assurer des états vectoriels très précis et ce, sur une très large gamme de fréquences. Un des aspects de la thèse sera d identifier la technologie la plus adaptée aux spécifications requises allant au-delà de l état de l art. Egalement, différentes architectures très avancées de MMICs seront étudiées afin d atteindre les performances optimales. Un banc de mesures spécifique des circuits MMICs réalisés devra être développé sur la base des moyens déjà existants dans la plateforme Telecom de l IEMN. Abstract : Advanced topologies of MMICs for high accuracy multi-band vectorial systems The aim of this thesis is to develop design techniques specific to new requirements in the field of multi-band vectorial systems which address a growing number of applications. Current systems are limited in terms of spectral behaviour and new MMICs architectures needs to be investigated to reach required performance beyond the state of the art both in terms of vectorial error and wide band of operation. A key point is to identify the technology the most appropriate to reach the very challenging specifications. An experimental set-up will be developed using the facilities of the Telecom Platform. 52

53 Titre : Système de transmission optique vectoriel Térabit sur fibre optique multimode polymère Financement prévu : CIFRE ou région ou président Cofinancement éventuel : (Co) Directeur de thèse : Christophe LOYEZ Christophe.loyez@iemn.univ-lille1.fr Co-directeur de thèse : Laboratoire : IEMN Groupe de recherche : CSAM L évolution des débits de transmission mis à disposition de l usager atteint aujourd hui plusieurs centaines de Mégabits par seconde voire plusieurs Gigabits par seconde. La fibre optique reste le support de transmission privilégié pour atteindre ces débits mais sa capacité est aujourd hui utilisée de manière optimale par le biais des techniques de modulation classiques. Il est aujourd hui nécessaire d envisager d autres techniques de transmissions optiques et l objet de cette thèse consiste à les étudier et les mettre en œuvre dans le cas concret des fibres optiques multimodes polymères. Ces fibres sont des candidates idéales pour réaliser une boucle locale haut-débit chez l usager et les techniques vectorielles pressenties permettent d envisager des débits de plusieurs centaines de Gigabits par seconde. L objectif de la thèse est de modéliser le système optique incluant les fibres multimodes envisagées ainsi que les transducteurs opto-electriques et opto-électriques puis de mettre en œuvre ce système en utilisant l instrumentation de pointe de la plateforme Telecom. Abstract : Vectorial optical system for Terabit transmissions on polymer multimode fiber The progress of transmission data rates reaches currently several hundreds of Mbps, even several Gigabits per second. Optical fibers are still the most appropriate candidates to reach such values. Up to now, their capacities have been used optimally using conventional modulation techniques. The aim of the thesis is to overcome the current limitations by investigating new optical system topologies and to apply it to the case of the polymer multimode fibers. The aim is to reach data rates in the range of several hundred of gigabits per second for applications directly at the customer's location. The key points of this thesis are the modelling of the overall system including both the multimode fibers and the transducers and to achieve the chosen topology using the Telecom Platform facilities. 53

54 Titre : Contribution à la réalisation d'un dispositif de dosimétrie temps-réel pour applications aux rayonnements ionisants de faible énergie Financement prévu : CIFRE ou région Cofinancement éventuel : (Co) Directeur de thèse : Christophe LOYEZ Christophe.loyez@iemn.univ-lille1.fr Co-directeur de thèse : Laboratoire : IEMN Groupe de recherche : CSAM L évolution des techniques d exploration biomédicale a permis ces dernières années d élargir considérablement les indications thérapeutiques par voie percutanée. Ce progrès s est accompagné du développement de procédures complexes et souvent itératives, d une augmentation du temps d exposition aux rayonnements ionisants et des doses délivrées aux patients. Les risques associés à ces nouvelles techniques sont devenus difficiles à évaluer pour les professionnels de santé et nécessitent ainsi une évaluation temps réel de la dose de rayonnements ionisants délivrée au patient. L objectif de cette thèse est de contribuer à dimensionner et mettre en œuvre un système de dosimétrie innovant dans le domaine biomédical et s adressant en particulier aux applications basées sur des rayonnements ionisants de faible énergie. Cette thèse s inscrit dans le cadre d une collaboration déjà initiée entre les acteurs académiques et professionnels du domaine de la santé. Abstract : Contribution to the realization of a real-time dosimeter specific to low energy ionizing radiation The progress of biomedical techniques enables to address a wide range of therapeutic applications. Nevertheless, this progress necessitated the development of heavy processes and the rise of the exposure duration. The risks associated to theses new techniques are difficult to be evaluated and require an innovative solution of dosimeter which enables to measure the quantity of ionizing radiation delivered to the patient. The aim of this thesis is to contribute to the study, scaling and achievement of this new dosimeter and address in particular the applications based on low energy ionizing radiations. This thesis is a part of a partnership already initiated between academic and industrial partners. 54

