MODELISATION DU DETACHEMENT EN VUE D ITER ET VALIDATION EXPERIMENTALE SUR JET

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1 MODELISATION DU DETACHEMENT EN VUE D ITER ET VALIDATION EXPERIMENTALE SUR JET Doctorant : Christophe Guillemaut Directeur : Bernard Pégourié Superviseurs : Jérôme Bucalossi et Richard Pitts Laboratoire : CEA Cadarache/IRFM/SIPP/GP2B Objectif : La maîtrise de la fusion nucléaire représente de nombreux avantages: une énergie propre, sure, abondante et quasiment indépendante de réserves minières stratégiques. L obtention de réactions de fusion deutérium/tritium auto entretenues dans les plasmas confinés magnétiquement dans les tokamaks nécessite des températures de l ordre de la centaine de millions de degrés. L interaction d un tel milieu avec les matériaux constituant la paroi des tokamaks représente actuellement le plus grand défi à relever en fusion avant d envisager une application industrielle. La limitation du flux de chaleur sur ces matériaux est possible grâce à un régime où le plasma n est plus que partiellement en contact avec ces derniers. La compréhension et la modélisation de ce régime est actuellement un problème important en fusion et plus particulièrement pour le projet ITER qui vise à démontrer la faisabilité de la fusion à une échelle industrielle avec, entre autre, le maintient de ce régime dit «partiellement détaché» pendant toutes les opérations majeures. Mon doctorat s inscrit dans un effort en vue d une meilleure compréhension du détachement à l aide de modélisations numériques comparées aux expériences sur le tokamak européen JET. Avancement du travail : Mon travail a commencé par une phase d apprentissage du code Edge2D-Eirene, couplant un modèle multi fluide pour le plasma (Edge2D) à un modèle Monte- Carlo (Eirene) pour les particules neutres. J ai aussi dû me familiariser avec l expérimentation sur JET et les diagnostiques dont on cherche à reproduire les signaux en modélisation. J ai ensuite travaillé à la modélisation d expériences de détachement réalisées sur JET dans différentes configuration magnétiques avec différents type de matériaux pour les composante face au plasma. J ai focalisé mes recherches sur la sensibilité du détachement à deux effets en particulier dans JET: _ les différents processus de physique atomique impliqués _ les matériaux, en comparant des expériences réalisées en environnement carbone avec les récentes expériences en environnement métallique (Be/W). Résultats : L utilisation d un modèle plus complet pour la physique des neutres ainsi que le traitement minutieux des données expérimentales se sont avérés fructueux. Pour tous les cas que je modélise dans JET, le code a enfin démontré sa capacité à entrer dans un régime partiellement détaché de manière stable, comme dans l expérience, ce qui n était pas le cas jusqu à présent. Toutefois, l assymétrie entre côté fort champs et côté faible champs, observé dans les expériences de détachement, ne peut pas être reproduite par le code. L inclusion de dérives serait à envisager à l avenir. Les propriétés des surfaces matériels en intéraction avec le plasma sont encore mal connues et leur modélisation est encore très approximative. Des expériences dédiées à cela pourrait permettre d établir des modèles plus élaborés. Publications : _ 1 er auteur : C.Guillemaut, et al., Radiative power loading in the ITER divertor, Fus Eng Des (2011) C.Guillemaut, et al., Edge2D-Eirene modelling of divertor detachment in JET high triangularity L-mode plasmas in carbon and Be/W environment, Journ. Nucl. Mat. (2012) C.Guillemaut, et al., Influence of the atomic physics in the detachment modelled with EDGE2D- EIRENE in JET in carbon and Be/W environment, Nuclear Fusion (en cours) _ Co-auteur : M.Groth, et al., Impact of carbon and tungsten as divertor materials on the scrape-off layer conditions in JET, Nuclear Fusion (en cours)

2 Résumé FENICIA: A New 3D Code for a General Class of Plasma Models Using a New Approach to Field-aligned Coordinate Systems Nom et Prénom : HARIRI Farah Intitulé et adresse du Laboratoire : CEA Cadarache, 13108, St Paul Lez Durance, France Nom du Directeur de thèse : OTTAVIANI Maurizio This work illustrates a new approach to field-aligned coordinates which is not based on flux variables. The method is implemented in a newly developed 3D code called FENICIA that solves a class of plasma models ranging from the Hasegawa-Mima equation up to the kinetic equations. I first present the features of the new code I developed, and show how the new method has a number of advantages over methods constructed starting from flux coordinates, allowing for more flexible coding in a variety of situations including X-point configurations. The accuracy of the approach is tested in particular with respect to the question of spurious radial transport, an obvious concern when abandoning flux coordinates. In this regard, I also show that numerical radial diffusion can be easily kept under control with the choice of suitable algorithms, at a minimal computational cost. Then, tests on a 3D model for Ion Temperature Gradient (ITG) driven turbulence in cylindrical geometry demonstrate that the method is well suited to exploit the flute property of small parallel gradients by minimizing the number of degrees of freedom needed to treat a given problem in an accurate and efficient manner. Finally, simulations in the nonlinear turbulent regime allow one to recover, at reduced numerical cost, the standard features of slab ITG turbulence.

3 Etude de la dynamique de la turbulence plasma dans le tokamak Tore Supra par réflectométrie à balayage ultra-rapide G. Hornung, F. Clairet, G. Falchetto*. CEA, IRFM, F Saint-Paul-lez-Durance, France directeur de thèse * encadrant CEA Une des problématiques majeures dans le domaine des plasmas de fusion est la présence de phénomènes turbulents qui peuvent affecter la performance d'un réacteur. La mesure et la caractérisation de la turbulence plasma dans les machines de fusion, tel le tokamak, sont par conséquent essentielles à la compréhension et au contrôle de ces phénomènes. La réflectométrie permet, depuis de nombreuses années, de mesurer la densité électronique d un plasma et ses fluctuations. C est une technique radar qui consiste à sonder le plasma à l aide d ondes électromagnétiques. L onde se propage dans le plasma jusqu à atteindre une couche dite de coupure où elle est réfléchie. Dans cette couche, la fréquence de l onde est égale à la fréquence de coupure, qui dépend de la densité du plasma. Un balayage continu en fréquence permet de sonder le plasma depuis le bord jusqu au centre. Les fluctuations de densité au voisinage de la couche de coupure engendrent des fluctuations de la phase et de l amplitude mesurables sur le signal de l onde réfléchie. En réalisant des balayages successifs, il est possible de suivre l évolution des fluctuations de densité avec une très bonne résolution spatiale (millimétrique) et temporelle (3 s) [1]. Une analyse des corrélations croisées a été réalisée sur les signaux de façon à déterminer temps et longueurs de corrélation des structures turbulentes ainsi que leur vitesse de propagation. Les observations réalisées sur le tokamak Tore Supra montrent que dans un plasma sans chauffage additionnel (plasma ohmique), les structures turbulentes ont une taille millimétrique au cœur du plasma (plasma chaud et dense). Dans les régions périphériques, où le plasma est moins dense et plus froid, les structures ont une taille centimétrique et se propagent radialement vers l extérieur jusqu à des vitesses de l ordre de 500m s -1 [2]. La dépendance paramétrique des propriétés de la turbulence par rapport à la densité du plasma et du courant a également été étudiée. En augmentant la densité, la taille des structures turbulentes diminue au centre du plasma. A l inverse, une augmentation du courant plasma produit une augmentation de la taille des structures turbulentes. Ces dépendances ont été comparées à des prédictions théoriques afin d identifier les instabilités dominantes. En présence de chauffage additionnel, le plasma périphérique est fortement perturbé. Les vitesses de propagation de la turbulence augmentent significativement par rapport à celles mesurées dans les plasmas ohmiques. Les mécanismes pouvant être à l origine de ces modifications sont également discutés. Références [1] F. Clairet et al, Rev. Sci. Instrum. 81, 10D903 (2010) [2] G. Hornung et al, Plasma Phys. Controlled Fusion (submitted)

4 PANAYOTIS Stéphanie CEA/IRFM Cadarache Saint Paul lez Durance Directeur : Pascale Monier Garbet Sujet : Rétention du deutérium et migration du carbone dans Tore Supra. Le XXème siècle a été marqué par la recherche de nouvelles sources d énergie abondantes et bon marché, ce qui a conduit à l utilisation massive de combustibles fossiles tels que le pétrole ou le gaz. Aujourd hui, ces ressources sont menacées, il est donc nécessaire de trouver de nouvelles sources d énergie renouvelables. De plus, leur impact nocif sur l environnement a orienté les recherches vers des sources d énergie respectueuses de l environnement. La fusion thermonucléaire est l une des pistes envisagées. Son principe repose sur la fusion de deux noyaux légers, le deutérium et le tritium, deux isotopes de l hydrogène. Cette réaction nécessite des conditions de température élevée, de l ordre de quelques millions de degrés. Les réactifs, initialement sous forme de gaz sont donc chauffés, créant un plasma. Ce plasma est confiné à l aide de forts champs magnétiques, c est la fusion thermonucléaire par confinement magnétique. Ce plasma est évidemment contenu par des parois matérielles qui ont pour rôle d extraire le flux de chaleur issus du plasma, de contrôler le flux de particule en sortant. Ces parois, au contact du plasma, subissent de nombreuses réactions pouvant mettre en jeu leur intégrité et détériorer les propriétés du plasma, et conduire à sa perte. L interaction entre le plasma et les parois est d ailleurs un enjeu majeur pour les futurs réacteurs de fusion. Les matériaux de première paroi sont donc aujourd hui au cœur des recherches. Le carbone a été longtemps utilisé dans les réacteurs, le tokamak Tore Supra utilise d ailleurs ce matériau. Afin d étudier ses propriétés, une campagne expérimentale dédiée y a été conduite en Cette campagne a confirmé la capacité du carbone à retenir de grandes quantités d hydrogène. Ce phénomène est une véritable problématique de sureté pour les futurs réacteurs dans la mesure où le tritium est un isotope radioactif et toxique de l hydrogène. Dans le but de comprendre les phénomènes mis en jeu, j ai étudié la rétention du deutérium dans Tore Supra. Cette rétention est connue pour être étroitement liée à l érosion des matériaux de premières parois car l hydrogène est piégé lors de la création de dépôts de carbone. L étude de la rétention m a donc conduit à étudié les phénomènes d érosion et de déposition dans Tore Supra. Deux méthodes était généralement utilisées pour quantifier la rétention: le bilan de gaz pendant les décharges plasma, et les analyses post-mortem. Ces méthodes appliquées sur de longues périodes, de l ordre de quelques années montraient de grandes différences, typiquement un facteur 5. L objectif de ma thèse a donc été d expliquer cette différence, en étudiant la formation de ces couches riches en carbone (modélisation de la migration du carbone dans un plasma) et leurs propriétés (dégazage sous vide, oxydation sous air) afin de réconcilier les études menées par bilan de gaz et à partir d analyses post-mortem.

5 Caractérisation et modélisation du comportement thermodynamique du combustible RNR-Na sous irradiation Nom et prénom: Pham Thi Tam Ngoc Intitulé et adresse du Laboratoire: IM2NP, UMR CNRS 6242 Université Paul Cézanne, Faculté des Sciences et Techniques, Av. Escadrille Normandie Niemen, Marseille Cedex 20, France Nom du Directeur de thèse: Philippe Maugis Le combustible oxyde mixte (U,Pu)O 2 des réacteurs rapides à caloporteur sodium se distingue par une puissance spécifique en fonctionnement nominal très élevée qui, associée à la faible conductivité thermique, conduit à une température au centre des pastilles combustibles excédant 2000 C. À forts taux de combustion (> 7 at%), les produits de fission (PFs) volatils (césium Cs, iode I, tellure Te) ou métalliques (molybdène Mo) sont partiellement relâchés hors du combustible et finissent par constituer un Joint Oxyde Gaine (JOG) entre la périphérie de la pastille combustible et la face interne de la gaine. Mon sujet de thèse est majoritairement axé sur l étude thermodynamique du système (Cs- I-Te-Mo-O) et l étude de la diffusion de ces produits fissions dans le JOG. En ce qui concerne l étude thermodynamique, il faut prédire des formes chimiques des PFs les plus probables pouvant se former au cours de l irradiation et déterminer des systèmes «tampon» pouvant réguler le transport de l oxygène et des PFs volatils au sein du matériau. En ce qui concerne l étude de la diffusion, il s agit de développer une méthodologie pour simuler la formation et le transport des PFs dans le JOG, le but étant d avoir un tout premier modèle de migration des espèces chimiques formées après avoir effectué une recherche sur les mécanismes de transport des PFs. Dans le cadre de l étude thermodynamique, nous nous focalisons sur les 4 systèmes binaires : Cs-Te, Cs-I, Cs-O, Mo-I et les 2 systèmes ternaires: U-Cs-O, Cs-Mo-O. Le travail est principalement axé sur l étude du système binaire (Cs-Te), qui est le système majeur intervenant dans la formation du JOG ainsi que dans le processus de corrosion de la gaine en acier des aiguilles. En ce qui concerne le système binaire Cs-Te, les deux composés existant dans la base de données actuelle sont Cs 2 Te et Cs 5 Te 3. Toutefois, des incertitudes demeurent sur le diagramme de phase, les fonctions thermodynamiques et la phase liquide. Nous envisageons donc dans un premier temps des mesures calorimétriques (mesures d enthalpie de mélange entre Cs 2 Te et Te dans le liquide, mesures d enthalpie de dissolution de Cs 2 Te ) au laboratoire IM2NP (Université Saint Jérôme, Marseille). Pour le système Cs-I, seul le composé CsI est répertorié dans les bases de données thermodynamiques existantes. La modélisation des fonctions thermodynamiques des phases condensées telles CsI 3 et CsI 4 fait l objet de notre étude. La phase liquide et les enthalpies de mélanges de ce système sont bien décrites dans la littérature.

6 Optimisation de l utilisation du Gd comme poison consommable dans le combustible nucléaire : Vers un REP sans bore? PIECK Darío Laboratoire des Lois du Comportement des Combustibles DEN/CAD/DEC/SESC/LLCC - Bât CEA CADARACHE ST PAUL LEZ DURANCE Directeur de thèse : DESGRANGES Lionel La description du travail de thèse ne peut être divulguée pour le moment pour raison de dépôt de brevet.

7 Résumé VEZINET Didier Analyse et utilisation du rayonnement X-mou d un plasma de Tokamak pour le contrôle temps-réel Institut de Recherche sur la Fusion par Confinement Magnétique Centre CEA de Cadarache Saint-Paul-lez-Durance Directeur de thèse : Responsable CEA : Dr. Didier MOREAU Dr. Didier MAZON Un Tokamak est un réacteur (expérimental) à fusion nucléaire dans lequel un plasma d hydrogène chauffé à de très hautes températures dans une chambre à vide torique est contrôlé par confinement magnétique. Proche d un équilibre magnétique stable, les surfaces de flux magnétique sont des tores emboités sur lesquels les paramètres tels que la densité où la température électronique sont uniformes. Le rayonnement X mou (rayons X de basse énergie) permet d avoir une image fidèle de ces deux paramètres, avec en plus une composante due aux impuretés éventuellement présentes dans le plasma. Dans une section poloïdale (i.e. : une section droite suivant un plan comprenant l axe de symétrie du tore), et en supposant que les impuretés ne perturbent pas significativement l émissivité X-mou, les lignes iso-émissives donnent donc une image des surfaces de flux magnétique. Cependant, des travaux récents ont montrés dans certains cas particuliers l existence d asymétries poloïdales d émissivité X mou en particulier lors d application de différents types de chauffages du plasma. Ces asymétries, de trois types, sont attribuées à l effet des impuretés sur les X mous. La première est due à la force centrifuge due à une forte rotation toroïdale des plasmas chauffés par injection de neutres. La seconde est vraisemblablement due à un piégeage magnétique des ions chauffés par fréquence cyclotronique ionique. Et la troisième [1], associée à un chauffage par fréquence hybride, est non expliquée pour l instant. Le second type d asymétrie fait l objet de tentatives d explications théoriques depuis quelques années et d observation expérimentales auxquelles j ai pu contribuer sur le Tokamak ASDEX-Upgrade en décembre dernier. Les inversions tomographiques réalisées par mes soins montrent sans ambiguïté l existence des asymétries attendues, pendant des injections de tungstène par ablation laser. Des analyses plus approfondies sont en cours. Le troisième type d asymétrie fait l objet de mon attention en cette fin de thèse. Une piste nouvelle est explorée qui rapprocherait ce phénomène d observations similaires sur le rayonnement X dur [2], en écartant potentiellement la piste des impuretés. Pour ce faire, une méthode rapide d estimation de la densité totale d impureté injectée est explorée. Cette méthode [3] est envisagée comme un outil d analyse rapide dont je m efforce d éclaircir le domaine d applicabilité. Elle repose par ailleurs sur une calibration absolue des détecteurs utilisés, calibration à laquelle j ai participé [4]. [1] D. Mazon, D. Vezinet et al., Rev. Sci. Instrum., vol. 83, no. 6, p , [2] Y. Peysson and J. Decker, Phys. Plasmas, vol. 15, no. 9, p , [3] D. Vezinet, D. Mazon, et al., Fusion Sci. Technol., vol. accepted, [4] D. Vezinet, D. Mazon, and P. Malard, J. Appl. Phys., vol. Submitted, Journées de l école doctorale 30 et 31 Mai 2013 ED 352 Luminy Physique et Sciences de la Matière

8 Fall Mandiaye C.E.A, LETI, MINATEC Campus 17 av. des Martyrs, F Grenoble, France Institut-Fresnel, CNRS, Aix-Marseille Université, Campus de Saint-Jérôme F Marseille, France Encadrant C.E.A : Salim Boutami Directeur de thèse : Brian Stout Multiscale modeling of nanophotonic systems: Multilevel fast multipole method for the design of largescale nanophotonic systems ABSTRACT: We have developed a multilevel fast multipole method, adapted to the simulation of largescale nanophotonic systems. The method consists in the formulation of equivalent charge and currents, related to scalar and vector potentials, at the surface of the scatterers. The calculation of interactions between boundary elements of the surface is accelerated by the fast multipole algorithm. This method has been applied to the design of various systems, including plasmonic systems, which can hardly be treated by classical methods. Nanophotonic structures are generally simulated by volume methods, as Finite-difference time-domain (FDTD) method, or Finite element method (FEM). However, for large structures, or metallic plasmonic structures which require a fine mesh, the memory and time computation required can increase dramatically, and make proper simulation infeasible. Surface methods, like the boundary element method (BEM) have been developed to reduce the number of mesh elements. These methods consist in expressing the electromagnetic filed in whole space as a function of electric and magnetic currents at the surface of scatterers. Combined with the fast multipole method (FMM) that enables a huge acceleration of the calculation of interaction between far mesh elements (Fig. 1), very large systems can thus be handled. What we performed is the development of an FMM on a new BEM formalism [1], based on scalar and vector potentials instead of electric and magnetic currents, for the first time to our knowledge. This method was shown to enable accurate simulation of metallic plasmonic systems [2], while providing a significant reduction of computation requirements, compared to BEM-alone (Table 1). Several thousands of unknowns could be handled on a standard computer. Table 1 : Memory and time computation comparisons for BEMalone and FMM-BEM (Gold plasmonic nanoparticles of different radii, λ=516nm) Radius ( R λ 0 ) Number of unknowns Memory (GB) BEM/MLFMM Time (s) BEM/MLFMM / / / / /1.192 / /3.909 / /3.399 / /4.321 /4 801 More complex nanophotic systems have been simulated, such as a plasmonic lens consisting of a collection of gold nanorods, as described in [3]. The memory required in this case is a few GBs, instead of several tens of GBs with FDTD. Figure 1 : (a) surface mesh of a particle ; (b) FMM acceleration by adaptative domain meshing,and merging of interactions calculations ; (c) Surface charges at exterior surface of a gold nanoparticle (λ=516nm, radiusλ /2). Figure 2: (a) plasmonic nanolens with nanorods with width ranging from 25nm to 75nm [3]; (b) electric field at focal plane (BEM-FMM) ; (c) electric field in section plane (BEM-FMM). Our perspective would be to extend the method to periodic systems with large number of unknowns, like image sensor matrices for example. Références : [1] F. J. Garcıa de Abajo, A. Howie, "Retarded field calculation of electron energy loss in inhomogeneous dielectrics", Phys. Rev. B 65, (2002). [2] M. Fall, S. Boutami, A. Glière, B. Stout, and J. Hazart,"Multilevel fast multipole method based on a potential formulation for 3D electromagnetic scattering problems", to appear in JOSA A, (2013). [3] L. Verslegers, P. B. Catrysse, Z. Yu, W. Shin, Z. Ruan, and S. Fan, "Phase front design with metallic pillar arrays", Opt. Lett. 35, pp (2010)

9 Fonctionnalisation de Substrats Nano- structurés pour le Stockage et la Conversion de l'energie Loïc Assaud Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille Aix- Marseille Université CNRS, Campus de Luminy Marseille Cedex 9 Directrice de thèse: Margrit Hanbücken Encadrant: Lionel Santinacci Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre d'un projet visant la fonctionnalisation de substrats nanostructurés pour des applications dans le domaine de la conversion, du stockage et de la distribution d énergie. La première phase de ce travail consiste à élaborer des nanostructures par voie électrochimique (nanotubes de TiO2 et membranes d Al2O3), hautement organisées, et présentant une grande surface spécifique fonctionnalisable. Les structures ainsi élaborées sont par la suite fonctionnalisées par atomic layer deposition (ALD). La technique ALD permet de déposer des oxydes, des nitrures ou encore des métaux à partir de précurseurs chimiques en phase vapeur, qui réagissent par chimisorption avec la surface du substrat considéré. Cette méthode permet un contrôle précis de l épaisseur du matériau déposé ainsi qu un dépôt de haute qualité et de grande conformité le long des parois de structures tridimensionnelles. Dans la première partie de ce travail, nous nous intéressons au stockage de l énergie en fabricant des systèmes métal- isolant- métal (MIM) dans les nanostructures d alumine, sous la forme de couches- sandwichs par dépôts successifs de films ultra- minces de matériaux alternativement conducteurs et diélectriques par procédé ALD. Les nano- condensateurs ainsi élaborés présentent de hautes performances (10 μf/cm 2 ). L intérêt de l ALD est qu elle autorise un contrôle de la croissance des films couche atomique par couche atomique. Dans cette étude, les deux oxydes suivants: HfO2 et Al2O3 ont été choisis comme matériau isolant car ils présentent chacun une grande constante diélectrique et se déposent par ALD en utilisant des précurseurs organo- métalliques sélectionnés notamment pour leur tension de vapeur élevée et la quantité d impuretés réduite dans les couches déposées. Concernant le conducteur, notre choix s est porté sur le dépôt de TiN. Des premiers tests ont Figure - Nanotubes de TiO2, bruts (gauche), couverts de nanoparticules de Pd (droite). également étaient réalisés avec des dépôts de Pt. Nous cherchons ici à optimiser les dépôts de manière à augmenter les performances des condensateurs. La seconde partie de ce travail s intéresse à la conversion d énergie en étudiant des systèmes Ni/Pd et NiO/Pd déposés par ALD sur les structures de TiO2 et d Al2O3. Les propriétés catalytiques des complexes Pd/Ni sont étudiées pour promouvoir les réactions d électro- oxydation de l acide formique et de l éthanol, respectivement en milieu acide et alcalin. Des mesures de voltammétrie cyclique sont réalisées et montrent l efficacité de l utilisation des structures Pd/Ni comme électro- catalyseurs synthétisés par ALD.

10 Couplage spectroscopie de rayons-x et microscopie en champ proche DEHLINGER MAËL Aix-Marseille Univ., CINaM, 13288, Marseille, France Directeur de thèse : Prof. Didier Tonneau Co-directeur de thèse : Carole Fauquet Les microscopes en champ proche permettent d obtenir la topographie d un échantillon avec une résolution pouvant atteindre la résolution atomique. Ces techniques permettent également d accéder à certaines propriétés locales de la surface telles que le potentiel, l élasticité, la densité d états Ces spectroscopies sont de type contraste. Pour les utiliser afin de dresser une cartographie chimique de la surface, couplée à sa topographie, elles exigent une connaissance a priori de sa composition chimique. L analyse chimique élémentaire n est pas possible. La spectroscopie de rayons-x est une méthode de caractérisation qui donne à l utilisateur des informations sur la composition chimique de l objet d étude illuminé par un faisceau excitateur X. La collecte du signal émis par l échantillon (fluorescence X ou luminescence visible) se fait habituellement en champ lointain. La résolution est essentiellement limitée par la taille du faisceau primaire (au mieux quelques µm²). Pour augmenter la résolution, il est possible de procéder de deux manières différentes: -soit il faut réduire l étendue du faisceau primaire excitateur. -soit il faut limiter la collecte du rayonnement émis à une portion du volume excité, tout en approchant le détecteur au maximum pour garder un rapport signal/bruit suffisant. C est cette deuxième option que nous avons choisie de développer au cours de ma thèse. Dans ce but, notre objectif est de coupler les techniques de microscopie à champ proche et de spectroscopie de rayons X afin de pouvoir collecter localement la luminescence visible (XAS-XEOL) ou la fluorescence X (XRF) issue de l échantillon par la pointe-sonde d un microscope de type shear force. Ainsi il est possible d avoir simultanément une cartographie de la surface et la cartographie chimique locale de l échantillon. L objectif de ma présentation est de montrer les résultats expérimentaux obtenus concernant ce couplage. Nous verrons comment l approche d une sonde proche de la surface pour la collection du signal revient artificiellement à approcher le détecteur. Ces derniers résultats seront complétés par de la simulation afin de déterminer les conditions optimales pour conserver un bon niveau de signal/bruit avec la meilleure résolution spatiale possible. Adresse mail : dehlinger@cinam.univ-mrs.fr

11 Adsorption et auto-assemblage de molécules [5]hélicène fonctionnalisées sur surfaces ioniques isolantes Directeur de thèse : Claude R. Henry Co-directeur : Clemens Barth Brice Hoff CINaM-CNRS, Centre interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille Aix-Marseille Université, Marseille Cedex 09, France Récemment, les dépôts de films minces organiques sur surfaces isolantes sont devenus essentiels de part leur avantage de découpler électroniquement les molécules de leur support, contrairement aux surfaces métalliques. Ces recherches amènent à de nouveaux phénomènes d'adsorption et d'auto-assemblage décrits par une interaction de van der Waals entre molécules non spécifique au site d'encrage, et une interaction électrostatique entre le réseau ionique de la surface et les molécules. Ces mécanismes précis sont ici étudiés par microscopie à force atomique en mode non contact (nc-afm) et par microscopie à sonde de Kelvin (KPFM) [1]. Cette présentation se concentre sur des molécules de pentahélicènes fonctionnalisées déposées en ultravide sur la surface (001) de cristaux ioniques (halogénures alcalins) purs ou dopés par des ions divalents Cd 2+ (Suzuki Surface) [2]. La structure locale de ces films moléculaires et la contribution des dipôles sont étudiées respectivement par microscopie AFM en mode non contact en ultravide et par microscopie à sonde de Kelvin, ainsi que par des calculs DFT dans le but de comparer les expériences à la théorie. Nous montrons que l'adsorption aussi bien que l'auto-assemblage de ces molécules dépendent fortement du nombre de groupes fonctionnels, du type de groupe (dipôle), et du réseau ionique de la surface. Par exemple sur la Figure (b), la surface de Suzuki nanostructurée (001), qui présente des régions de Suzuki (contenant les ions Cd 2+ ) et des régions de NaCl pur, est recouverte d'une monocouche de molécules DiCyano. L'autoassemblage a lieu uniquement dans les régions de NaCl pur, sur les régions de Suzuki une structure amorphe est observable. Nous démontrons en particulier que les interactions électrostatiques du groupe fonctionnel avec le réseau ionique jouent un rôle majeur dans le phénomène d'adsorption. Figure: (a): Les 4 fonctionnalisations étudiées de la molécule pentahélicène (distance d=0.41nm pour DiCyano et 0.34nm pour DiBromo). (b): Résolution moléculaire de l'auto-assemblage de molécules DiCyano[5]hélicènes sur la surface de Suzuki. Spécifiquement pour cette molécule, l'auto-assemblage selon la direction <001> a lieu uniquement dans les régions de NaCl pur, alors qu'une structure amorphe est apparente sur les régions de Suzuki. Références [1] Barth, C.; Foster, A. S.; Henry, C. R.; Shluger, A. L.; Adv. Mater 2011, 23, 477 [2] Barth, C.; Gingras, M.; Foster A. S.; Gulans, A.; Félix, G.; Hynninen, T.; Peresutti, R.; Henry, C. R.; Adv. Mater 2012, 13, 2061

12 Tensile-strained and n-dope Ge epilayer grown on Si (100) by molecular beam epitaxy Melle LUONG Thi Kim Phuong 3 nd year of PhD at Physics and Nano-science of materials Department Supervisor: Pr. Vinh LE THANH Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille (CiNaM-CNRS), Université d Aix- Marseille II, Case 913, Campus de Luminy, Marseille Cedex 09 The possibility to realize optoelectronic devices, such as laser or electroluminescence diode (LED), on group-iv semiconductors (Si or Ge) represents great interests both for fundamental research and applications. In comparison to silicon, germanium has unique optical properties due to a small separation of 0.14eV between the direct band gap (Γ valley) and the indirect one (L valley). In this work, we employ the difference in the thermal expansion coefficient between Si and Ge to introduce a tensile strain into epitaxial Ge layers. Beside, we also make heavy n-type doping to fulfill electrons on L-valley to improve the efficiency of radiative recombination in Ge film. The difference in lattice constants between Ge and Si is as high as 4%, resulting in a Stranski-Krastanov growth (formation of 3D islands after the formation of a wetting layer of some mono layers thick). Thus, in order to reduce the island formation, Ge growth was performed following a two-step growth: A 50nm thick Ge layer was first grown on Si at 270 C (L1), a relatively low temperature to prevent from islands formation. The growth temperature is then raised to C for further deposition of 200nm Ge film layer (L2). Tensile strain should be generated during cooling to room temperature to take advantage of thermal expansion mismatch. The value of residual strain may be enhanced by thermal annealing by cycles carried out in the range of C. By using molecular-beam epitaxial growth, we obtained a tensile strain of about 0.31% while by CVD a value of only 0.24% was reported. The growth was controlled in real time by Reflection High-energy electron Diffraction (RHEED). Structural quality of films was investigated by Transmission electron Microscopy (TEM). X-ray diffraction measurements were also used to estimate the value of tensile strain in the films. Measurements of resistivity help to determine the percentage of dopants on the substitution sites on Ge lattice Photoluminescence (PL) characterization, one of the most important techniques, is needed to determine the efficiency of radiative recombination of the Ge-Si system. With n-type doping in Ge film, we use a specific P source from decomposition of GaP which has a much higher sticking coefficient than standard P 4. Concentration of n-dopants is higher than at.cm -3. The highest value of PL intensity of Ge film is obtained at 210 C correspond to temperature of substrate and temperature of GaP source is 725 C. Further more; PL intensity could be enhanced with a factor 3 when we co-dope antimony and phosphorus in Ge.