55 Titre : Conception de circuits à base d une nouvelle technologie AlN/GaN/AlGaN en gamme millimétrique sur substrat silicium pour applications télécom Financement prévu : Bourse DGA-Université lille1 Cofinancement éventuel : (Co)-directeur de thèse : Christophe LOYEZ christophe.loyez@iemn.univ-lille1.fr Co-directeur de thèse : Laboratoire : IEMN UMR 8520 Groupe de recherche : CSAM Les composants à base de Nitrure de Gallium (GaN) sont pressentis pour devenir la prochaine génération de transistor en bande millimétrique. Un certain nombre de groupes ont démontrés la possibilité d obtenir une combinaison unique de puissance et de rendement ainsi qu une bande passante plus élevée et une stabilité à haute température supérieure avec le matériau GaN comparé aux technologies à base de GaAs ou de Silicium. Dans ce cadre, une nouvelle hétérostructure à base d AlN/GaN de haute qualité est en cours de développement. Cette nouvelle technologie laisse espérer une rupture des performances des circuits à haute fréquence. En effet, cette nouvelle configuration permet d accroître la densité de porteur du transistor par un facteur 2 ou 3 par rapport aux structures HEMT classiques AlGaN/GaN tout en offrant des rapports d aspects (longueur de grille/distance grillecanal) très favorable à la montée en fréquence du fait de la possibilité de bénéficier d épaisseur de barrière ultramince avec cette configuration. De plus, la croissance de cette hétérostructure a été entreprise sur substrat de silicium au niveau industriel et arrive maintenant à maturité, ce qui permet d envisager des composants à coût modéré, offrant une solution attractive pour l'intégration avec des technologies silicium matures tels que la filière CMOS en utilisant une approche monolithique. Notre groupe a démontré des résultats remarquables sur la filière AlN/GaN/AlGaN-sur-Si (double hétérostructure) avec des performances bien au-delà de l état de l art international comparées aux composants GaN-sur-Si actuels. En particulier, des performances fréquentielles de l ordre de 200 GHz combiné à une tenue en tension de plus de 100 V ont permis de générer une puissance de sortie conséquente à une fréquence d opération de 40 GHz pour la 1 ère fois 1. Par ailleurs, nous avons également mesuré le facteur de bruit entre 6 et 40 GHz dans ces mêmes composants. Le très faible courant de fuite, le gain élevé ainsi que des effets de pièges réduits nous ont permis de démontrer le plus faible niveau de bruit jamais observé dans un transistor GaN en bande K a 23. Plus récemment, l étude préliminaire de fiabilité effectuée sur ces composants en collaboration avec l université de Padova a montré des résultats très encourageants en termes de stabilité et de robustesse avec 1 F. Medjdoub et al, First demonstration of high power GaN-on-Silicon transistors at 40 GHz Electron Device. Lett. 33, 8, F. Medjdoub et al, Sub-1-dB Minimum Noise Figure Performance of GaN-on-Si transistors up to 40 GHz Electron Device. Lett. 33, 9, F. Medjdoub et al, Demonstration of low leakage current and high polarization in ultrathin AlN/GaN high electron mobility transistors grown on silicon substrate Applied Phys. Letters 98, ,

56 plusieurs heures de mesure sur la technologie de 100 nm de longueur de grille (AlN/GaN-sur-Si), ce qui constitue également une première mondial 4. Ces premiers résultats de fiabilité montrent que ces composants sont assez reproductibles pour envisager le développement de fonctions tels qu un amplificateur faible bruit (LNA), un amplificateur de puissance (MPA) et un mélangeur fonctionnant en gamme d onde millimétrique. Ces fonctions ainsi réalisées permettront d ouvrir la voie à la conception de circuit MMIC GaN ultra-robuste de faible coût délivrant des performances en rupture avec les filières existantes. Ceci devrait constituer un avantage décisif en permettant à l Europe de disposer d une source de composant GaN fiable pour les amplificateurs fonctionnant en gamme millimétrique puisque notre source d épitaxie EpiGaN est une PME basée en Belgique. Ce projet vise à relever le défi de ces composants critiques. Nous proposons de démontrer les modules nécessaires au développement de MMIC (circuit micro-ondes intégré monolithique) fonctionnant en bande Ka et délivrant des performances en rupture avec les filières actuelles. L objectif de cette thèse est la fabrication, la caractérisation et la modélisation de transistors III-Nitrure à effet de champs correspondant à cette nouvelle filière AlN/GaN à haute fréquence qui donneront lieu à la conception des fonctions LNA, MPA et mélangeur. Le candidat interviendra dans toutes les étapes du développement de ces modules de la manière suivante : Il participera à la fabrication technologique en salle blanche des composants. La caractérisation statique et hyperfréquence ainsi que la modélisation des composants seront réalisées en étroite collaboration avec le laboratoire XLIM à Limoges. Enfin, il effectuera la conception des différentes fonctions en se basant sur les modèles développés. Les spécifications des composants en bande Ka suivront le cahier des charges de Thalès communication avec lesquels nous sommes en interaction. Les retombées militaires potentielles sont les suivantes : Ce projet répond aux besoins à court terme de la DGA concernant la réalisation de composants et circuits haute fréquence, large bande et de forte puissance en mesure de résister à des températures très élevées, aux environnements agressifs et aux fortes radiations. Les principales applications visées ou potentielles sont : - Les amplificateurs de forte puissance à haut rendement en bande Ka. - Les commutateurs à faibles pertes et à forte isolation pouvant contribuer à la réalisation d échantillonneurs-bloqueurs ultra-large bande, à très haute dynamique et à forte linéarité (ENOB > 10 bits à 10 GHz) ou celle d amplificateurs classe F en régime de commutation avec des rendements > 50% à 10 GHz ou encore à la réalisation de convertisseurs analogiques-numériques ou DC-DC à très haute performance en terme de dynamique, de rapidité et de résolution. - Des modulateurs/démodulateurs vectoriels à haute linéarité jusqu en gamme millimétrique avec conversion directe. - Enfin, ces composants sont capables de supporter des tensions grille-source supérieures à 50 V, ce qui les rend peu sensibles aux agressions EM et permet la réalisation de LNA robustes de protection de chaîne de réception vu le faible niveau de facteur de bruit de cette filière (NF 1 db à 18 GHz). 4 F. Medjdoub et al, Highly stable Low Noise / High Power AlN/GaN-on-Silicon Double Heterostructure HEMTs operating at 40 GHz Accepted in Proc. of IEEE IRPS,