13 Collective resonances in diffractive arrays of gold nanoparticles Andrey G. Nikitin Director: Hervé Dallaporta Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille (CINaM, UPR 3118 CNRS), Aix- Marseille University, Campus de Luminy, Case 913, Marseille, France We study the properties of ordered diffractive arrays of gold nanoparticles numerically and experimentally. Under a proper periodicity such arrays are known to exhibit narrow resonances with asymmetric Fano-type spectral line shape in transmission and reflection spectra having much better resonance quality compared to the single nanoparticle case. Using numerical simulations we identify two distinct regimes of lattice response, associated with two-characteristic states of the spectra: Rayleigh anomaly and lattice plasmon mode. The evolution of the electric field pattern is rigorously studied for these two states revealing different configurations of optical forces: the first regime is characterized by the concentration of electric field between the nanoparticles, yielding to the almost complete transparency of the array, whereas the second regime is characterized by the concentration of electric field on the nanoparticles and a strong plasmon-related absorption/scattering. In experimental part we fabricated gold nanoparticle arrays using e-beam lithography. Spectroscopic transmission measurements then were carried out to optically characterize these arrays. All the essential features of the experimental spectra were reproduced well by numerical simulations. Electric field distributions for different lattice parameters are studied in order to maximize the enhancement of electric field at the nanoparticle surface. The property that in the condition of collective plasmon excitation near field enhancement region can extends to the space between nanoparticles of the array is also investigated. The excitation of plasmon resonances in diffractive arrays of gold nanoparticles placed in asymmetric refractive index environment is examined experimentally. The excitation of the plasmon modes with narrow spectral profile in asymmetric environment was experimentally verified. The ability to tune the wavelength of these resonances in the near infrared range by varying the structural parameters of the periodic arrays in combination with size and geometry of the constituent nanoparticles is discussed. The presented results are of importance for the field enhanced spectroscopy as well as for plasmonic bio and chemical sensing.

14 Une contribution des sondes locales au photovoltaïque organique Par Roland ROCHE Centre Interdisciplinaire des nanosciences de Marseille, Aix-Marseille Université. Campus de Luminy, Case 913, Marseille Cedex 9, France Directeur de thèse : Philippe DUMAS, Aude LEREU Les enjeux économiques et environnementaux nous poussent à chercher de nouvelles sources d énergie. L électricité d origine photovoltaïque est l une des alternatives et connaît actuellement un essor très important surtout dans sa filière silicium. Toutefois les terrains les plus propices pour le développement de cette technique sont souvent déjà utilisés par l agriculture. Mieux tirer profit du bâti existant sans alourdir exagérément les toitures est un impératif. Depuis quelques années des solutions photovoltaïques à base de matériaux polymères se développent (PVO pour photovoltaïque organique). Plus légers, ces derniers présentent aussi l avantage d être préparés en solution ce qui permet, d une part, des dépôts faciles (peut être par système d impression) y compris sur substrats souples, d autre part de pouvoir être plus facilement produit en masse que les techniques photovoltaïques classiques. Auquel cas, les coûts de productions (non concurrentiels pour l instant) pourraient fortement décroître. Cependant nous sommes loin de ces idéaux, notamment en terme de rendement. En effet, contrairement au photovoltaïque traditionnel, les PVO sont composés de deux matériaux différents. Un photon ayant une énergie suffisante ne peut être absorbé que dans un seul de ces matériaux, donnant lieu à la génération d'un exciton. L exciton ne peut alors se dissocier que s il rencontre une interface avec le deuxième matériau avant de se recombiner. Une fois l'électron et le trou dissociés, il faut encore qu'ils atteignent les électrodes sans avoir perdu trop de leur énergie. Ainsi, pour élaborer un bon dispositif il faut que les deux matériaux soient interconnectés à la plus petite échelle possible (typiquement la dizaine de nanomètre). Pour améliorer les caractéristiques des PVO, il y a donc un grand besoin d études à haute résolution. C'est pourquoi les sondes locales paraissent toutes désignées pour ce travail. Des études par AFM, SNOM, et STM ont été publiées. L'AFM est une technique très développée pour ce qui est d étudier les matériaux «mou» (substrat biologiques, et polymères par exemples). En effet, les techniques de contact intermittent permettent de ne pas endommager l'échantillon lors du scan. De plus les imageries de phase (dans le cas des techniques à modulation d'amplitude) et/ou de dissipation (pour celles de modulation de fréquence) permettent une dissociation des domaines en fonction de leurs caractéristiques mécaniques. Enfin depuis quelques temps l'afm s'est enrichi de nombreuses techniques qui permettent de caractériser électriquement les échantillons. Parmi elles, le mode Kelvin (KPFM) permet de cartographier le potentiel de surface d un échantillon avec une résolution dont les limites, dépendantes de la nature et du relief de l échantillon, sont sans cesse repoussées. En outre cette technique peut être combinée avec une illumination ce qui est particulièrement à propos pour des dispositifs photovoltaïques. Parmi le panel des sondes locales, nous nous sommes donc majoritairement intéressés aux techniques d'afm classiques et électriques. Nous présenterons des résultats obtenus par AFM et KPFM sur différents échantillons PVO. Nous nous attarderons ensuite sur des séries particulières d échantillons de P3HT/PCBM. Les conclusions que nous tirons de ce travail de thèse sont : La combinaison de ces techniques permet effectivement d accéder à une visualisation des phases de la surface de ces échantillons. Nous avons été aidés en cela par des reliefs très plats. Nous intéresserions-nous à des distances caractéristiques de ~100nm nous pourrions prétendre à être quantitatifs. Mais les tailles caractéristiques des échantillons que nous avons étudiés se rapprochent trop des portées des forces électrostatiques. Ainsi, le quantitatif routinier est hors d atteinte car il faudrait simultanément obtenir des résolutions en potentiel de ~10mV et spatiales de ~10nm. Nous montrerons qu une voie possible est dans les mesures dynamiques sous irradiation.

15 Measurement of the t t production cross section in the all-hadronic channel with the ATLAS detector Claudia Bertella CPPM, Centre de physique des particules Marseille Supervisor: Mossadek Talby The subject of my thesis is the measure of the cross section for the production of top-anti top quark pairs in the fully hadronic channel using the data collected by ATLAS experiment at the Large Hadron Collider (LHC). The top quark, discovered at Fermilab in 1995, completes the three generation structure of the Standard Model (SM). The top quark is characterized by various proprieties, such as large mass value of about 175 GeV/c 2 and the corresponding short lifetime. Those proprieties suggest that the top quark may play a special role in the new physics searches. Precision measurements in the top quark sector can provide a test of the Standard Model and shed light on the electroweak symmetry breaking mechanism and as well indirectly on the Higgs mechanism of elementary particle mass generation. The measurement of the top quark pairs, in particular, is a probe of the QCD perturbative calculations as well as an estimation of one of the major background sources for several new physics signatures. The SM theory predicts that the top quark decays into a W boson and a b-quark about 100% of the time. The W boson produced can decay in two different ways: lepton-neutrino pair and quark-anti quark pair. The final state investigates in my thesis is the full hadronic one, when the two W boson produced from the top-anti-top pair decay in quark-anti quark pair. The advantage of the fully hadronic channel is a branching ratio of about 46%, although it suffers from a huge QCD multi-jet background. The signature is nominal six jets in the final states with two of those coming from a b hadron. The t t cross section measurement was performed using the data collected during the 2011 and recorded by the ATLAS detector at center-of mass energy of s = 7 TeV. The data sample has been collected with a multi-jet triggers which requests at least five jets with transverse momentum great than 30 GeV at the trigger level. The reconstruction of t t topology a kinematic likelihood fit is implemented on the selected events. The kinematic technique uses a likelihood approach to assign correctly the jets to the final state partons of the fully hadronic t t decay. The multi-jet background is modeling using a data-driven method in a sample with no b-jets identification requirement. The cross section is extracted from an unbinned likelihood fit on the top mass reconstructed by the kinematic likelihood fit. Using the information learned in the t t cross section measurement in the fully hadronic channel, I started the search of the Higgs boson production in association with a top pair, in the final state t th t tb b q q q q b b. In Higgs associated production with top pair I worked in particular in the optimization of the reconstruction of t t topology using a kinematic fit and on the multi-jet background modeling. Due to the very busy final state that characterizes this analysis, the contribution of the multi-jet production is one of most important source of background to be estimated. In the t th analysis a data-driven technique, called ABCD method, is used to predict the shape and the normalization of the multi-jet production. The basic idea of the ABCD method is to divide the data sample in control and signal region using two uncorrelated variables, and to use the control region for predicting the the contribution of the background in the signal one. Since 2011, I m responsible for the online monitoring of the b-jet trigger. In particular I m in charge of the development and maintenance of the software infrastructure for the part of the data acquisition system. The monitoring system allow the possibility of checking during and after the p p collisions if tracks and b-jet algorithms are correctly running in the algorithm configuration.

16 Etudiant : CHEN Liming Laboratoire : CPPM Directeur de thèse: E. MONNIER/M. HE (Co-Phd) Sujet : Etude de la polarisation du quark top avec le détecteur ATLAS auprès du LHC During the past year of 2012, I made very significant progress in my thesis work, especially on finalizing the unfolding of the angular spectrum studied for the W boson helicity and ttbar spin correlation analysis with ttbar dilepton events at ATLAS detector. At the beginning of the analysis, I controlled that both the physical objects and events selection were the same within the ATLAS top group. I also updated it with the newest official recommendation of selections. The correction and the package versions converge with the whole top group too. Finally, the event yields are the same at the spin group and the agreement between MC and Data are good enough. The reconstruction method, topology method, of the dilepton events has been studied carefully and did a comparison with neutrino weighting method and a personal topology method. These comparisons show that the topology method I developed works better at the requirement of b-tagging. For the spin correlation, I have tested different methods: scan-matrix-method, two-matrix-method and Standard Model SM-matrix-method to terminate the Bayesian unfolding iteration number. In my study, I found that it was very hard to find the properly matrix with different ways and lead to some bias on the central value. And the two-matrix-method cannot give us rapid convergence on the iteration number. While the SM-method provides a quick convergence at the differential level with the response matrix generated from the SM MC11c sample. Now the systematic uncertainty has been estimated again, and all the results are now listed in the spin note: Differential measurement of the ttbar spin correlation in di-lepton decays with 4.7fb-1 data at the ATLAS detector (ATL- COM-PHYS ) and a publication is being finalized summarizing all this study. For the W boson helicity, I use the same way as spin correlation to do it. The note is Measurement of the W boson polarization in ttbar di-lepton decays with 4.7fb-1 data at the ATLAS detector (ATL-COM-PHYS ).

17 Doctorant: Laura Core Laboratoire d'acceuil: Centre de Physique des Particules de Marseille 163 Avenue de Luminy, case Marseille Cedex 9 Directeur de thèse: Prof. Jean-Pierre Ernenwein Search of an ultra high energy neutrino diffuse flux with ANTARES telescope The ANTARES high-energy neutrino telescope is a three-dimensional array of photomultipliers distributed over 12 lines, installed on the seabed in the Mediterranean Sea. The detector has been operated in partial configurations since March 2006 and the deployment was completed in May The main goal of the experiment is the search for high-energy neutrinos from astrophysical sources. A neutrino telescope in the Northern hemisphere includes the Galactic Center in its field of view and it can be seen as complement to the IceCube Antarctic telescope. The detector is optimized for the detection of muon neutrinos, since at energies above 1 TeV muons resulting from charged current interactions can travel kilometers and are almost collinear with the parent neutrinos. Ultra high energy neutrinos can have different origins: they could be created during the interaction of high energetic cosmic rays with the CMB or cosmological phenomena such as supernova remnants or AGNs. There are other possible sources due to new theories in the field of physics beyond the Standard Model. In my third year of PhD, I have performed the search for ultra high energy (in the energetic range of 100 PeV-10 EeV) extraterrestrial muon neutrinos from unresolved sources. If the sensitivity of point source search techniques is too small to detect neutrino fluxes from individual celestial bodies, it is possible that the sources all together could produce an excess of events over the expected atmospheric neutrino background and recognizable as a UHE signal. The sensitivity of the ANTARES detector to diffuse neutrinos is evaluated from MonteCarlo simulations, a dedicated production in the energy range written above. Neutrino absorption by the Earth for energies greater than PeV had been taken into account, so the search for the astrophysical signal is restricted near the horizon. In this angular zone the most severe source of background are the atmospheric neutrinos, but also atmospheric muons which, even very reduced in number, can feign a cosmic signal. Knowing that UHE events depose a large amount of light in the detector, six variables of this kind have been chosen and then a combination of them has been used to discriminate signal from background. I have tank into account the different detector configurations from Dec to Dec when analyzing data, with an equivalent lifetime of 800 days. The

18 results are presented and the upper limit for diffuse flux neutrinos is going to be estimated, considering different kind of UHE flux from astrophysical acceleration sources, such as AGN, a Waxman-Bahcall like spectrum or a model from GZK cut-off, in the cosmological neutrinos scenario.

19 Développement de la tomodensitométrie couleur à rayons X avec le détecteur à pixels hybrides XPAD Le détecteur à pixels hybrides XPAD, développé par le CPPM, est un détecteur pixellisé où chaque pixel est constitué d'un semi-conducteur polarisé (actuellement Si) associé à une électronique de lecture indépendante. Chaque pixel peut compter indépendamment des autres les photons reçus au delà d'une certaine énergie-seuil et ainsi les discrimmer en fonction de leur énergies. Ce seuil en énergie est propre à chaque pixel. Ce seuillage permet de totalement supprimer le bruit de fond. L'équipe imxgam a développé le démonstrateur PIXSCAN II, un tomodensitomètre (scanner CT) pour le petit animal, basé sur le détecteur XPAD de troisième génération (XPAD3.1). L'utilisation des seuils de détection en énergie doit permettre d'accéder à une nouvelle modalité d'imagerie X "couleur" isolant sur une image le signal dû à la présence d'un agent de contraste (Argent ou Iode par exemple), ce qui est inenvisageable avec les détecteurs classiques à intégration de charge. De plus, en profitant du réglage indépendant des seuils, nous pourrons acquérir en une seule passe une image «multi seuillée», ce qui permettra, à terme, de réduire la dose d'exposition lors d'acquisition, enjeu fondamental dans le cadre d'un suivi médical régulier. L'objectif de la thèse consiste à faire la démonstration que l'imagerie multicontraste par analyse différentielle du spectre d'absorption par les tissus marqués est possible grâce au détecteur XPAD. Le travail de thèse repose d'une part sur l'optimisation des conditions d'expérimentations, et d'autre part sur l'adaptation des méthode de reconstruction 3D des images tomographiques pour la tomographie couleur. Ce travail a débuté par le développement de l'interface d'acquisition du PIXSCAN II et par les premières acquisitions de différents fantômes marqués. Le travail sur l'imagerie multicontraste repose quant à lui sur un travail à base de simulation visant à séparer les intéractions principales des rayons X avec la matière. L'objectif étant à terme d'obtenir une carte de distribution des intéractions afin de pouvoir complétement caractériser la matière traversée. Cela est rendu possible par l'information additionnelle apportée d'une part par la modulation du spectre et d'autre part par l'utilisation des seuils en énergie du XPAD. Le travail continuera avec l'uitilisation de l'outil Monte Carlo «Gate» avant de pouvoir travailler sur données réelles. Mathieu Dupont Centre de Physique des Particules de Marseille 163, avenue de Luminy, case 902, Marseille cedex 09 Directeur de thèse : Christian Morel

20 Etudiant : Bo LI Laboratoire : CPPM Directeur de thèse: E. MONNIER/C. FENG (Co-Phd) Sujet : Etude de la polarisation du boson W dans l expérience ATLAS auprès du LHC My PhD work is about the measurement of the helicity fractions of the W boson and ttbar spin correlation in top quark pair semi-lepton decay using the 4.7fb -1 data collected by the ATLAS experiment at LHC with proton-proton collision at center of mass equal to 7TeV. In this analysis, we focused on the semi-leptonic channel (one W from top quark decays into leptons and the other W from the second top quark decays into light quarks). After the event selection, we further required two jets to be tagged as from b quark, to further suppress W+jets and multi-jet backgrounds. A complete reconstruction algorithm of the top quark pair system called KLFitter is used to reconstruct the ttbar event. The physics variable is then calculated using the fully reconstructed ttbar system. The distribution is obviously biased by the hadronization/showering and detector effects, which is modeled by the so called response matrix, taken from Monte Carlo simulations. By using an unfolding method based on the migration probability from truth bin to reconstructed bin, the distributions of the angle is unfolded back to the parton level. The unfolded angular distribution of final particles is then fitted by theory function to extract the W helicity fractions and spin correlation strength.