57 Titre : Caractérisation du canal radio dans les bandes ISM en environnement industriel Financement prévu : université Lille1 Cofinancement éventuel : région (Co) Directeur de thèse : Nathalie ROLLAND nathalie.rolland@iemn.unv-lille1.fr Co-directeur de thèse : Laboratoire : IEMN Groupe de recherche : CSAM Les technologies de l information et de la communication n ont pas encore pénétré le monde industriel. Pourtant, celui-ci est en attente de sa quatrième révolution appelée «Industrie 4.0» qui lui permettra de faire le lien entre les outils de conception (CAO), les outils de management de production (ERP), les automates (API) pilotant les machines à commande numérique (CN) et les robots industriels. Un premier pas a été franchi avec la reconnaissance lente mais progressive du protocole Ethernet industriel parmi les multiples bus de terrain (ModBus, FieldBus, Profibus, HART). L usine intelligente doit pouvoir en outre bénéficier des nombreux apports liés aux technologies de transmission sans fil. Néanmoins, les installations industrielles représentent des environnements spécifiques tels qu il convient de vérifier l aptitude des systèmes de communications sans fil civils déjà existants à y fonctionner de manière fiable. A l instar de l internet des objets, l une des applications envisagées pour doter l usine du futur d intelligence est l emploi de réseaux de capteurs sans fil permettant aux machines d échanger de nombreuses informations. Celles-ci leurs apporteront par exemple la capacité à demander une opération de maintenance non prévue (maintenance préventive collaborative), d adapter la réalisation d une opération par un robot en fonction de la disposition de machines nouvellement installées ou encore d envoyer une demande de mise en veille en raison de l interruption momentanée d une chaine de production en vue de réduire la consommation en énergie de l atelier. Les systèmes de réseaux distribués qui seront utilisés fonctionneront dans les bandes de fréquences réservées que sont les ISM (Industriel, Scientifique et Médical). Ainsi, le comportement des ondes radioélectriques utilisant des fréquences situées autour de 433MHz, 868MHz, 2.4GHz et 5.2GHz est à étudier tout particulièrement. Ce travail de thèse débutera, outre une étude bibliographique approfondie, par de nombreuses campagnes de mesure réalisées dans les environnements industriels du Nord-Pas de Calais et spécialement dans les domaines de l automobile et du ferroviaire mais aussi de l agro-alimentaire. Le dépouillement des résultats fournira des modèles de canal de propagation capables d orienter les choix d ingénierie radio à appliquer selon la typologie rencontrée. Contrairement à la plupart des travaux dans ce domaine, il s agira également de s intéresser aux zones plus confinées propres aux installations industrielles (convoyeurs hauts, plate-forme à base de poutrelles métalliques, cages d escalier, ). Une attention particulière sera apportée aux perturbations électromagnétiques pouvant résulter du rayonnement des machines électriques à courants forts couramment présentes dans ce type d environnement. Une méthodologie de caractérisation pourra être proposée afin de faciliter la conduite de telles mesures sur un site quelconque. Abstract : 57

58 Information and communication technologies did not still penetrate the industrial world. Though, the next revolution in this domain, called Industry 4.0 will allow to link together the computer aided design (CAD), Enterprise Resource Planning (ERP), Industrial Control Systems (ICS) and industrial robots. A first step has been done with the progressive acceptance of the protocol Industrial Ethernet amongst the multiple field bus (Modbus, FieldBus, Profibus, HART). Furthermore, the smart factory should be able to take advantage of the large amount of contributions of the wireless communication technologies. Nevertheless, the special characteristics of industrial sites require checking the ability of existing civil communication systems to run with reliability on it. Like in the domain of the Internet of Things, one of the considered applications to provide intelligence to future factory is to us wireless sensor networks in order to exchange a lot of information from Machine to Machine (M2M). For instance, this information will bring the capacity of robots to adapt a movement to the presence of new machines, to ask for a non-forecasted maintenance and repair operation or to send a standby request due to the temporary break of a production process in order to reduce the energy consumption of the workspace. Frequency bands of the distributed networks systems which will be used, are called ISM for Industrial, Scientific and Medical. Thus, the behaviour of radio waves using frequencies around 433MHz, 868MHz, 2.4GHz and 5.2GHz will be specifically studied. This thesis work will start, besides a deep bibliography, with a huge amount of measurement campaigns which will be carried out on industrial sites of the Nord-Pas de Calais with a focus on the domains of automotive, railway and food. The post-processing of the results will provide propagation channel models which should be used for engineering choices to apply according to the encountered typology. Conversely to traditional works in that domain, we will examine also the coverage of more confined areas such as high conveyors, plateforms made with metallic beams, stairwells, etc. A special study of the radiated disturbances will be achieved due to the presence of electrical machinery using strong currents often used in industrial environments. A methodology of characterizing of radio channel will be propose in order to facilitate these kind of measurements on any site. 58

59 Titre : Etude de l influence d un environnement réel sur les performances d un réseau de capteurs sans fil utilisant une technique de formation de faisceaux collaboratifs Financement prévu : Université Lille1, ANR Cofinancement éventuel : (Co) Directeur de thèse : Nathalie ROLLAND Co-directeur de thèse : Laboratoire : IEMN Groupe de recherche : CSAM Les performances de transmission de réseaux de capteurs sans fil peuvent être améliorées par l usage de la technique de formation de faisceaux collaboratifs (cooperative beamforming). Cette amélioration est optimale lorsque les capteurs communicants sont situés en une multitude de points fixes et dans un environnement à configuration géométrique stable dans le temps. Cette distribution de capteurs correspond, par exemple, à celle employée dans le contexte du smart grid où des mesures de l état d un réseau de distribution d électricité, d eau ou de gaz doivent être réalisées en des points fixes disséminés sur l intégralité du réseau. Dans ce cas, une étape d apprentissage doit être utilisée afin de synchroniser les oscillateurs locaux et de récupérer les informations de l état du canal (Channel State Information : CSI) avant de construire le faisceau permettant d assurer un lien entre des nœuds éloignés. Si on souhaite limiter la consommation d énergie des nœuds, on peut envisager de réduire au maximum cette étape d apprentissage mais en s exposant néanmoins à des baisses de performances dues à la modification de l environnement. Cette thèse consiste à étudier théoriquement et expérimentalement l effet de l apparition d obstacles (déplacement d individus) au milieu des nœuds d un réseau collaboratif en environnement outdoor et indoor. L objectif est ainsi de quantifier l influence des écarts existants entre un cas idéal et des cas plus réalistes sur les performances d un réseau de capteurs utilisant la technique du coopérative beamforming. Abstract : Communication performances of Wireless Sensor Networks (WSN) may be improved using the technique of cooperative beamforming (CB). This improvement is optimum when the communicating sensors are located in multiple fixed points and within a steady state geometrical configuration environment. This kind of sensors distribution is involved for instance in the smart grid case when measurement of the state of distribution networks of fluids such as electrical energy, water or gas have to be achieved in several points disseminated on the whole network. In that case, a preliminary learning step is required in order to synchronise local oscillators and gather Channel State Information (CSI) before to build the cooperative beamforming for transmission of data between distant nodes. If one wishes to limit the energy consumption of the nodes, it is possible to try to reduce the learning step duration but this implies that the communication will be less performing according to the environment changes. This thesis consists in studying theoretically and experimentally the effect of the emergence of obstacles (people displacement) amongst the nodes of a Wireless Sensor Network based on the cooperative beamforming in outdoor and indoor environments. The goal is to quantify the influence of the disparity between ideal case and actual case on such a WSN 59

60 Titre : Vers une Électronique Radiofréquence souple et biodégradable Financement prévu : Contrat d établissement Cofinancement éventuel : (Co) Directeur de thèse : Tuami LASRI tuami.lasri@iemn.univ-lille1.fr Co-directeur de thèse Laboratoire : IEMN Groupe de recherche : MITEC L amélioration conjointe des processus d impression par jet d encres conductrices et des caractéristiques des substrats que l on peut tordre, comprimer et étirer, a permis l'essor d une nouvelle électronique, non conventionnelle, essentiellement basse fréquence: l électronique souple. Grâce à des progrès substantiels réalisés tant sur les transistors que sur quelques nouveaux matériaux souples, nous pouvons désormais envisager le développement d une électronique flexible fonctionnant à des fréquences atteignant les 100 GHz, voire plus. Le sujet de thèse proposé porte essentiellement sur la caractérisation des matériaux et des interconnexions métalliques entre les transistors. Le doctorant débutera donc son étude en mesurant la conductivité thermique et la permittivité complexe jusque 220 GHz des matériaux souples de type polymère ou polyimide. Il déterminera ensuite les effets, sur les caractéristiques de propagation des lignes microrubans et coplanaires, d un étirement, d une compression, d une torsion du substrat et d un repliement autour d un axe, et ce, sur une plage de fréquence atteignant les 220 GHz. Fort de ces premiers résultats, des topologies innovantes d interconnexions seront proposées pour palier les dysfonctionnements électromagnétiques provoquées par les déformations du substrat supportant les lignes métalliques. Cette démarche sera appliquée, par le doctorant, au plus grand nombre de matériaux souples existants en vue d établir une base de données fiable pour la réalisation de transitions, filtres et antennes. Le doctorant transposera, ensuite, tout son savoir-faire sur des matériaux biopolymères. À ce jour, ces matériaux qui peuvent être biosourcés et donc totalement biodégradables, ne sont pas utilisés dans le domaine des radiofréquences. Cela sera le point de départ d une électronique micro-onde souple et verte. Abstract : Towards a flexible and green radio frequency Electronic The proposed thesis on flexible RF electronics focuses on the characterization of materials and metal interconnections between transistors. The PhD student will characterize thermal conductivity as well as complex permittivity of a wide variety of flexible material. He has to determine the effects on the propagation characteristics of microstrip and coplanar lines up to 220 GHz, consecutively to twisting and folding of the substrate around an axis. Some innovative topologies of interconnections will be proposed to overcome the electromagnetic malfunctions caused by deformation of the substrate in order to establish a reliable database for the realization of transitions, filters and antennas. The PhD student will transpose then his knowledge on biopolymers materials. To date, these bio-based materials which can be completely biodegradable are not used in the radio frequency range. This will be the starting point for a flexible and green RF electronics. 60

61 Titre: Etudes de structures Ferroics et du couplage ferroélectrique/magnétique. Applications aux composants accordables à hautes fréquences Financement prévu : Bourse UVHC Cofinancement éventuel : Directeur de thèse : Denis REMIENS denis.remiens@univ-valenciennes.fr Co-directeur de thèse : Tuami LASRI Tuami.Lasri@iemn.univ-Lille1.fr Laboratoire : IEMN Equipe : MIMM Descriptif en français : Ce sujet de thèse porte sur la croissance de films ferroélectriques et de films ferromagnétique. Il s agit plus précisément d hétéro structures. Les films sont déposés sur silicium par pulvérisation cathodique. Outre la détermination des conditions de dépôts optimales, des analyses physico-chimiques des films seront menées afin de corréler les conditions de dépôt et la structure, micro structure des films. Une part importante du travail consistera à qualifier les films aussi bien du point de vue électriques que magnétiques dans un large domaine de fréquence (plusieurs GHz). A ce titre une étude toute particulière sera menée sur l intensité du couplage moment électrique/moment magnétique. Ce couplage est capital car il devrait permettre de contrôler la perméabilité du matériau ferromagnétique par l action d un champ électrique sur ce matériau. C est une approche complètement originale puisque classiquement ce contrôle s effectue par application d un champ magnétique. Or dans le cadre d une intégration l utilisation d un champ électrique est toujours plus simple à mettre en œuvre qu un champ magnétique. On attend de ce travail la fabrication d un premier démonstrateur sur silicium ou l inductance d une bobine sera pilotée par le champ électrique interne du matériau ferroélectrique. Sous forme de films minces peu de travaux ont été publiés sur ce sujet, une étude bibliographique devra être menée afin d identifier l existant au niveau des réalisations similaires avec des matériaux céramiques. Descriptif en anglais : The topic of this thesis concerns the growth of ferroelectric and ferromagnetic materials. More precisely we focus on hetero structures. The films will be deposited on silicon by magnetron sputtering. The determination of the best sputtering parameters will be coupled with fine physico chemical analysis. An important part of this work will be relative to the electrical and magnetical properties evaluations. A particular interest will be given to the coupling coefficient between the ferroelectric/ magnetic films in a large frequency domain (few GHz). This coupling will be use to modify the film permeability by an electric field and not by a conventional magnetic field. For integration the use of an electric field is easier to fabricate. This approach is completely original. To conclude this work a new device will be fabricated where the self inductance will be control by an internal electric field. A very limited number of papers have been published on this topic with materials in thin film form. But in bulk ceramic we don t know and a complete bibliography will be necessary in a first time. The candidate must have a perfect knowledge in material and material sciences. A well know on chemical and physical analysis of materials. Knowledge of micro waves will be appreciated. Le candidat recherché doit disposer d un fort potentiel en matériaux, science des matériaux. De bonnes bases en caractérisations physico chimiques des matériaux. Des connaissances en hyperfréquences seraient un plus. 61