21 Résumé de thèse Validation des performances en spectroscopie infrarouge pour la mission spatiale Euclid de l'esa Doctorant : Florent Marmol Laboratoires : LAM (38, rue Frédéric Joliot-Curie Marseille), CPPM (163, avenue de Luminy - Case Marseille) Directeurs de thèse : Bruno Millard/ Anne Ealet Euclid est une mission spatiale de type M2 portée par l'agence Spatiale Européenne (ESA) dans le cadre du programme Cosmic Vision. Le lancement d'euclid est prévu en 2019 et le satellite sera placé en orbite au point de Lagrange L2. La mission est prévu pour une durée de six ans pendant laquelle Euclid scrutera l'espace profond pour observer jusqu'à 75% de l'histoire de l'univers. Euclid observera l'eet de lentillage gravitationnel faible (WL) en mesurant les corrélations des formes d'environ 1.5 milliards de galaxies sur une surface de deg ² minimum. La densité de galaxie sera d'environ 30 galaxies par arcmin et le WL permettra d'établir une carte de masse de matière noire an de pouvoir reconstruire son spectre de puissance. La mesure conjointe des formes des galaxies ainsi que leurs distances avec des redshifts photométriques permettra de faire de la tomographie en trois dimensions de la matière noire. L'oscillation baryonique acoustique (BAO) sera également observée par Euclid. An de reconstruire le spectre de puissance de la matière bayronique, dont le signal BAO est un marqueur de ce spectre, le télescope mesurera les redshifts spectroscopique d'environ 50 millions de galaxies entre des redshifts de 0.7 et 2.0. Ces redshifts seront mesurés avec une grande précision de σ z < 0.001(1 + z). L'objectif de cette thèse est de caractériser et de calibrer un détecteur infrarouge hybride en HgCdTe pour la mission spatiale EUCLID. Ce type de détecteur transforme des photons basse énergie à l'intérieur de sa matrice photo-sensible en électrons qui sont collectés dans des pixels. Chaque pixel possède sa propre électronique de lecture et peut donc être lu indépendamment des autres. La caractérisation du détecteur concerne actuellement les points suivants : La détermination du gain du détecteur c'est à dire la facteur de conversion entre un phénomène physique et une transcription de phénomène en une valeur numérique grâce à un convertisseur analogique-numérique. La détermination du gain est vitale puisqu'elle permet la calibration du détecteur. La capacité inter-pixels est la traduction d'une déformation des champs électriques dans les pixels liés à la présence des électrons. Cette modication peut modélisée comme l'existence d'une capacité inter-pixels venant perturbé la capacité propre des pixels à collecter des charges. Cette capacité inter-pixels est directement liées au gain du détecteur. Il est donc important de la déterminer pour calibrer le détecteur. Le bruit de lecture correspond à l'incertitude mesurée lors d'une lecture d'un pixel. Cette mesure se fait sans illumination pour n'avoir aucun eet parasite. Cependant il demeure toujours un courant thermique dont il faut prendre en compte lors de l'analyse. Dans cette thèse il est étudiée également l'impact des diérents mode de lecture et l'inuence de la fréquence de lecture sur le bruit. La non-linéarité est un phénomène intrinsèque au détecteur, le signal enregistré ne correspond pas au signal attendu. Cet eet peut-être caractérisé en estimant le facteur non-linéaire grâce au remplissage du puits d'électrons du pixels. Dans cette thèse il a été abordé plusieurs simulations instruments/science an de mieux orienter la stratégie d'observation d'euclid ; 1) Plan de calibration en vol du courant d'obscurité. Celui-ci doit être mesuré régulièrement an que son estimation soit susament précise pour que le bruit détecteur total ne dépasse pas 9 électrons lors d'une acquisition. 2) Plan de correction au sol de la non-linéarité et contrôle des systématiques.

22 Recherche de SUSY dans les paires de leptons de même charge avec l expérience ATLAS Julien Maurer (Centre de Physique des Particules de Marseille) superviseurs : Fabrice Hubaut, Pascal Pralavorio Le LHC (Large Hadron Collider), collisionneur de protons installé au CERN (Genève), est en fonctionnement à une énergie au centre de masse de 7 puis 8 TeV, unique au monde, depuis avril Au cours de l année 2012, les détecteurs de particules ATLAS et CMS ont enregistré chacun environ 21 fb 1 de données, ce qui représente près de quatre fois l échantillon collecté en En conséquence, des progrès sensibles ont été faits récemment dans le domaine de la recherche de physique au-delà du Modèle standard. La supersymétrie (SUSY) est une des théorie d extension du Modèle Standard les plus populaires. Elle répond de manière naturelle à plusieurs problèmes posés par le Modèle Standard (hiérarchie de masse, unification, matière noire... ). Elle introduit une nouvelle symétrie appariant fermions et bosons. En conséquence, chaque particule du Modèle Standard se voit attribuer un partenaire de statistique opposée, ce qui double le nombre de particules fondamentales. Dans le cadre de la conservation de la parité R (motivée notamment par la durée de vie du proton), les particules supersymétriques ne peuvent être produites ou annihilées que par paires, et la plus légère d entre elles (LSP) doit donc être stable. Comme elle interagit généralement peu avec la matière (sans quoi elle aurait déjà été observée), elle échappe les détecteurs et constitue une source d énergie manquante dans un événement. Au LHC, collisionneur de protons, les sections efficaces de production les plus importantes correspondent aux partenaires sensibles à l interaction forte, squarks et gluinos. Ces superparticules se désintègrent en cascade de quarks jusqu à la LSP. La signature principale de recherche de supersymétrie correspond donc à la présence d énergie manquante et de plusieurs jets. La présence de leptons, plus rare, est toutefois également intéressante car elle constitue un signal clair dans l environnement hadronique du LHC. L analyse à laquelle je participe s intéresse à des événements contenant en plus deux leptons de charges électriques identiques. Cette topologie, extrêmement rare dans le cadre du Modèle Standard, est susceptible d être présente dans un certain nombre de processus supersymétriques. Cette signature a été recherchée dans l ensemble des données La principale difficulté de l analyse est l estimation du bruit de fond. À celui-ci contribuent les processus rares du Modèle Standard engendrant deux leptons de même charge et plusieurs jets (t t + W/Z) dont certains n ont jamais été observés individuellement. S ajoutent des bruits de fond dûs à la reconstruction des événements. Par exemple, la charge reconstruite d un électron est inversée dans environ 1% des cas, ce qui peut transformer une paire de leptons de charge opposées (signal abondant) en une paire de charges identiques. Finalement, un des bruits de fond majoritaire provient de hadrons reconstruits par erreur comme des leptons, créant artificiellement des paires de leptons de charges arbitraires. Des méthodes d estimation basées sur les données ont été développées pour prédire les contributions de ces différents types de bruits de fond à la région de signal. L observation des données ne montre aucun excès par rapport aux contributions attendues du Modèle Standard. Par conséquent, des limites sur les masses des superpartenaires sont placées dans le cadre de divers modèles topologiques prévoyant la production de leptons de charges identiques. Ces résultats constituent dans certaines régions de l espace des phases les meilleures limites obtenues à ce jour.

23 First evidence of the very rare decay B 0 s µ + µ at LHCb Mathieu Perrin-Terrin, Dr. Giampiero Mancinelli, Centre de Physique des Particules de Marseille 1 Introduction Within the Standard Model (SM), the two flavour changing neutral current transitions, B 0 s µ + µ and B 0 µ + µ, occur only via loop diagrams and are helicity suppressed. These processes are therefore very rare with a time integrated branching fractions (B) predictions [1] of B(B 0 s µ + µ ) = (3.44 ± 0.29) 10 9 and B(B 0 µ + µ ) = (1.07 ± 0.01) These precise predictions provide one of the cleanest test of the SM and of many models beyond SM, as for example the Minimal Supersymmetric SM [2], in which these branching fractions can be significantly enhanced. Searches for these modes have been carried for almost 30 years [3] and in 2012 the B 0 s µ + µ decay was, for the first time, observed at 3.5σ at LHCb and a new world best constrain on the branching ratio of B 0 µ + µ was set [4]. 2 Analysis Overview May 6, 2013 The data used in the analysis are the 1.0 fb 1 and the 1.1fb 1 of proton proton collisions at 7 and 8 TeV collected by the LHCb detector [5] at the LHC. B(s) 0 µ+ µ candidates are selected with a multivariate selection designed to remove most of fake candidates, called background. Then events are classified in a binned plane made of the di-muon invariant mass and the output of a boosted decision tree (BDT, obtained from the geometry and kinematics of the event). Finally the data pattern observed in this plane is compared to the ones expected for several branching ratio hypotheses and, using the modified frequentist approach [6], upper limits and p-values are extracted. If signal is observed, branching ratios are extracted with a simultaneous fit to the di-muon invariant mass in all the BDT bins. The backgrounds sources are displaced combinatorial di-muons vertices, misidentified B(s) 0 hh and B 0 π µ + ν µ and partially reconstructed B 0(+) π 0(+) µ + µ. The three last exclusive background sources mass PDF are derived in each BDT bin from simulated data, applying, if needed, the misidentification probability obtained on D 0 Kπ data. Their yields are obtained from the number of B 0 (s) hh measured in data and by normalising to B + J/ψ(µµ)K + candidates. The combinatorial background expectations are then derived by fitting the sum of these PDF and an exponential function to the mass side bands in each BDT bin. The signal and exclusive background BDT PDF is assumed to be the same as the B 0 (s) hh one which is extracted from data. The signal mass distribution is determined from data and the signal yield is obtained by normalising to control channels of known branching ratio. 3 Results The probability that the background only produced the observed pattern (p-value) in the Bs 0 mass window is Hence an evidence of signal is observed at 3.5σ. The fitted Bs 0 µ + µ branching ratio is A mass projection of the fit in the signal region is shown in Figure 1. No evidence of signal is observed in the B 0 mass window. The upper limit, set with the CL s method, constrains the branching ratio of B 0 µ + µ to be lower than at 95% C.L. Candidates / (50 MeV/c 2 ) [MeV/c 2 ] m µ + µ LHCb fb (7TeV) +1.1 fb (8TeV) BDT > 0.8 Full PDF B 0 s µ + µ B 0 µ + µ Comb. background B 0 (s) h+ h B 0 π µ + ν µ B 0(+) π 0(+) µ + µ Figure 1: Invariant mass distribution of the 2012 and 2011 candidates with a BDT larger than 0.8. References [1] G. Buchalla et al. Nucl. Phys. B 548 (1999) 309. K. De Bruyn et al. Phys.Rev. D 86 (2012) [2] C. Hamzaoui et al. Phys. Rev. D 59 (1999) ; C-S. Huang et al. Phys. Rev. D 59 (1999) 11701; S. R. Choudhury et al. Phys. Lett. B 451, (1999) 86; K.S. Babu et al. Phys. Rev. Lett. 84 (2000) 228. [3] [CLEO Collaboration], Phys. Rev. D 30 (1984) 11. [4] [LHCb Collaboration], Phys. Rev. Lett. 110 (2013) 330. [5] [LHCb Collaboration], JINST 3 (2008) S08005, and references therein. [6] A.L. Read, J. Phys. G 28 (2002) 2693; T. Junk, Nucl. Instrum. Meth. A 434 (1999) 435. C.P.P.M - 163, avenue de Luminy - Case Marseille cedex 09

24 Les connexions généralisées et théories de jauge sur les algébroïdes de Lie transitif. Cédric FOURNEL (CPT- UMR 7332) sous la direction de T. MASSON et de S. LAZZARINI. Abstract Établies dans les années 50, les théories de C.N. Yang et R. Mills ont construit un pont conceptuel entre, d une part, la physique des particules et, d autre part, les mathématiques de la géométrie différentielle et des fibrés. Il est dès lors possible de concevoir le monde physique comme une juxtaposition de deux espaces : l espacetemps dans lequel se meuvent les particules et un espace interne, algébrique, dans lequel se trouve toute la richesse des théories de jauge. Cette dualité entre physique et mathématique est accompagnée d un traducteur : les bosons médiateurs des interactions fondamentales sont issues de connexions sur un fibré principal, les field strength sont la courbure de ces connexions, etc. L exploration des algébroïdes de Lie s inscrit dans la poursuite d une possible extension de ce cadre. Un algébroïde de Lie transitif peut se résumer par la donnée de trois espaces munis de trois relations : un espace A qui se projette sur les champs de vecteurs d un espace physique M et un espace L qui constitue la partie de A qui se projette sur 0. On résume cela dans la suite exacte courte suivante : 0 L ι A ρ Γ(T M) 0 Dans mon travail de thèse, j ai participé au développement de trois axes de recherches : l étude de l espace des connexions généralisées sur A, la description locale de ces connexions et la construction de théories de jauge. Les connexions généralisées ϖ étendent les connexions sur fibré principal qui sont à l origine des théories de champs de type Yang-Mills. Je montre que ces connexions généralisées se décomposent en la somme d une connexion ordinaire ω, de type Yang-Mills, et d une extension algébrique τ qui s interprète physiquement comme un champ tensoriel scalaire. Ce champ tensoriel scalaire porte les degrés de liberté algébriques de la connexion généralisée tandis que la connexion ordinaire porte ses degrés de liberté géométriques. Afin de construire une théorie de jauge basée sur les connexions généralisées, j ai adapté et étendu les outils classiques de la géométrie différentielles aux structures des algébroïdes de Lie. J ai utilisé ces outils pour élaborer un Lagrangien à partir de la courbure d une connexion généralisée. Le résultat est une théorie Yang-Mills non-abélienne couplée au champ tensoriel scalaire τ que l on interprète comme un champ scalaire à la Higgs plongé dans un potentiel. Ce modèle permet d attribuer des masses aux bosons de jauge de la théorie sans avoir à invoquer de champs scalaires supplémentaires. Actuellement, mes recherches s orientent vers la vérification de la renormalisibilité de cette théorie à 1 boucle, d une réécriture du mécanisme de Higgs à partir du champ τ et de l inclusion de champs spinoriels correspondant à la matière fermionique.