62 Titre : Etude et réalisation de dispositifs reconfigurables à base de films ferroélectriques pour applications dans les télécommunications sans fil Financement prévu : Bourse UVHC Cofinancement éventuel : Directeur de thèse : Denis REMIENS denis.remiens@univ-valenciennes.fr Co-directeur de thèse : Tuami LASRI tuami.lasri@iemn.univ-lille1.fr Laboratoire : IEMN Groupe de recherche : MAMINA / MITEC Les communications sans fil s avèrent comme un domaine d applications privilégié des matériaux accordables. Les communications dans les transports terrestres représentent à ce titre un champ de recherche de première importance (communication entre entités mobiles, télépéages, ). En réalité la question de la reconfigurabilité est centrale dans la problématique de mobilité qui est un des grands enjeux des Systèmes de Transports Intelligents (STI). Dans un autre domaine d applications, la communication entre réseau de capteurs nécessite également des antennes reconfigurables aussi bien à l émission qu à la réception afin d assurer une sélectivité du diagramme de rayonnement. A l IEMN, dans ce cadre, la collaboration entre l équipe MIMM et le groupe MITEC ont obtenu un certain nombre de résultats. Le travail de cette thèse consiste d une part à une étude matériau en vue de la détermination du matériau agile le plus approprié à ce type d applications. En particulier les possibilités d intégration aux technologies silicium seront déterminantes. Le second volet de l étude concerne l évaluation des performances du matériau sélectionné dans une gamme de fréquences très large [1GHz 100 GHz]. Les paramètres qui seront particulièrement étudiés sont le facteur de mérite qui traduit la tunabilité et les pertes du matériau. A l issue de ce travail des composants de base assurant la fonction de reconfigurabilité seront modélisés (à l aide du logiciel HFSS), fabriqués et caractérisés dans les plateformes de technologie et de caractérisations de l IEMN. Abstract : Thin film ferroelectrics are very promising materials for micro wave applications. Indeed, the change in permittivity as a function of electric field is a key to a wide range of applications. Ferroelectric-based systems are interesting for mobile communications. Actually, tunability is a key feature for Intelligent Transport System where mobility is a major issue. At IEMN, in this frame, the collaboration between the MIMM team and MITEC group obtained certain convincing number of results. The PhD work consists on one hand in material study with the aim of the determination of the agile material, the most suited for this kind of applications. The second part of the work concerns the evaluation of the materials performances in a wide frequency range [1 100 GHz], by the use of coplanar structure. At this end of this part basic components insuring the function of reconfigurability will be modelled (with for example HFSS), fabricated and characterized in IEMN technology and characterizations platform. Profil du candidat souhaité : Bonnes connaissances en Sciences des Matériaux, Hyperfréquences (aspect théorique et mesures) 62

63 Titre : Instrumentation hyperfréquence basée sur la technique multi-port pour la nano-caractérisation Financement prévu : Contrat doctoral Lille 1 Cofinancement éventuel : (Co) Directeur de thèse : Tuami LASRI tuami.lasri@iemn.univ-lille1.fr Co-directeur de thèse : Laboratoire : IEMN Groupe de recherche : MITEC La technologie multi-ports donne lieu au développement croissant de dispositifs dans le domaine de la mesure hyperfréquence pour la détermination de grandeurs complexes (coefficients de réflexion et/ou de transmission). Cette technologie, initialement développée autour d une architecture dite «six-port», permet de mesurer un coefficient de réflexion au travers d un circuit linéaire comportant six accès, dont quatre sont connectés à des détecteurs de puissance. La grande simplicité de ce système de mesure en a fait rapidement un candidat d intérêt pour de nombreuses applications. Par la suite, dans l objectif de simplifier encore plus les dispositifs, de diminuer la consommation de puissance, la taille des circuits et le coût, cette technique a donné naissance aux systèmes cinq-ports puis quatre-ports. Les dispositifs basés sur cette technologie permettent aujourd hui d adresser de nombreuses applications dans des domaines tels que la mesure radar, les télécommunications ou encore le contrôle non destructif. Le groupe MITEC de l IEMN contribue depuis de nombreuses années au développement et à la dissémination de cette technologie et jouit aujourd hui d une expertise reconnue. Dans le travail de thèse qui est proposé il s agira de participer au développement d un système, basé sur la technologie mutli-ports, destiné à des applications dans le domaine de la mesure de nano-dispositifs. En effet, la miniaturisation des dispositifs (micro vers nano) s accompagne de difficultés pour leur caractérisation en gammes de fréquences micro-ondes. En particulier, cette taille nanométrique engendre des impédances élevées (~kω) difficilement mesurables avec une instrumentation conventionnelle. Dans le but de proposer une nouvelle instrumentation hyperfréquence mieux adaptée à la nano-caractérisation, l approche envisagée dans cette thèse est la définition et la réalisation de fonctions hyperfréquences formant les briques de base d un système fondé sur la technique multi-ports. Ce projet de recherche regroupe ainsi les problématiques liées au domaine de la mesure vectorielle comme le développement d étalons de calibrage mais également des techniques de calibrage associées. Abstract : One of the most challenging topics in the nanotechnology field is related to the measurement of the electromagnetic properties of nano-objects, in particular in the domain of microwaves. Indeed, the difficulty to characterize nano-components is that they have high impedance values compared to conventional microwave measurement systems (50 Ω). This strong mismatching of impedance results in measurement inaccuracies that increase notably according to the frequency. In this study we propose to conceive a new measurement system to overcome this limitation. This approach relies on the definition and the realization of a system based on a new concept of microwave instrumentation that will be based on multi-port technique. 63

64 Titre : Nanosources d électronébulisation pour la spectrométrie de masse Nanotechnology for electrospray tips for ultra-high sensitivity mass spectrometry Financement prévu : Projet NEST (financement demandé dans le cadre des appels d offres de l ANR 2014) Cofinancement éventuel : (Co) Directeur de thèse : Steve ARSCOTT steve.arscott@iemn.univ-lille1.fr Co-directeur de thèse : Laboratoire : IEMN-CNRS-Université de Lille 1 Groupe de recherche : Nano et Microsystèmes (NAM6) Le/La thésard(e) travaillera dans le cadre du projet NEST à l IEMN. L objectif du projet NEST est d améliorer la sensibilité de la spectrométrie de masse à l ionisation par électronébuliseur d un facteur de deux à trois ordres de magnitude. Ceci aurait un grand impact sur le sujet de spectrométrie de masse et ses applications telles que les sciences de vie, la médecine, la sécurité et les sciences forensiques. Il est très connu que la miniaturisation des sources d électronébulisation améliore la sensibilité de la spectrométrie de masse ; l état-de-art actuel est mesuré dans les attomoles (10-18 mol) par litre le projet NEST visera la gamme zeptomole (10-21 mol) à yoctomole (10-24 mol). Pour ce faire, nous allons concevoir et créer des sources d électronébulisation à l aide de la nanotechnologie ces nanosources auront un rendement d ionisation sans précédent comparé aux sources commerciales basées sur les tubes capillaires en verre. Les objets du projet sont de : (i) étudier l électronébulisation «cône-jet-gouttelettes» d objets ayants des dimensions nanométriques ( nm) et (ii) étudier le comportement des sources en spectrométrie de masse de la phase liquide en phase gazeuses en fonction de la taille de la source. Abstract : The Ph.D. student will work in the NEST project at IEMN. The NEST project intends to boost the current stateof-the-art sensitivity level of electrospray mass spectrometry (ESI-MS) by a factor of at least two to three orders of magnitude. This would have a massive impact on mass spectrometry and its applications: life sciences, medicine, security and forensic science. It is well known that miniaturization of electrospray tips brings increased sensitivity; the current state-of-the-art sensitivity of ESI-MS is attomoles (10-18 mol) per litre the current project aims at the zeptomole (10-21 mol) to yoctomole (10-24 mol) sensitivity range. The NEST project aims to do this by creating miniaturized electrospray tips fabricated using nanotechnology which have an unprecedented molecular ionization efficiency compared to current commercial electrospray tips based on glass capillaries. The objectives of the project are to study charged cone-jet-droplet emission from objects which have dimensions measured in tens and hundreds of nanometres and to study the sensitivity of ESI-MS using such sources as the component used to transform the liquid-phase into the gas-phase containing the charged analyte ions. 64

65 Titre : Nano-drone volant à aile battante : Optimisation de la structure et de l aérodynamique Financement prévu : DGA Cofinancement éventuel : REGION Directeur de thèse : Sébastien GRONDEL sebastien.grondel@univ-valenciennes.fr Co-directeur de thèse : Eric CATTAN eric.cattan@univ-valenciennes.fr Laboratoire : IEMN-DOAE Groupe de recherche : MAMINA Descriptif en français : Le vol à ailes battantes permet d obtenir un vol de type quasi-stationnaire (contrairement aux objets à ailes fixes). Cette capacité est très intéressante dans le cas de la réalisation de micro-nano-drones, car ceux-ci doivent répondre à des exigences de grande manœuvrabilité et de stabilité. De plus, l avantage d un objet à ailes battantes sur un objet à voilures fixes (type avion à réaction) ou tournantes (type hélicoptère) est de pouvoir obtenir un meilleur rendement énergétique en s appuyant sur les courants d air pour, soit se stabiliser, soit se propulser. L intérêt de réaliser un nano-drone à ailes battantes permettrait également d ajouter au côté manœuvrabilité le côté discrétion (acoustique et visuel). L'objectif de cette thèse consiste en l optimisation d'un Objet Volant Mimant l'insecte (OVMI) à l'échelle 1. Ce projet se situe à la jonction entre plusieurs disciplines comme l'aéroélasticité, les microtechnologies, l'automatique, l électronique et l'énergétique et fait intervenir une collaboration entre deux laboratoires scientifiques : l ONERA pour les aspects aéroélastiques des ailes, et l IEMN pour la partie optimisation de la structure et intégration de microactionneurs Comme point de départ, le doctorant devra s appuyer sur les prototypes existants de masse 20mg réalisés par l IEMN pour lesquels des effets de portance d environ 13mg mesurés à l aide d une microbalance ont déjà été démontrés. Ceux-ci sont constitués d un actionneur électromagnétique inséré sur une structure souple réalisée à l aide des technologies microsystèmes et qui permet la mise en mouvement des ailes à la fois en flexion et en torsion. Le travail sera ensuite divisé selon deux axes : Concernant le premier axe, les résultats espérés au terme de la thèse sont une optimisation de la structure élaborée à base de polymère photosensible constituant le corps et les ailes de l'insecte artificiel en particulier en minimisant sa masse, en faisant évoluer la souplesse des ailes, et en renforçant leur amplitude en flexion et en torsion. En outre, le doctorant aura en charge l intégration de composants électroniques supplémentaires comme une centrale inertielle. Au niveau du second axe, l étudiant aura à comprendre les phénomènes aéroélastiques lorsque l'on travaille à des échelles mettant en jeu des nombres de Reynolds très faibles. Descriptif en anglais : The flapping wing-flight allows obtaining a quasi-stationary flight (as opposed to fixed wing objects). This capability is very useful in the case of the realization of micro-nano-drones, because they have to meet high requirements in terms of maneuverability and stability. In addition, an object with flapping wings at small scale can be more efficient for stabilization and propulsion than an object with fixed (jet type) or rotating wing (helicopter type) since it can take advantage of air patterns. The interest in producing a nano-drone with flapping wings would also bring acoustic and visual discretion. 65