25 Réductions hamiltoniennes en physique des plasmas autour d une approche intrinsèque de la gyrocinétique Loïc de Guillebon Directeur de thèse : Michel Vittot Centre de Physique Théorique, Aix-Marseille Université, CNRS, UMR 7332, Campus de Luminy, case 907, F Marseille cedex 09, France La gyrocinétique est un modèle-clef pour comprendre la dynamique des plasmas de fusion, et de façon plus générale la turbulence plasma à petite échelle. La formulation de ce modèle présente encore plusieurs difficultés qui pourraient amener à reconsidérer ses équations de base. Nous avons clarifié deux d entre elles. D une part, l une des coordonnées utilisée présentait des problèmes dans sa définition. En particulier, elle impliquait une dépendance de jauge non-physique. Afin de remédier à cette difficulté, une coordonnée contrainte appropriée a été introduite, ce qui a permis une formulation intrinsèque de la théorie, et une clarification des problèmes initiaux [5 7]. D autre part, le couplage entre le plasma et le champ électromagnétique n était pas introduit de manière satisfaisante. En particulier, la réduction était obtenue en l absence de couplage, et la dynamique couplée était ensuite restaurée par une simple juxtaposition des équations du mouvement. La difficulté liée à cette méthode est qu elle n assure pas la préservation de la structure des équations de base. En utilisant la structure hamiltonienne de la dynamique, nous avons mis en place le couplage de façon plus consistante [4] tout d abord dans un cas simplifié, puis dans le cas général, avec d intéressantes conséquences sur les équations gyro-cinétiques, et en particulier le fait que la gyrocinétique peut être abordée comme une perturbation hamiltonienne de la dynamique de particules indépendantes en champ externe. D un autre point de vue, nous avons développé la théorie des contraintes de Dirac appliquée aux plasmas, qui représente une approche complémentaire pour la gyrocinétique. Après avoir formulé cette théorie sous forme d une projection de la dynamique initiale [3], nous avons montré que dans de nombreux cas, le projecteur peut être obtenu de façon plus simple et la méthode peut être reliée à une réduction par une sous algèbre, ce qui offre une procédure alternative plus souple et élargit le domaine d application. Cela nous a permis de rectifier des résultats antérieurs sur des modèles fluides incluant des moments d ordre deux [2] et de proposer une dérivation hamiltonienne de la magnétohydrodynamique. References [1] A. J. Brizard, L. de Guillebon, Phys. Plasmas 19, (2012). [2] L. de Guillebon, C. Chandre, Phys. Lett. A, 376, 3172 (2012). [3] C. Chandre, L. de Guillebon, A. Back, E. Tassi, P. J. Morrison, J. Phys. A: 46, (2013). [4] P. J. Morrison, M. Vittot, L. de Guillebon, Phys. Plasmas 20, (2013). [5] L. de Guillebon, M. Vittot, "A gyro-gauge independent minimal guiding-center reduction by Lietransforming the velocity vector field", Submitted (2012). arxiv: [6] L. de Guillebon, M. Vittot, "Gyro-gauge independent formulation of the guiding-center reduction to arbitrary order in the Larmor radius", Submitted (2013). arxiv: [7] L. de Guillebon, M. Vittot, "On an intrinsic approach of the guiding-center anholonomy and gyrogauge-arbitrariness", Submitted (2013). arxiv:

26 Immunization strategies in the light of limited information Anna Machens CPT, Luminy, Marseille Directeur de Thèse: Alain Barrat High resolution contact data has become more widely available with the advent of new technologies. This refined knowledge of human interactions opens new possibilities to describe dynamic processes in realistic settings, in particular propagation processes which rely on human contacts. With the additional information on timescales, dynamic motifs and contact times, current knowledge on dynamic processes like epidemic spreading can be refined. In a first attempt to pinpoint some of the crucial differences between the spreading on dynamic and static networks, we focused on the different distance distributions on static and dynamic networks and on the interplay of the timescales of dynamic networks and the processes which take place on it. We moreover considered how the representation of the data in numerical simulations of spreading processes alters the results of these simulations. This problem arises because each highly detailed contact data set represents a specific unique event: in order to obtain general results, the essential parts of these data need to be captured, filtering out dispensable details. To assess the impact of different amounts of detail of the data, with the goal to find a balance between simplicity and detail, we test various representations of the raw data. We can show, that the widely used contact matrices, a very simplistic representation of human interactions, which only consider average contact times between different classes of individuals, fail to capture some details, which are essential for epidemic simulations, effectively leading to an overestimation of the extent of epidemics. By adding information on contact time distributions, this data representation can be greatly improved, turning it into a possible candidate in the quest to find generalizable models, which could also work on large scale simulations. On a more practical side, we evaluate the various data representations according to their capacity to provide a ranking of nodes which yields an efficient immunization scheme. In this presentation we will give a brief introduction to epidemic simulations and vaccination methods, focusing on the role of the underlying data representations and the necessary amount of information in order to provide efficient immunization in a hospital setting.

27 Hamiltonian spinfoam gravity Wolfgang Martin Wieland supervisors: Prof. Carlo Rovelli and Dr. Simone Speziale Centre de Physique Théorique de Luminy Loop quantum gravity [1 3] is a candidate for a non-perturbative quantisation of the gravitational field. The quantisation program starts from holonomies (i.e. the parallel transport along the spatial manifold) and fluxes (i.e. infinitesimal area elements). The corresponding phase-space has a non-linear structure. Twistors allow to handle this non-linearity while working on a linear phase-space with canonical Darboux coordinates. This framework was introduced by Freidel and Speziale in reference [4], where they used SU(2) spinors to parametrise the phase-space of holonomies and fluxes. Originally, these variables carried only a representation of the rotation group. This means that only the rotational subgroup of the local symmetry group of general relativity could act linearly upon these variables. During my PhD, I found a generalisation to the full Lorentz group. Starting [5] from the original phase space of complex Ashtekar variables and carefully repeating the construction for the case of real variables I could arrive [6] at a space of twistors transforming covariantly under the full SL(2, C) group of local Lorentz transformations. I then developed a new Hamiltonian formulation [7, 8] of discretised gravity, based upon these variables, and was able to derive a continuum action adapted to a fixed discretisation of space-time. The discretisation is built of 4-simplices (a 4-simplex is the analogue of a tetrahedron in four space-time dimensions) glued among bounding tetrahedra. The action is a sum of the spinorial analogue of the topological BF -action and the reality conditions that guarantee the existence of a metric. The equations of motion admit a Hamiltonian formulation, that allowed me to perform the constraint analysis of the theory. The action is a polynomial in the spinors, which makes canonical quantisation rather straightforward. Transition amplitudes reproduce the EPRL (Engle Pereira Rovelli Livine) spinfoam model. I think, this is an interesting result, since it shows that spinfoam gravity can be derived from a rather conservative quantisation procedure. [1] Rovelli C. Quantum Gravity (Cambridge University Press, Cambridge, 2008). [2] Thiemann T. Modern Canonical Quantum General Relativity (Cambridge University Press, Cambridge, 2008). [3] Ashtekar A. Lectures on Non-Pertubative Canonical Gravity (World Scientific, 1991). [4] Freidel L. and Speziale S. Twistors to twisted geometries. Phys. Rev. D 82, (2010). (eprint: ). [5] Wieland W. Complex Ashtekar Variables and Reality Conditions for Holst s Action. Annales Henri Poincare (eprint: ). [6] Wieland W. Twistorial phase space for complex Ashtekar variables. Class. Quantum Grav. 29, (eprint: ). [7] Speziale S. and Wieland W. M. Twistorial structure of loop-gravity transition amplitudes. Phys. Rev. D 86, (2012). (eprint: ). [8] Wieland W. M. Hamiltonian spinfoam gravity. to appear in: Class. Quantum Grav. (2013). (eprint: ).

28 Exact calculation of current correlations and admittance in the fractional quantum Hall regime[1] R. ZAMOUM 1 and A. CREPIEUX 1 1 Aix-Marseille Université CNRS, CPT, UMR 7332, Marseille, France. We consider in this work a tow dimensional electron gas in the fractional quantum Hall regime. We focus on the finite frequency current-current correlations between edge states and the quantum admittance. The specific value ν = 1/2 of the filling factor allows us to use the refermionization procedure. Using this method we calculate the current-current correlations. We look at the inter-relations between these quantities and the quantum admittance which is calculated in the reference [2]. Both current-current correlations and quantum admittance are written in terms of the transmission amplitude, and we have shown that they exhibit the same singularities at weak backscattering regime. We propose also an alternative expressions of the current-current correlations in terms of the quantum admittance and the average current. The obtained results for the non-symmetrized S(ω) noise and the admittance Y (ω), verify the relation 2 ωre[y (ω)] = S( ω) S(ω) [3, 4]. Notice that our results are valuable what ever the value of the backscattering amplitude, frequency, applied voltage and temperature are, allowing us to reach different regimes. Références [1] R. Zamoum, A. Crépieux, Procceding of the international conference of noise and fluctuations, ICNF (2012). [2] A. Crépieux, Phys. Rev. B 87, (2013). [3] I. Safi, C. Bena, and A. Crépieux, Phys. Rev. B 78, (2008). [4] I. Safi and P. Joyez, Phys. Rev. B 84, (2011). 1

29 Null twisted geometry and loop gravity ZHANG Mingyi Centre de Physique Théorique, CNRS-UMR 7332, Aix-Marseille Univ Luminy Case 907, Marseille, France Supervisor: Carlo ROVELLI, Co-supervisor: Simone SPEZIALE May 5, 2013 Abstract A graph decorated with twistors satisfying certain conditions motivated from general relativity describes the phase space of loop quantum gravity on a fixed graph, which in turn represents twisted geometries. These are spacelike discrete geometries with a discontinuous piecewise flat metric, given by a collection of polyhedra with extrinsic curvature among them, and generalizing Regge calculus. Motivated by possibility of extending the spin foam formalism to null boundaries, we consider an extension of this formalism to treat null hypersurface. The interest in this case is of course multiple, from black hole physics to the constraint-free formulation. We consider a version the linear simplicity constraints with a null normal. We show that these constraints are all first class, and use twistors to construct the reduced phase space. This ends up being a single complex number per link, characterising the rotational part of the null little group. We provide a complete set of gauge-invariant observables, for which a geometric interpretation can be given in the spirit of twisted geometries. Such null twisted geometries describe a non-degenerate 2d spacelike geometry, are more general than 2d Regge calculus, and correspond to the conformal structure of Regge calculus plus the scale factors of the dual faces. We also comment on the evolution generated by the boost Hamiltonian. 1

30 MULTIMODAL RECORDING AND PROCESSING OF COMPLEX METALLIC SURFACES Nom et prénom : Mohammed Benmoussat Intitulé et adresse du laboratoire : Institut Fresnel - UMR Campus Universitaire de Saint Jérôme, Avenue Escadrille Normandie-Niemen Marseille Nom de la directrice de thèse : Mireille Guillaume Abstract The main objective of this project is to inspect free-form surfaces of industrial metal parts by using multimodal image recording and processing techniques. Multivariate imaging, thermography images and fringe patterns are the three basic used modalities. The novelty of the approach is to introduce multimodal methods in automatic industrial context. A first study was done, based on the use of multimodal illumination techniques and hyperspectral imaging algorithms for the detection of surface defects of flat metal parts. Four basic lighting modalities (white source light and monochromatic source lights in combination with nonpolarized and polarized light) are proposed and tested to illuminate the metal parts, and different hyperspectral imaging algorithms have been compared such as, the target detection algorithms (ACE and AMF), the anomaly detector (RX) and the spectral distance measures (SAM, SID and the Kendall s τ). Usually, it is difficult to determine a single representative spectral signature for a real target (defect) because there can be a wide variation for the same defect. Moreover, it may be worthless or even impossible to investigate all the possible defects signatures. This is why we also investigated unsupervised approach for the used algorithms. In conclusion of this study, the spectral angle mapper (SAM) algorithm, which is widely used for material identification, shows interesting results in an unsupervised approach, where the target to be detected has been chosen as a background pixel or as the mean of the data cube. Moreover, this simple approach allows fast detection, which is an important parameter in the context of industrial applications. The use of multiple source lights to illuminate the same area of interest by changing the wavelength domains, which provides multiple representations with different information for the same defect, improves the detection performances. A fully-automatic approach based on the use of induction thermography and detection algorithms was proposed to inspect nuclear metallic parts containing different surface and subsurface anomalies such as open cracks, open and closed notches with different sizes and depths. A practical experimental setup was developed, where lock-in and pulsed thermography techniques were used to establish a dataset of thermal images for three different mockups. Data cubes were constructed by stacking up the temporal sequence of thermogram images. After the reduction of the data space dimension by means of denoising and dimensionality reduction methods; anomaly detection algorithms were applied on the reduced data cubes. The dimensions of the reduced data spaces were automatically calculated with a criterion based on the variance proportion of the date and SNR. The results show that, when reduced data cubes are used, the anomaly detection algorithms originally developed for hyperspectral data, RX and RARX, give good detection performances for both surface and sub-surface defects in a non-supervised way. A graphical user interface has been implemented allowing the user to apply the different processing stages of the proposed approach on thermal data cubes as well as on other kinds of data cubes. Another approach was proposed based on the projection of fringe patterns for the inspection of curved metal surfaces. Sinusoidal phase-shifting fringe patterns are synchronously projected onto a mirror witch are then fully reflected on a screen. The reflection of the screen in the inspected surface is observed by the camera. A new phase-shifting projection technique was proposed, where a dataset of images was created. The surface inspection is based on the detection and analysis of the curves within the calculated phase-images from 4 recorded patterns. The curves correspond to the peak s periods of the projected sinusoidal images. The approach was tested on an experimental industrial inspection system of car rims allowing the positioning of the wheel and the camera, the projection of the patterns and the recording of the corresponding images with a very high speed. The accuracy of the detection depends on the number of the used phase-images.

31 LECTURE DE L ORGANISATION MOLECULAIRE PAR MICROSCOPIE NON- LINEAIRE RESOLUE EN POLARISATION Fatma-Zohra Bioud, Paulina Gasecka, George Dwapanyin, Fabiana Munhoz, Julien Duboisset, Sophie Brasselet Institut Fresnel, UMR CNRS 6133, Université d'aix-marseille, Marseille cedex 20, France sophie.brasselet@fresnel.fr MOTS-CLEFS : Microscopie non-linéaire, diffusion Raman cohérente anti-stokes, polarisation. En imagerie biologique la structure des liaisons chimiques au niveau moléculaire ainsi que leur organisation à plus grande échelle sont très souvent inconnues. La connaissance de ces informations permettrait de mieux comprendre les phénomènes biologiques liés à la structure des assemblages macro-moléculaires. Dans ce cadre, il est important de développer des outils d analyse permettant d apporter des informations quantitatives sur la structure des ces milieux à l échelle micrométrique. La microscopie non linéaire basée sur la dépendance en polarisation des signaux non-linéaires a démontré son utilité pour de telles applications [1]. Nous avons développé une méthodologie polarimétrique basée sur un phénomène, de mélange à quatre ondes «Four Wave Mixing FWM» et son équivalent résonant la diffusion Raman cohérente anti-stokes (CARS, Coherent Anti-Stokes Raman Scattering) et réalisé des mesures sur des systèmes cristallins :(NaCL) et simili biologiques : les membranes cellulaires connues sous le nom de «Multilamellar Vesicles MLV», et ce, en variant les polarisations des lasers excitateurs, Pompe et Stokes. Le signal anti-stokes émis est ensuite analysé afin d en extraire les ordres 2 et 4 de la fonction de distribution angulaire des molécules actives constituant l échantillon. Pour cela, plusieurs approches sont explorées telles que des algorithmes d optimisation ou par décomposition en série de fourrier du signal polarimétrique. Ces multiples approches en traitement du signal permettent d obtenir de manière rapide les coefficients des fonctions de distribution angulaire recherchées, et ainsi d avoir des informations sur la symétrie des échantillons imagés, allant jusqu à l observation d une symétrie d ordre 4. Ces résultats démontrent la capacité de la microscopie non linéaire résolue en polarisation à sonder des ordres moléculaires et ainsi son intérêt dans l étude de la relation entre la structure et la fonction de systèmes biologiques. Figure: A: Image CARS de MLV B: IaImages de l ordre 2 de la fonction de distribution angulaire indiquant clairement un organisation prononcée par rapport au milieu environnant des MLV. RÉFÉRENCES [1] F. Munhoz, H. Rigneault, S. Brasselet, High Order Symmetry Structural Properties of Vibrational Resonances Using Multiple-Field Polarization Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy Microscopy Phys. Rev. Lett. Vol. 105, pp , 2010.

32 Traitement du signal pour interface de communication homme machine sans contact. Doctorant : Boughnim Nabil Directeur de thèse : Bourennane Salah Co-directeur de thèse : Fossati Caroline Encadrant : Marot Julien Financement : Région / entreprise (PACA /Intui-sense ) Le but de ce thèse est le développement d'une nouvelle interface de communication homme machine (IHM), qui soit d'un usage naturel en s'affranchissant d'équipements spécifiques et permettant d'interagir avec différents types de contenus et avec la majorité des médias numériques existant (téléphone portable, ordinateur, assistant personnel électronique, bornes interactives...). Cette interface consiste à identifier les postures (gestes statiques) et les mouvements (gestes dynamiques) de la main afin d'en déduire les commandes correspondantes. les différentes étapes de l'algorithme d'identification: Détection : la détection de la main en mouvement (segmentation + extraction des caractéristiques ) pourra s'effectuer avec une méthode de flow optique qui consiste à extraire l'objet qui a un vecteur flow le plus important. Caractérisation : après quelques opérations de morphologie mathématique, et une réduction de dimension par " boite englobante", on calcul un vecteur caractéristique du contour invariant à la rotation, translation et au facteur échelle. Ce vecteur qui caractérise une posture est obtenu par une transformation de contenu de l'image en plusieurs signaux. chaque signal correspond à un intervalle de l'axe radial d'un système de coordonnées polaires de l'image. Et donc une signature de chaque posture est générée. Reconnaissance : une comparaison entre les signatures des images avec celles de la base d'apprentissage selon plusieurs méthodes (comme la distance euclidienne, la distance baysienne ou SVM) permet d'identifier la posture. La méthode de flow optique permet de détecter la main en mouvement mais aussi d' identifier sa trajectoire (gestes dynamiques). La caractérisation de contour de la main permet d'en déduire une signature d'une posture (gestes statiques ).