66 The objective of this PHD thesis is the optimization of a Flying Object Mimicking Insect (OVMI) at scale 1. This project is at the interface of several disciplines such as aeroelasticity, microtechnology, automation and energy and involves collaboration between two scientific laboratories: ONERA for aeroelastic wing aspects, and IEMN for the structure optimization part and integration of microactuators. As a starting point, the student should work on existing prototypes (mass 20mg) made by IEMN for which the effects of lift have already been demonstrated (approximately 13mg measured using a microbalance). These prototypes consist of an electromagnetic actuator inserted on a flexible structure made using microsystems technology and which allows the movement of the wings in both bending and torsion. The work will then be structured around two main parts: On the first part, the expected results at the end of the PHD thesis is an optimization of the photosensitive polymer structure constituting the body and wings of the artificial insect. In particular, goals are to minimize its mass, to improve the flexibility of wings, and to increase their bending and twisting amplitude. In addition, the student will be responsible for the integration of additional electronic components such as an inertial device. At the second part, the student should understand the aeroelastic phenomena when working at scales involving very low Reynolds numbers. Profil du candidat : Le candidat doit avoir des compétences solides en modélisation multiphysique et en technologies microsystèmes. Des connaissances plus spécifiques en aéroélasticité, en électronique et en automatique seraient un plus mais ne sont pas exigées. 66

67 u Titre : Evaluation par voie ultrasonore de l adhésion de dépôts laitiers sur surfaces inertes Financement prévu : UVHC Cofinancement éventuel : (Co) Directeur de thèse : Emmanuel MOULIN Emmanuel.Moulin@univ-valenciennes.fr Co-directeur de thèse : Guillaume DELAPLACE guillaume.delaplace@lille.inra.fr Laboratoire : IEMN DOAE Université de Valenciennes Groupe de recherche : MAMINA Descriptif en français : Contexte scientifique : La contamination de surface par des souillures alimentaires ou microbiennes est un problème récurrent dans les industries agroalimentaires, entraînant des risques sanitaires non négligeables et des pertes financières très importantes. Il est important de signaler qu aujourd hui encore les conséquences en termes de santé publique restent à un niveau inacceptable puisque 25% des intoxications alimentaires seraient liées à une contamination lors du procédé de transformation. Ces contaminations sont initiées suite à la présence d un dépôt organique persistant (nommé souillure) dans l équipement, ce qui favorise le développement de microorganisme. Au-delà de l impact économique et sanitaire, l impact environnemental est loin d être négligeable (quantité d eau, agressivité des solutions détergentes). Objectifs de la thèse : Dans le cadre d une thèse réalisée en collaboration avec l INRA et se terminant au 1 er trimestre 2014, nous avons établi un protocole permettant la mesure d adhésion de dépôts laitiers par ondes ultrasonores par une méthode de réflexion ultrasonore d ondes transversales. Nous proposons de poursuivre cette étude pour étudier l encrassement par des bactéries pathogènes et biofilms sur des surfaces dédiées à l agroalimentaire et aux biomatériaux. Le facteur d échelle étant bien inférieur, cette étude nécessite le développement de nouveaux capteurs ultrasonores et d un protocole expérimental spécifique. La thèse se décomposera en deux parties, l une consacrée à la théorie de l interaction onde ultrasonore/ bactérie sur substrat, l autre partie sera consacrée à la validation expérimentale de capteurs dédiés pour la caractérisation de surfaces souillées. Parmi les techniques envisagées, nous nous intéresserons plus particulièrement aux méthodes de corrélations acoustiques (diffusive acoustic wave spectroscopy). Ces méthodes nous semblent plus appropriées à notre problématique car elles permettent de mesurer la mobilité moléculaire à l interface d intérêt. Profil du candidat souhaité : Le candidat doit avoir des compétences solides en acoustique et en modélisation multiphysique. Descriptif en anglais : Scientific context : Surface contamination by food or microbial soil is a recurring problem in the food industry, resulting in significant health risks and huge financial losses. It is important to note that even today the consequences in terms of public health remain unacceptably high as 25% of food poisoning are related to contamination during the process of transformation. These infections are initiated due to the presence of persistent organic deposit in the equipment, which promotes the development of microorganisms. 67

68 Beyond the economic and health impact, environmental impact is far from negligible (amount of water, aggressive cleaning solutions). Objectives of the thesis : As part of a thesis in collaboration with INRA and ending in 2014, we established a protocol for measuring adhesion of dairy deposits ultrasonic wave reflection method by ultrasonic transverse waves. We propose to continue this study to investigate the contamination by pathogenic bacteria and biofilms on surfaces dedicated to food and biomaterials. The scale factor is much lower, this study requires the development of new ultrasonic sensors and a specific experimental protocol. The thesis will consist of two parts, one devoted to the theory of ultrasonic wave interaction / bacteria on the substrate, the other part will be devoted to the experimental validation dedicated to the characterization of surfaces soiled sensors. Among the techniques proposed, we focus more particularly to methods of acoustic correlations (diffusive acoustic wave spectroscopy). These methods seem more appropriate to our problem because they can measure the molecular mobility at the interface of interest. 68

69 Titre : Quantification électromécanique de la force d adhésion des cellules biologiques sur un biomatériau fonctionnalisé Financement prévu : Bourse UVHC Cofinancement éventuel : Directeur de thèse : Georges NASSAR gnassar@univ-valenciennes.fr Co-directeur de thèse : Laboratoire : IEMN-DOAE Groupe de recherche : MAMINA Descriptif en français : Un biomatériau est destiné à être en contact avec les tissus vivants (solide ou dans un fluide) afin de remédier une certaine maladie ou d évaluer une prolifération ou une colonisation des souches de nature variée. De ce fait, ces matériaux doivent satisfaire à des caractéristiques physico-chimiques appropriées au site d implantation et au rôle à remplir. Dans ce contexte, le travail consiste à mettre en place une micro-tige électromécanique dans le but de corréler l adhésion d une ou des cellules en fonction de l hétérogénéité des propriétés mécaniques relevées dans la masse d un bio-matériau considéré comme substrat. Cette technique permettra d'étudier le processus et la force d'adhésion cellulaire par le biais de la conversion électrique des propriétés mécaniques d un micro-levier électromécanique. Equipé d'une pointe en contact avec l'échantillon, la traduction électrique issue de la micro-tige suite à une contrainte causée par une cellule adhérée, jusqu à l arrachement, sera enregistrée et convertie en une force par des lois convenables. La particularité d un tel système, est, d'une part d observer (mécaniquement) la topographie de la colonisation cellulaire et d'autre part de mesurer les interactions cellule/pointe afin de corréler les résultats avec la cartographie «mécanique» du substrat relevée auparavant. Deux actions refléteront l état cellulaire : 1. Par mesure du comportement rhéologique de la cellule/bactérie en agissant sur sa masse, 2. Par sollicitation de la cellule/bactérie afin de mesurer sa force d'adhésion. Ce projet pluridisciplinaires qui fédère des acteurs scientifiques de domaines variés et complémentaires comme la science des matériaux, la chimie, la mécanique, la physique, les mathématiques, visant à augmenter la performance extrême pour répondre à des besoins dans le domaine de la santé, la sécurité et le confort, avec des contraintes liées au développement durable (matières premières alternatives, nouvelles sources et économies d énergies, recyclage, changement climatique) et avec le souci d intégrer l analyse de leur cycle de vie. Descriptif en anglais : The topic of this work is to study and develop a micro-electromechanical lever in order to correlate the quality of unit cell adhesion according to the heterogeneity measured and observed in the mechanical properties of bio-mass material considered as substrate. This technique will allow studying the process through the link conversion between the mechanical and electrical properties of the micro lever. Process resulting by the stress caused by the adhesive power of a cell on the considerate bio-material. The candidate must have a deep knowledge both on the physico-chemical properties of biomaterials and cell biological nature. Knowledge of wave behaviour will be appreciated. 69