33 Enhanced control of light with Metamaterial-based manipulation Tieh-Ming Chang 1,2 1 Institut Fresnel, CNRS, Aix-Marseille Universite, Campus Universitaire de Saint-Jerome, Marseille, France 2 ICFO-Institut de Ciencies Fotoniques, Mediterranean Technology Park, Castelldefels (Barcelona), Spain Supervised by Prof. Stefan Enoch 1, Dr. Sébastien Guenneau 1 and Prof. Romain Quidant 2 A novel idea proposed by Sir John Pendry have put optics into a new area of physics. This idea standing on the introduction of geometrical transformation realizes invisibility cloaks and more generaly to control the electromagnetic field. Transformational optics is shown to enhance the control of the electromagnetic wave trajectories within metamaterials with unconventional functionalities such as a cyclic concentrator, a invisible carpet or mimicking a Schwartzchild metric, i.e. a black hole. This research involved certain topics: 1. Transformation optics in flat and curved spaces: -Euclidean spaces: cloaking and lensing. -Non-Euclidean spaces: Three-dimensional gradient index lenses, Maxwell fisheye, and Leonhardt's cloak. -Experimental realization. 2. Transformation plasmonics in flat and curved spaces: -Plasmonic black hole and cyclic concentrator. -Three-dimensional plasmonic carpet cloaking. -Omni-directional plasmonic cloak.

34 INTERACTION LASER-MATIERE DANS LES MATERIAUX OPTIQUES POUR L'UV Gouldieff Céline Institut Fresnel - CNRS UMR 7249 Domaine universitaire de St Jérôme, Avenue Escadrille Normandie Niemen Marseille Cedex 20 Direction de la thèse : Jean-Yves Natoli, Frank Wagner L'élaboration de composants optiques résistant aux forts flux laser constitue un véritable défi technologique pour le développement des laser de puissance et de leurs applications. Parmi les composants les plus critiques au regard des flux laser intenses, on peut citer les cristaux non-linéaires et les composants à traitement multicouche diélectrique. Dans ce contexte, de nouveaux matériaux particulièrement prometteurs ont été récemment développés : il s'agit de mixtures d'oxydes, dont les propriétés physiques sont ajustables. Ces matériaux pourraient constituer des candidats de choix pour la création de composants à haute tenue aux flux, et particulièrement dans l'uv, gamme spectrale la plus énergétique, où les composants résistants font le plus défaut. Une étude de la tenue au flux des matériaux dans l UV est donc pertinente, mais aussi délicate, car une irradiation UV répétée peut être à l'origine de la diminution au cours du temps de la résistance des composants optiques! Cet effet de "fatigue" des matériaux irradiés est un phénomène complexe où interviennent non seulement des aspects purement statistiques dus au grand nombre de tirs laser, mais aussi une possible modification non-réversible des matériaux irradiés, ayant pour conséquence la création de nouveaux sites précurseurs d'endommagement. L'objectif de cette étude est de comprendre et d'analyser les processus mis en jeu lors de l'endommagement laser en surface et en volume de couches minces et de matériaux massifs. Dans cette optique, un banc d'endommagement laser a été entièrement mis en place et automatisé, permettant l'analyse de la résistance et du vieillissement de ces composants sous flux UV. Pour une meilleure compréhension des phénomènes physiques conduisant à la fatigue des matériaux en tirs laser répétés, un modèle a été développé afin de discriminer les effets statistiques d'une réelle modification du matériau sous flux UV. En ce qui concerne les couches minces, une étude multi-échelle de la tenue au flux UV de mixtures d'oxydes a ainsi été menée, en partenariat avec le Laser Zentrum Hannover (LZH, Allemagne). Pour les cristaux non-linéaires, nous avons démontré l'intérêt de la caractérisation par photoluminescence pompée dans l'uv pour l'étude de cristaux de KDP, dans le contexte du laser MégaJoule du CEA, en construction à Bordeaux.

35 Hyperspectral image denoising with rare signal preservation by jointly filtering image component Tao Lin, Salah Bourennane Institut Fresnel / CNRS-UMR Marseille Cedex, France tao.lin@fresnel.fr Digital images are generally contaminated by various types of noise, which degrade the image quality and further more influence the subsequent image processing procedures. Therefore it is necessary to reduce noise in the image before analyzing it [1]. Hyperspectral image (HSI) denoising is an increasingly interesting topic. There are two classical HSI denoising ways. The first one splits HSI into a sequence of 2D images and then treat each one by the 2D image processing methods, such as 2D-Wiener filter [2], wavelet [3], PCA [4], and etc. These methods neglect the spectrum information which is the character of HSI. Conversely, the other one is based on the spectral domain. The denoising methods of this type base on the covariance matrix, and split the HSI into observation vectors [5]. These methods convert the HSI into matrix for the convenience of the matrix algebra, however they neglect the space information of the HSI. To overcome the disadvantages of the classical methods, a multiway Wiener filter (MWF) [6] is proposed to process a HSI dataset as a whole entity based on TUCKER3 decomposition [7]. In MWF, the filter in each mode is computed as a function of the filters in other modes, which reflects its capability in integrally utilizing the information in each mode of the HSI. Though MWF performs better than the classical methods in processing the HSI, its treating a dataset as an entity brings some negative side effects in preserving the rare signals, which contribute weakly to the energy of the signal as compared to the noise [8]. In fact, as MWF processes a dataset as a whole entity, the details in this dataset cannot be kept properly, leading to its powerlessness in rare signal preserving. Distinguishing from MWF treating the HSI as a whole entity, wavelet packet transform (WPT) [9] is proposed to decompose a dataset into different coefficient sets. In the WPT, the rare signals and the abundant signals are separated into different coefficient sets, making it possible to treat them with different parameters and hence preserving the rare signals better. To improve the denoising performances of MWF, the combination of WPT and MWF is proposed in [10]. In this presentation, we show the possibility to use MWF in jointly filtering each wavelet coefficient tensor and present the ability of this algorithm in preserving rare signals. REFERENCES [1] D. Muti and S. Bourennane, Multidimensional filtering based on a tensor approach, Signal Process., vol. 85, no. 12, pp , [2] J. S. Lim, Two-dimensional signal and image processing, Englewood Cliffs, NJ, Prentice Hall, 1990, 710 p., vol. 1, [3] A. Pizurica and W. Philips, Estimating the probability of the presence of a signal of interest in multiresolution single-and multiband image denoising, IEEE Trans. Image Process., vol. 15, no. 3, pp , [4] L. Zhang, W. Dong, D. Zhang, and G. Shi, Two-stage image denoising by principal component analysis with local pixel grouping, Pattern Recognit., vol. 43, no. 4, pp , [5] S. Matteoli, N. Acito, M. Diani, and G. Corsini, An automatic approach to adaptive local background estimation and suppression in hyperspectral target detection, IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., vol. 49, no. 2, pp , [6] D. Letexier, S. Bourennane, and J. Blanc-Talon, Nonorthogonal tensor matricization for hyperspectral image filtering, IEEE Geosci. Remote Sens. Lett., vol. 5, no. 1, pp. 3 7, [7] L. De Lathauwer, B. De Moor, and J. Vandewalle, On the best rank-1 and rank-(r1, r2,..., rn) approximation of higher-order tensors, SIAM J. Matrix Anal. Appl., vol. 21, no. 4, pp , [8] O. Kuybeda, D. Malah, and M. Barzohar, Rank estimation and redundancy reduction of high-dimensional noisy signals with preservation of rare vectors, IEEE Trans. Signal Process., vol. 55, no. 12, pp , [9] I. Daubechies, Ten lectures on wavelets, SIAM, [10] T. Lin and S. Bourennane, Hyperspectral image processing by jointly filtering wavelet component tensor, IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., vol. PP, no. 99, pp. 1 13, 2012.

36 Homogenization of periodic photonic structures and application to metamaterials Doctorant(3 ème année): Yan LIU Institut Fresnel Equipe CONCEPT, CNRS UMR 7249, Ecole Centrale de Marseille Directeurs de thèse: Sébastien GUENNEAU and Boris GRALAK There is a vast amount of literature in the homogenization of periodic structures with the classical effect of artificial anisotropy which has been known for more than three decades. A less well-known effect is artificial magnetism and low frequency stop bands through averaging processes in high-contrast periodic structures. The tool of choice for one-dimensional periodic structures is the transfer matrix method, which allows us to define an effective bi-anisotropic medium. A high-order homogenization (HOH) algorithm based on the Baker-Campbell-Hausdorff formula (BCH) is proposed to derive the analytical formulae for effective parameters (defined as power expansions). Beyond the classical homogenization, artificial magnetism and magneto-electric coupling are achieved in this asymptotic process. The asymptotic error is also evaluated: The effective medium model becomes more accurate when the approximation order is taken higher in HOH. The expressions of the obtained effective parameters are checked numerically. The formulae of the dispersion law, as well as the transmission coefficients for the multilayer and the effective medium are shown, and are compared against one another. Good agreement in the low frequency band up to the first stop gap is observed, which validates the formal equivalence of these two structures. This asymptotic result is based on the effective permittivity, permeability and bianisotropic parameter and it breaks down at the lower edge of the first stop band. It is attributed to the invalidity of analytic property of the logarithm function log(a), which is introduced to derive the explicit expressions for those effective parameters. Thus, an alternative set of effective parameters, made of the propagation index and the surface impedance, is proposed. It is established that these new effective parameters, as functions of the complex frequency, possess all the analytic properties required by the causality principle and passivity. The theoretical expression of the effective index is numerically tested and is shown to satisfy the Kramers-Kronig formula (see Fig.1). The parameters open a route for generalization of AFH to frequency dispersive and three-dimensional case. Fig1. Real and imaginary parts (solid lines) of effective index for complex frequency z with positive imaginary part equal to 0.001; Kramers-Kronig formula unveils the real part of the effective index in plus markers; The considered multilayer is a periodic stack made of two alternating homogeneous layers with index n1=1.41 and n2=3.46, and filling ratio f1=0.8 and f2=0.2; The effective index takes respectively the values 2.0 and 1.86 at the limits of the zero and infinite frequencies.

37 Méthode de calibrage quantitatif basée sur la modélisation du rayonnement réel des antennes d un dispositif d imagerie du sous-sol Soufiane NOUNOUH Institut Fresnel, UMR 7249 Equipe HIPE Campus de Saint-Jérôme, avenue Escadrille Normandie-Niemen Marseille Directrices de thèse : Christelle EYRAUD, Amélie LITMAN soufiane.nounouh@fresnel.fr L imagerie quantitative du sous-sol consiste à étudier la réponse du sous-sol lorsqu elle est éclairée par une onde électromagnétique incidente. L onde renvoyée dépend de la composition et des inhomogénéités du sous-sol. On s intéresse en particulier à la détection de l onde renvoyée par un objet enfoui (objet cible) dans le soussol. Après traitement, il est possible de remonter à la position, la forme et la nature électromagnétique (permittivité diélectrique) de la cible. Nous allons travailler sur un milieu équivalent simplifié bien connu, à la différence du sol dont la composition est complexe et variable, et les propriétés ne sont pas parfaitement maitrisées. Ce milieu équivalent est composé par différentes mousses absorbantes chargées en carbone et dont la permittivité diélectrique est spatialement connue. Le système de mesure utilisé est un scanner plan permettant de déplacer deux antennes (un émetteur et un récepteur) dans un plan parallèle au dessus du bac rempli de mousse. La chaîne de mesure est basée sur un analyseur de réseau vectoriel, et nous faisons le choix de travailler à fréquence fixe à 2.1 GHz dans une configuration multistatique. Une fois l acquisition des mesures effectuée, un calibrage quantitatif du scanner est nécessaire pour préparer les données qui seront ensuite introduites dans les algorithmes d inversion quantitatifs dont la finalité est de remonter à la permittivité de l objet cible. Dans ce travail de thèse, nous avons proposé une méthode de calibrage dont la particularité est d être basée sur une modélisation du rayonnement des antennes et de ne pas nécessiter de cible de référence. Elle permet d obtenir un champ mesuré comparable au modèle en amplitude comme en phase. Un travail de caractérisation des erreurs de mesure et des perturbations environnementales a été aussi effectué pour les prendre en compte au mieux dans le modèle. Cette procédure a été utilisée pour obtenir de premières images d objets enfouis à partir de mesures. Mots clefs : hyperfréquences, diffraction, mesures, modélisation du rayonnement d antennes, calibrage, inversion.

38 Plasmonic Oligomers studies to Enhance the Performance of Organic Solar Cells devices Francesco Pastorelli 1,2, Sebastien Bidault 3, Jordi Martorell 2,4, Nicolas Bonod 1 1 Institut Fresnel, Aix-Marseille Université, CNRS, Domaine Universitaire de St Jérôme, Marseille 13397, France 2 ICFO-Institut de Ciències Fotòniques, Mediterranean Technology Park, Castelldefels (Barcelona) 08860, Spain 3 Institut Langevin, CNRS, ESPCI Paris Tech, 1 rue Jussieu, Paris 75005, France 4 Departament de Fisica i Enginyeria Nuclear, Universitat Politecnica de Catalunya, Terrassa 08222, Spain Efficient creation of excitons in organic solar cells requires a large optical path of light through the active material. However, organic cells feature very low charge mobility requiring very thin active layers around one/two hundred nanometers. To increase light matterinteractions in thin polymers, metallic particles or nanostructuration have been proposed to scatter impinging light into the polymer [1-2] but their efficiency is often counter-balanced by the intrinsic losses of metals and the presence of a strongly absorbing layer that spoil the wanted optical enhancement in the solar cell device. cell, while for the monomer device, the increase in short circuit current was only 8%. Such enhanced performance of the oligomer device can be understood when considering that the scattering cross-section is almost twice at wavelengths below 540 nm, that it has a comparable behavior in the middle wavelengths range ( nm), and that it exhibits a resonance peak at around 650 nm. These wavelength dependent enhancements are clearly visible in the external quantum efficiency (EQE) percentage change measurements. In the current work, we propose to limit this problem by incorporating gold nanoparticle dimers and trimers inside the OPV device. The plasmon resonance of coupled particles shifts towards the red part of the spectrum where the losses of gold are much smaller. We can theoretically show that the scattering and the scattering over extinction cross-section of such oligomers is reduced and leads to a significant increase of the light harvesting in the active material. The dimers were produced following a self-assembly method. The two NPs in the dimer are linked at a controlled distance of a few nanometers by Dithiothreitol (DTT) molecules [3]. The spacing molecules ensure a minimum distance that plays a fundamental role in the formation of intensity hot spots in the nanogap as well as large and red-shifted scattering peaks. We fabricated three types of OPV devices: a standard inverted OPV planar device with a ITO/TiO2/P3HT:PCBM/MoO3/Ag architecture, a similar device with 40 nm diameter particles (monomers) dispersed at the ITO/TiO2 interface and, a device including 40 nm monomers, dimers and trimers at the same interface. The latter one exhibited a photoconversion of 3.2% and with an increasing in efficiency of about 14%. The short circuit current that we measured to be 11% larger than the efficiency of the standard In conclusion, we show, theoretically and experimentally, that simple plasmonic oligomers exhibit larger and broader capabilities than monomers to enhance photon absorption also at frequencies where the molar extinction coefficient of the majority of photovoltaic polymers is smaller. [1] J. Wu, F. Chen, Y. Hsiao, F. Chien, P. Chen,C. Kuo, M. H. Huang, C. Hsu, "Surface Plasmonic Effects of Metallic Nanoparticles on the Performance of Polymer Bulk Heterojunction". ACS Nano, vol. 5(2), (2011), [2] Wang, D. H., Park, K. H., Seo, J. H., Seifter, J., Jeon, J. H., Kim, J. K., Park, J. H., et al., "Enhanced Power Conversion Efficiency in PCDTBT/PC70BM Bulk Heterojunction Photovoltaic Devices with Embedded Silver Nanoparticle Clusters", Advanced Energy Materials, 1(5), (2011), [3] S. Bidault and A. Polman, Water-Based Assembly and Purification of Plasmon-Coupled Gold Nanoparticle Dimers and Trimers, International Journal of Optics 12, (2012).