70 Titre : Métamatériaux multiphysiques : application aux bâtiments intelligents (mutiphysics metamaterial : Application to Smart buiding) Financement prévu : Contrat doctoral Lille1 Cofinancement éventuel : (Co) Directeur de thèse : Didier LIPPENS didier.lippens@iemn.univ-lille1.fr Co-directeur de thèse : Eric LHEURETTE eric.lheurette@iemn.univ-lille1.fr Laboratoire : IEMN Groupe de recherche : DOME Les métamatériaux sont des structures composites artificielles métallo-diélectriques. La structuration se fait à une échelle très petite devant la longueur d onde avec des motifs généralement résonants. Les effets de résonance conduisent à une amélioration des propriétés de transmission, de réflexion, d absorption ou de rayonnement. Ce sujet de thèse vise à l exaltation des propriétés d absorption des métamatériaux interagissant avec les ondes électromagnétiques et acoustiques. Ces structures sont étudiées dans le cadre d une collaboration avec l Université Polytechnique de Valence en Espagne (groupe de José Sanchez Dehesa). L application phare est le contrôle des perturbations électromagnétiques et mécaniques notamment sonores permettant de préparer les nouvelles avancées technologiques des bâtiments intelligents (Smart building). Le travail de thèse sera mené majoritairement à l IEMN en considérant les trois volets conception, fabrication et caractérisation. Il s agit principalement de déterminer la topologie, les dimensions et les propriétés des matériaux constitutifs en s efforçant de privilégier des filières matériaux industrialisables à plus ou moins long terme. L objectif principal est une absorption des ondes proche de 100 % et ceci quel que soit l angle d incidence et la polarisation. D autres propriétés et fonctionnalités seront envisagées telle que la réalisation d absorbants ultra minces et conformables dans le cadre de l equipex LEAF de l IEMN. La fabrication mettra en jeu les dernières avancées notamment en Impression par jet d encre et en structuration 3D tandis que la caractérisation se fera par l analyse de réseau vectoriel et en chambre anéchoïque. Abstract : Metamaterial are artificial structures aimed at tailoring the scattering of electromagnetic and acoustic response. For these multi-physics metamaterial singular properties (notably the achievement of negative values for the constitutive parameters) along with a dramatic improvement of the transmission, reflection, absorption and radiation properties were demonstrated. The main objective of this PhD proposal is to design, fabricate and experimentally assess broad band, ultra thin absorbing layers. The key application of this metamaterial- based devices are the next generation of smart materials used notably in Electro Magnetic Compatibility (EMC) issues and protection against acoustic perturbation which are one of the main priorities in Smart building. Towards this goal it will be seek to improve he absorption mechanisms via resonance enhancement along an increase of the bandwidth wit multi-size resonators. From the fabrication side, the novel techniques such as ink jet printing and 3 D structuring techniques will be investigated while the experimental assessment will be conducted via Vector Network Analysis (VNA) and measurement in anechoic chamber at IEMN. All these studies will be conducted in the framework of a tight collaboration between the Polytechnic University of Valencia (Spain) and the University of Lille (J. Sanchez Dehesa group). 70

71 Titre : Competitive nonreciprocal devices for THz and MWIR frequencies Financement prévu : Lille1 Cofinancement éventuel : ANR (Co) Directeur de thèse : Jean-François LAMPIN jean-francois.lampin@isen.iemn.univ-lille1.fr Co-directeur de thèse : Laboratoire : IEMN UMR8520 LCI Groupe de recherche : Thz Photonics Fig.: Illustration du Kerr magnéto-optique (MOKE) exalté par les effets de plasmons de surface. La présence du substrat MO sur un réseau plasmonique brise la dégénérescence aller-retour des Wood plasmons. Proche de ces anomalies la signature MOKE exprimée par la différence en réflectivité entre l'onde aller et l'onde retour peut monter jusque 100%. Aux fréquences THz (100GHz-10THz), il n'existe actuellement pas de solution pour la réalisation des fonctions non-réciproques tels que l'isolation entre deux ports. En plus dans la gamme MIR jusqu'à 100THz (λ = (λ = μm). Ce n'est que depuis peu, avec les avancées énormes réalisées par les lasers à cascade quantique (QCL), que des sources cohérentes, spectralement pures et à haute puissance sont devenus facilement accessible pour le reste de la gamme MIR. Les rares isolateurs disponibles commercialement sont limités aux lignes CO 2 et utilisent toujours les layouts Faraday volumineux et nécessitant des champs magnétiques jusqu'à 1.5 T. L'utilisation des THz dans un éventail de domaines toujours plus large allant de la spectroscopie chimique aux communications haut débit sans fil, augmente considérablement le nombre de cas où le besoin d'un isolateur dans la trajectoire devient indispensable. Par exemple, une spectroscopie ultra-précise (à distance) serait impossible en 71