39 Theoretical analysis of optical antennas: tailoring the emission of light Brice Rolly Institut Fresnel, Campus de Saint-Jérôme, Marseille Thesis advisor: Brian Stout, co-advisor: Nicolas Bonod Objectives This work studies how nano-scale optical antennas alter fundamental quantum emission properties like: spontaneous decay rate, emission directivity, and quantum efficiency. Although long regarded as intrinsic properties of quantum systems (be they atoms, fluorescent dyes, quantum dots, color centers... ), nano-antennas can control these quantum processes by modifying their local electromagnetic environment. In analogy with the way different radio-wave antenna designs yield different radiated powers when connected to identical feeds, different optical antennas will induce different quantum emission rates under identical illumination conditions. Considering the numerous potential applications (light energy harvesting: photovoltaïc cells, light production: LEDs and nano-lasers, analytic chemistry: SERS, for instance) it is of capital importance to optimize this decay rate augmentation phenomenon. Heightened directivity of light emission by nano-antennas was also studied: when light is collected by a microscope objective for instance, narrower directional light emission cones can improve collection efficiencies, leading to higher signal to noise ratios. Optimizing emission directivity requires accurate simulations of the (generally non-trivial) interference effects between different components of the antenna. Energy efficiency is another crucial characteristic of nano-antennas, particularly in energy-related applications (light production or harvesting). Nano-antennas can improve the global energy efficiency of quantum systems by hindering non-radiative decay channels that compete with the radiative channels during the emitter s energy cycle (ground state excited state ground state). Highlights Advances in numerical modeling : I added features to in-house Fortran 90/95 Mie multiple scattering codes in order to optimize both the accuracy and computation times for T-matrix calculation and inversion, as well as decay rates and interaction cross-sections. I participated in the conception and implementation of leaky mode computation algorithms for 1D-arrays of particles (Journal of the Optical Society of America B 29, 1012 (2012)). I also introduced a parallel programming scheme using Intel s Math Kernel Library. Experimental collaborations : Successful scientific collaborations were engaged with Sébastien Bidault s group at Institut Langevin, Paris, for whom we computed theoretical scattering crosssections as well as fluorescence enhancement factors that fitted the experiments in a highly satisfactory way (Angewandte Chemie 51, (2012); Nature Communications 3, 962 (2012); Nano Letters 11, 5060 (2011)). These computations also aided experimentalists to characterize the metamolecules fabricated using bottom-up techniques. Development of analytical models: I explained with a simple intuitive model, the nontrivial effect of near- and mid-field coupling in a dimer of metallic particles, which induces peculiar resonance phenomena of the bonding transverse mode in dimers of metallic particles (Physical Review B 84, (2011)). A related model, which accounts for a local excitation by an electric dipole (fluorescence from a dye molecule, for instance), details how the combined effect of electric and magnetic induced dipoles in dielectric particles allow to greatly enhance emission directivity, while preserving the emission quantum efficiency thanks to their low losses (Optics Express 20, (2012)).

40 POLARIZATION RESOLVED SUPER-RESOLUTION MICROSCOPY VALADÉS CRUZ César Augusto Institut Fresnel, UMR CNRS 6133, Campus Universitaire de St Jérôme, Av Escadrille Normandie-Niemen 13397, Marseille Cedex 20, France Directeur de thèse: Prof. RIGNEAULT Hervé KEY WORDS: Fluorescence microscopy, Super-resolution, Polarization anisotropy Super-resolution microscopy has brought a significant improvement in nano-scale imaging of molecular assemblies in biological media. However apart from a recent work on proteins aggregates [1], its extension to imaging molecular orientation using fluorescence anisotropy has however not yet been fully explored. Providing orientational order information at the nano-scale would be a considerable progress for the understanding of biological functions since the structure of biomolecular assemblies is strongly interrelated with fundamental processes such as in clustering in cell membranes [2]. In addition, anisotropy imaging combined with super-resolution would open new possibilities to measure the temperature of single molecules in nano-structured local environments, following previous approaches already developed in standard microscopy [3]. In this work, we report a super-resolution polarization-resolved microscopy technique able to image molecular orientation behaviors in static and dynamic environments. Using direct Stochastic Optical Reconstruction Microscopy (dstorm) [4] in combination with polarized detection, fluorescence anisotropy images can be reconstructed (Fig. 1) at a spatial resolution of 20 nm. Analysis of the data using a numerical model based on orientational diffusion allows retrieving molecular angular constraint information (molecular order ψ in Fig. 1) as well as local environment properties such as local Figure 1: Reconstructed anisotropy image of an actin fibers bundle (COS-7 cell, phalloidin- ATTO633 labeling). The average retrieved molecular order ( angle) is about 150, with local higher disorder probably due to superresolved bending structures. References viscosity or temperature. We illustrate this technique on molecular order imaging in COS-7 Actin fibers (Fig. l) and local temperature retrieval in molecules freely diffusing over heating metal structures. [1] T. J. Gould, M. S. Gunewardene, M. V. Gudheti, V. V. Verkhusha, S. R. Yin, J. A. Gosse, and S. T. Hess, Nanoscale imaging of molecular positions and anisotropies Nat. Meth. 5, (2008) [2] A. Gasecka, T. J. Han, C. Favard, B. R. Cho and S. Brasselet, Quantitative imaging of molecular order in lipid membrane micro-domains using two-photon fuorescence polarimetry Biophys. J., 97, (2009). [3] G. Baffou, M. P. Kreuzer, F. Kulzer, and R. Quidant, Temperature mapping around plasmonic nanostructures using fluorescence polarization anisotropy Optics Express, 17, , (2009). [4] S.van de Linde, A. Löschberger, T. Klein, M. Heidbreder, S. Wolter, M. Heilemann, M. Sauer, Direct stochastic optical reconstruction microscopy with standard fluorescent probes, Nature Protocols 6, (2011).

41 Cerebral blood flow evolution in MBL-KO mice after reperfusion following temporal ischemia Claudia P. Valdes 1,3, Anna Kristoffersen 1, Xavier de la Rosa 2, Carles Justicia 2, Anna Planas 2, Turgut Durduran 1 1 ICFO-Institut de Ciencies Fotoniques, Av. Carl Friedrich Gauss 3, Castelldefels, Spain 2 Department of Brain Ischemia and Neurodegeneration, Institut d'investigacions Biomèdiques de Barcelona (IIBB)-Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), Institut d'investigacions Biomèdiques August Pi i Sunyer (IDIBAPS), Barcelona, Spain 3 Institut Fresnel, CNRS, Aix-Marseille Université, Campus de St Jérôme, Marseille, France Supervisors : Turgut Durduran (ICFO) and Anabela Da Silva (I. Fresnel) Imaging cerebral blood flow (CBF) in small animals, in particular rodents, is a key point for translational research in ischemic stroke and for some years, laser speckle flowmetry (LSF) has been used to measure relative changes in blood flow and to visualize spontaneous events during and after ischemia, e.g. Peri-infarct depolarizations (PID). Recently, it has been shown that genetically modified mice lacking of Mannose binding lectin (MBL) protein (gene-knockout (KO) mice), exhibit protection after an experimental ischemic stroke using the transient middle cerebral artery occlusion method (tmcao), showing smaller infarct size after 48 hours following the stroke in comparison to that in wild type mice (WT) despite having similar reduction in CBF at the time of the occlusion, as measured by laser Doppler. Using LSF, we image CBF four mice of each type to study if the lectin pathway activation affects the evolution of CBF in the first few hours after reperfusion following middlecerebral artery occlusion. Here we present the relative changes in blood flow during occlusion, reperfusion and some hours after, within some regions of the mouse brain and calculated in two ways: relative to a baseline CBF. A two-way ANOVA analysis shows that in fact, there is a difference in the CBF following reperfusion between the two groups under study. This work has been developed in collaboration with the Department of Brain Ischemia and Neurodegeneration of the Biomedical Research Institute August Pi i Sunyer (IDIBAPS), Barcelona, Spain and is part of the doctoral project that runs under the Europhotonics Erasmus Mundus Joint Doctorate Program between the Institut of Photonic Sciences (ICFO) and the Institute Fresnel.

42 Traitement du Signal Multidimensionnel : application au réseau de capteurs Villemin Guilhem Equipe GSM - Institut Fresnel Campus Universitaire de Saint Jérôme Avenue Escadrille Normandie-Niemen Marseille Cedex Sous la direction de Mme Caroline Fossati L'objectif de nos travaux est la localisation de sources à large bande de fréquence dans le domaine temporel en utilisant un réseau de capteurs. Le problème que nous avons traité est celui de l'estimation des paramètres de localisation géographique d'émetteurs dans le contexte de trajets multiples. Il est bien connu que dans de telles situations les méthodes conventionnelles, sans prétraitement adapté, ne sont pas efficaces. Le modèle mis au point repose sur une prise en compte des informations disponibles sur toute la bande du signal au niveau de chaque capteur. L'originalité de notre approche réside dans l'utilisation des statistiques des données à la fois dans les domaines spatial et fréquentiel. En effet, nous avons exploité dans un premier temps la diversité fréquentielle par décomposition de la bande d'analyse en plusieurs sous-bandes au niveau de chaque capteur qui conduit à l'obtention des différents temps d'arrivée des différents trajets qui peuvent être totalement corrélés. Puis dans un second temps la diversité spatiale (réseau de capteur) est exploitée pour déterminer les angles d'arrivée et les distances de propagation sources - réseau de capteurs qui déterminent les positions géographiques des sources. Nous avons proposé une nouvelle méthode utilisant un lissage fréquentiel dont l originalité est d'utiliser des sous bandes de même largeur et composée de fréquences choisies avec un pas multiple de celui qui est donné par la transformée de Fourier, ce qui permet d'améliorer le conditionnement de la matrice de transfert, en réduisant par effet de moyenne la colinéarité de ses vecteurs colonnes. Cette méthode se révèle très pertinente pour améliorer le pouvoir séparateur des méthodes à haute résolution. Pour réduire les erreurs d'estimation, nous avons adapté des algorithmes d'analyse numérique (de type gradient) avec un critère d optimalité basé sur une comparaison à postériori des spectres des signaux reçus et des signaux reconstitués avec les paramètres estimés. Ces techniques permettent d améliorer considérablement l'estimation des temps d'arrivée. Nous avons enrichi l'algorithme d'analyse numérique utilisé pour l'estimation des paramètres de localisation d'un double système d'équations. Ces deux systèmes combinés permettent à la fois de diminuer l'erreur d'estimation des paramètres de localisation des sources tout en offrant un indicateur de confiance pertinent sur les paramètres estimés. La qualité de l'estimation des paramètres de localisation est ainsi améliorée. Nous avons également développé plusieurs techniques d'association des temps d'arrivée estimés sur les différents capteurs, ce qui se relève être un des verrous majeurs de nos travaux. Enfin, nous avons appliqué nos méthodes à des données simulées pour évaluer les améliorations apportées. Les résultats obtenus montrent la possibilité de détecter un nombre de sources plus important que le nombre de capteurs, ce qui est impossible avec les méthodes classiques. De plus, la précision de l estimationet des paramètres de localisation supérieure est à celle des méthodes classiques. Les études menées sur des données réelles, ont été réalisées dans le cadre de la détection d'objets enfouis en milieu marin. Pour cela, des petits objets cylindriques ou sphériques sont enfouis dans une cuve acoustique remplie de sable fin et d'eau. Les résultats d'estimation des paramètres (angle θ et distance ρ) montrent que notre méthode offre de meilleures performances que les techniques existantes.

43 High frame-rate fluorescence confocal angle-resolved linear dichroism microscopy NOM et PRENOM : Xiao Wang Intituléet adresse du Laboratoire : MOSAIC Group, Institut Fresnel, Campus de St Jérôme, Marseille Cedex 20. Nom du Directeur de thèse : Sophie Brasselet et Patrick Ferrand Abstract Recently, angle-resolved linear dichroism microscopy has been proposed, based on absorption of light which are strongly dependent on the orientation of the fluorescence dipole and the polarization of the excitation optical fields. This technique has been widely used to measure the mean orientation and orientation order Fig.1 a of molecules in cells [1, 2, 4]. Here, a scheme to monitor the real-time orientation properties of fluorescent lipid probes is proposed by using a highly parallel confocal image system and fast polarization switching. The parallel confocal configuration is implemented by a high-speed spinning disk combined with a camera to perform the image acquisition in parallel in a confocal detection scheme, allowing acquisition rate of several hundred frames per second. Fast switching of the polarization state is provided by an electro optical modulator placed in the excitation path. With this technique, fast confocal images can be recorded at any desired polarization angle, which offers the possibility to build polarimetric image stacks analysed to monitor the molecular order (Fig.1 b) at the time scale of second [3]. Y X (a) (b) Fig.1: Illustration of the angular distribution width of lipid probes in the lipid membrane. (b) The measured map and histogram of the COS-7 cell. [1]A. Kress, P. Ferrand, H. Rigneault, T. Trombik, H.-T. He, D. Marguet, S. Brasselet, "Probing orientational behavior of MHC Class I protein and lipid probes in cell membranes by fluorescence polarization-resolved imaging", Biophys J. 101, (2011). [2]A. Kress, X. Wang, H. Ranchon, J. Savatier, P. Ferrand, S. Brasselet Polarization resolved fluorescence imaging reveals molecular orientation and order in cell membranes of arbitrary shapes Submitted [3]X. Wang, A. Kress, P. Ferrand, S. Brasselet High frame-rate confocal polarization resolved fluorescence microscopy Accepted. [4] J. Duboisset, P. Ferrand, W. He, X. Wang, H. Rigneault, and S. Brasselet Thioflavine-T and Congo Red Reveal the Polymorphism of Insulin Amyloid Fibrils when Probed by Polarization-Resolved Fluorescence Microscopy J. Phys. Chem. B Vol. 117, pp (2013)

44 Spatially Constrained Mixture Model via Energy Minimization and Image Segmentation XIAO Zhiyong Institut Fresnel - Equipe GSM, UMR 7249 CNRS, Ecole Centrale Marseille Domaine Universitaire de Saint Jérôme, Marseille Cedex 20 Directeur de thèse: Salah BOURENNANE Co-directeur de thèse: Mouloud ADEL Image segmentation is a fundamental and classical problem in image processing and computer vision. It refers to partitioning an image into separate regions, which correspond to meaningful real-world objects. A large amount of literature on image segmentation has been published. Among all the image segmentation techniques, many successful ones benefit from probabilistic approach. The probabilistic approach formulates the image segmentation problem as a stochastic optimization problem. Various probabilistic approaches have been introduced, such as graphical models, the discriminative approach, the generative approach and the hybrid approach. Much progress has been made in the image segmentation field so far. However, it is still far from being resolved. The main reason is that many image segmentation approaches is that the spatial information is not taken into account. In other words, the prior knowledge that adjacent pixels most likely belong to the same class is not used. To overcome this shortcoming, many spatially constrained methods have been proposed for image segmentation. We propose a novel mixture model with spatial constraint for image segmentation. We define an energy function on the image data space, the other energy function is defined on the spatial space for measuring the spatial information. The image segmentation problem can be solved via minimizing the combination of the two energy functions. The energy minimization framework can be extended to the spatially constrained mixture model-based method for image segmentation that includes the spatially variant finite mixture model and the class-adaptive spatially finite mixture model. Numerical experiments are presented where the proposed method and other mixture model-based methods are tested on synthetic and real world images. These experimental results demonstrate that the proposed method achieves competitive performance compared to other spatially constrained mixture modelbased methods.

45 Performance Evaluation of Space-Diversity Free-Space Optical Communication Systems Guowei YANG 1, Equipe GSM, Institut Fresnel, Campus Universitaire de Saint Jérôme Marseille Directeur de thèse: Salah BOURENNANE Co-directeur de thèse: Mohammad-Ali KHALIGHI Keywords: free-space optics, spatial diversity, correlation, Gamma-Gamma distribution. Terrestrial free-space optical (FSO) communication, also referred to as optical wireless communication (OWC), is an optical technology that conveys the messages by modulated light beams from one point to another in the atmosphere. FSO has recently attracted considerable attention because of its significant advantages such as high bandwidth capacity, an unregulated spectrum and robustness to the electromagnetic interference as well as transparency to the traffic types and protocols. Compared to the radio-frequency (RF) technology, by working near infrared wavelengths, the FSO link has a very high optical bandwidth available, and can carry huge amounts of information. This allows high rate data transmission that can exceed 1 Giga bit-per-second (Gbps). Due to using very narrow beams, FSO technology can provide high transmission security as well as interference immunity. Also, an FSO system is cost-effective as it requires little maintenance, with inexpensive components compared to RF systems. In addition, the FSO systems do not require license fees. Last but not least, compared to traditional fiberoptic communication systems, the installation of an FSO system can be done very quickly and with relatively low cost. On the other hand, the main challenge of the FSO system under the clear weather condition is optical scintillation (induced by atmospheric turbulence) that considerably impairs the link performance, especially, for relative large link distances. The most practical solution to mitigate this turbulence-induced fading is making use of spatial diversity techniques that can be realized by employing multiple beams at the transmitter, multiple apertures at the receiver, and combination of them. We denote these FSO systems as the space-diversity systems. In fact, we always have fading correlation among the sub-channels in the space-diversity systems, and this leads the performance impairment. To study this point, we firstly use wave-optic simulation based on multiple phase screens theory and splitstep beam propagation method to estimate the correlation coefficients in the FSO systems. Then, a method to generate correlated Gamma-Gamma ( ) random variables (RVs) is developed to evaluate the average bit-error rate (BER) by Monte-Carlo simulations. In addition, we propose two analytical approaches to evaluate the performance of the spacediversity systems over correlated ( ) fading channels. 1 guowei.yang@fresnel.fr

46 Experimental and theoretical investigations on Mn 4 Si 7. How to obtain it at room temperature and how to improve its thermoelectric efficiency? Ali Allam 1,2, Pascal Boulet 2, Marie-Christine Record 1 ali.allam@hotmail.fr 1- IM2NP - Aix-Marseille University, av Normandie-Niemen, Marseille, France 2- MADIREL - Aix-Marseille University, av Normandie-Niemen, Marseille, France Abstract Higher manganese silicide HMS commonly referred to as MnSi x (x= ) exhibit relatively high thermoelectric (TE) performance with the dimension-less figure-of-merit ZT = S 2 σt/κ = 0.7 around 800 K, where S, σ, κ and T are the Seebeck coefficient, electrical conductivity, thermal conductivity and absolute temperature, respectively. HMSs were shown to have several phases with slightly different stoichiometry, namely Mn 4 Si 7 [1] Mn 11 Si 19 [2,3] Mn 15 Si 26 [4] and Mn 27 Si 47 [5]. They all derived from the TiSi 2 structure [6] and displayed the tetragonal crystal structure with almost equal a lattice parameters and unusually long c lattice parameters. Therefore, it is hard to distinguish between different phases of HMS [6-7]. In a previous work, we suggested a way to differentiate these phases and we found that Mn 27 Si 47 is the stable phase at room temperature [8]. However, by using DFT calculations, Migas et al. [9] have shown that Mn 4 Si 7 is the only not degenerate semiconductor and as such is the most interesting HMS phase for thermoelectric applications. In the first part of this paper we will present a route to stabilize the Mn 4 Si 7 phase at room temperature which consists in making Mn 4 Si 7 thin films. These thin films were elaborated by using rapid thermal annealing (RTA) from Mn layers deposited by sputtering onto silicon substrates. In the second part, we will show a DFT investigation of the Mn 4 Si 7 thermoelectric properties and how we can improve them by making atom substitutions. Substitutions were performed either on Mn or Si atoms. As expected the calculated DOS of solid solutions exhibit distortions with respect to that of the pristine compound. In some cases, an increase of the Seebeck coefficient has been observed. The DFT calculations were performed using the general potential linearized augmented plane-wave (LAPW). The transport properties were calculated by solving the Boltzmann transport equation. Keywords: Thermoelectrics, Mn 4 Si 7, thin films, Rapid Thermal Annealing, DFT calculations References: [1] U. Gottlieb, A. Sulpice, B. Lambert-Andron, O. Laborde, J. Alloys Compd. 361 (2003) 13. [2] O. Schwomma, H. Nowotny, and A. Wittman, Monatsch. Chem. 94 (1963) 681. [3] O. Schwomma, A. Preisinger, H. Nowotny, A. Wittman, Monatsch. Chem. 95 (1964) [4] H. W. Knott, M. H. Mueller, and L. Heaton, Acta Crystallogr. 23 (1967) 549. [5] G. Zwilling and H. Nowotny, Monatsch. Chem. 104 (1973) 668. [6] H. Q. Ye and S. Amelincks, J. Solid State Chem. 61 (1986) 8. [7] S. Teichert, R. Kilper, J. Erben, D. Franke, B. Gebhard, T. Franke, P. Haussler, W. Henrion, and H. Lange, Appl. Surf. Sci (1996) 679. [8] A. Allam, C.A. Nunes, J. Zalesak, M.C. Record, J. alloys compd. 512 (2012) [9] D. B. Migas, V. L. Shaposhnikov, A. B. Filonov, and V. E. Borisenko, N. N. Dorozhkin, Phys. Rev. B 77 (2008)

47 Ségrégation dynamique d impuretés métallique à l interface SiO2/Si Anthony De Luca IM2NP, UMR7334 CNRS - Aix-Marseille Université Directeurs de thèse: Alain Portavoce, Michaël Texier, Nelly Burle Dans les composants de dernière génération, la taille des transistors ne cessant de diminuer, une très faible contamination de la zone active par des impuretés métallique modifie drastiquement les propriétés électriques des composants les rendant inopérants. Il est donc essentiel d améliorer nos connaissances du comportement des impuretés métalliques durant la fabrication des composants, et plus spécifiquement, de comprendre leurs interactions avec les interfaces des technologies CMOS. Dans ce contexte, ce travail a pour but d étudier les mécanismes de diffusion et précipitation ou ségrégation de différents éléments métalliques à l interface SiO2/Si. Pour cela, la contamination contrôlée de plaquettes de silicium (001) a été réalisée par implantation d ions métalliques (jusqu à at.cm -2 ). Ces plaquettes ont ensuite subi diverses oxydations pour former une couche de SiO2. Ces échantillons ont été analysés en utilisant différents outils d'analyse post mortem, notamment par Microscopie Electronique en Transmission haute résolution corrigée des aberrations géométriques, en imagerie chimique de contraste de Z (STEM-HAADF) et par Sonde Atomique Tomographique. En fonction de l espèce contaminante ainsi que des conditions d oxydation, différentes situations on été observées. Par exemple, durant l oxydation, les impuretés métalliques peuvent s agglomérer en formant des précipités sphériques isolés ou des colonies de précipités de taille nanométrique. Ces résultats suggèrent une influence de la cinétique d oxydation sur le comportement des impuretés métalliques, qui conduit à différents types d accumulation en fonction de la vitesse de diffusion de l élément contaminant. A partir de ces résultats expérimentaux, un model qualitatif de la ségrégation dynamique d impuretés métalliques dans le silicium est proposé. Précipité formé à l interface SiO2/Si dans une plaquette contaminé en Fe. Imagerie STEM-HAADF (gauche) et HRTEM (droite).

48 Réseaux 2D covalents nanoporeux fonctionnalisés à partir de la chimie des acides boroniques T. Faury a-b, S. Clair a, M. Koudia a, D. Gigmes b, F. Dumur b, L. Porte a, M. Abel b (directeur de thèse) a Institut Matériaux Microélectronique et Nanosciences de Provence, Aix-Marseille Univ, Campus de Saint-Jérôme, Case 142, F Marseille Cedex 20, France b Institut de Chimie Radicalaire, Aix-Marseille Univ, Campus de Saint-Jérôme, Case 542, F Marseille Cedex 20, France. La chimie des acides boroniques est une des voies utilisées pour la formation de réseaux covalents 3D nanoporeux (COF). Le but est d appliquer ce concept à la formation de nanostructures organiques 2D sur des surfaces métalliques dont les applications seraient intéressantes en électronique moléculaire. Les travaux précédents entrepris dans notre laboratoire sur l acide 1,4-diboronique benzène (BDBA) ont conduit à l observation par STM (microscope à effet tunnel) d un réseau en nid d abeille 2D avec des pores de 15 Å. Cependant du fait de l irréversibilité de la liaison covalente, des défauts sont présents dans le film. Les objectifs de ma thèse sont d une part d améliorer la qualité de la structure formée et également d apporter de nouvelles propriétés au réseau. La fonctionnalisation de la molécule de BDBA est une solution envisagée pour apporter de nouvelles propriétés. Une première partie de mes travaux a consisté à synthétiser des molécules en ajoutant des groupements fonctionnels en périphérie de la molécule de BDBA. L étude de ces molécules fonctionnalisées a permis de mieux comprendre le mécanisme de formation des réseaux. 1 L amélioration de la régularité du réseau a été réalisé en contrôlant la cinétique de réaction grâce à une réaction séquentielle. Dans ce cas, nous avons combiné deux réactions activées à des températures différentes : la formation de cycle boroxine par déshydratation à température ambiante suivie de la formation de liaison C-C par couplage d Ullmann à des températures supérieures à 200 C. C est l acide 1-boronique 4-bromobenzène (BBBA) qui a pour cela été utilisé. Avec cette stratégie en étapes, un polymère de meilleure qualité a été obtenu avec des pores hexagonaux de 23 Å (Figure1). 2 Des travaux ont ensuite été menés pour estimer le potentiel de ce réseau pour la capture d atome métallique dans les pores. HO B OH Br - H 2 O 25 C - Br 250 C BBBA Boroxine Polymère Figure 1 : Mécanisme de polymérisation et images STM des boroxines et du réseau polymère 2D obtenu à partir de la molécule de BBBA sur une surface Au(111) 1 Faury T. ; Dumur F. ; Clair S. ; Abel M. ; Porte L. ; Gigmes D. ;Cryst. Eng. Comm., 2013, 15, Faury T. ; Clair S. ; Abel M. ; Dumur F. ; Gigmes D. ; Porte L. ; J. Phy. Chem. C, 2012, 116,

49 Auto-organisation des boîtes quantiques Philippe Gaillard sous la direction de Thomas Frisch et Jean-Noël Aqua L étude porte sur la croissance de boîtes quantiques de semi-conducteurs, en particulier de Silicium-Germanium (SiGe) et de semi-conducteurs III- V (par exemple nitrure de gallium sur nitrure d aluminium). De nombreuses recherches expérimentales ont été effectuées sur l auto-organisation de boîtes quantiques. Celles-ci peuvent en particulier être fabriqués par hétéro-épitaxie. L observation expérimentale des boîtes est réalisable par microscopie électronique ou à force atomique (pour la morphologie) ainsi que par des expériences de diffraction à rayons X ou par sonde tomographique (pour la composition des boîtes). D autres méthodes sont utilisés pour déterminer les propriétés optiques ou électriques des boîtes (spectre de photoluminescence...). Je me suis intéressé à la simulation numérique et analytique de la morphologie des boîtes, en particulier les effets élastiques causés par le désaccord de maille entre l adsorbat et le substrat. Cette différence de maille cristalline crée des contraintes élastiques dans l adsorbat, et la formation de boîtes quantiques permet la relaxation du système. La première partie de l étude porte sur la nucléation d ilots à forts désaccords de maille (Ge sur Si) en utilisant une méthode de Monte-Carlo cinétique. 1 Ces simulations ont permis d obtenir des informations sur les densités et tailles de boîtes en fonction de la température et du flux de déposition. Plus spécifiquement nous avons retrouvé une loi d échelle qui s appliquait déjà dans le cas des ilots à deux dimensions et une relation en loi de puissance entre la densité d ilots et le rapport de la diffusion sur le flux de dépôt. De plus nous avons mesuré la dispersion de taille qui est un paramètre important pour les applications en électronique et nous avons montré que cette dispersion dépend de la température et donc des effets entropiques. Actuellement nous étudions le cas d un système légèrement différent de semi-conducteur à gap direct où le désaccord de maille est anisotrope (GaN sur AlGaN en particulier) en résolvant analytiquement les équations continues de l élasticité. Les boîtes quantiques produites dans ce cas peuvent être photoluminescentes. Institut Matériaux Microélectronique et Nanosciences de Provence, Université Aix- Marseille, Campus St. Jerome 1. Kinetic Monte-Carlo simulations of the growth of Silicon Germanium pyramids P. Gaillard, J.-N. Aqua et T. Frisch, PRB 2013

50 Research on Nanostructured Hybrid Organic/ Semiconductor Quantum Dots in Thin Films Hung-Ju Lin 1,2 Directors: François Flory 1, Judikael Le-Rouzo 1,Cheng-Chung Lee 2,Sheng-Hui Chen 2 1 ECM and Aix-Marseille University, Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence-IM2NP, CNRS-UMR 6242, Domaine Universitaire de Saint-Jérôme, Service 231, Marseille Cedex 20, France 2 Department of Optics and Photonics/Thin Film Technology Center, National Central University, Taiwan Researches on nano-objects have attracted many scientists and engineers for making lots of studies about the mechanisms and their applications recently. Especially when the object scale is smaller than the de Broglie wavelength, quantum confinement of electrons occurs that can generate different optical and electronic properties. Regarding to the quantum dots (QDs) with size only of few nanometers, the energy bandgap is determined by discrete energy levels and can be modified by the size. It excites many applications such as biological tags, light emitting diodes and solar cells. The first part of our research is to determine the optical properties of the essential quantum dots. CdSe/ZnS QDs with a size of around 3 nm were incorporated into a PMMA thin film hosting matrix. The absorption spectra exhibit several absorption peaks which come from discrete excitonic features superimposed on a continuous background. We have shown that PMMA layers containing CdSe/ZnS QDs exhibit strong photoluminescent Stoke-shifted in front of the first excitonic absorption peak. In second part of our work, the semiconductor QDs material layers as CdSe/ZnS QDs embedded into a micro-structure PMMA hosting matrix were studied. Via nanoimprinting technique, the hybrid QDs-polymer layers were periodically structured as shown in Fig.1. A periodically structured silicon mold has been used. The pattern has been well transferred into the hybrid layers which exhibited the same periodic structure as the original mold. The spatial density of optical modes is modified consequently. Therefore, this concept of nanostructured hybrid films has a lot of interest in particular to develop high efficiency solar cells. Finally we will associate structured hybrid QDs-polymer layers in solar cells to enhance their efficiency by frequency down conversion or by enlarging the part of the solar spectrum collected. Fig1. Nanoimprinting method is applied to obtain the nanostructured polymer films

51 Investigation of diffusion and solid state reactions in thin layers: experiments and simulations PARDITKA Bence PhD student IM2NP Department of Solid State Physics Faculté des Sciences et Techniques University of Debrecen Université Paul Cézanne Egyetem tér 1. Avenue Escadrille Normandie Niem PO.Box 2. Case 142 H-4010 Debrecen F Marseille Cedex 20 Hungary France Abstract GIRARDEAUX Christophe supervisor ERDÉLYI Zoltán supervisor Schmitz et al. showed experimentally that stress effects significantly influence the intermixing rate but surprisingly the parabolic growth rate is preserved. The influence on the intermixing rate was interpreted as a switching between the Darken and the Nernst-Planck regimes caused by the diffusion-induced stress. We analysed theoretically and confirmed that stress effects do not have measurable effects on the kinetic coefficient of the interface shift i.e. the Fickian kinetics preserved independently of the developing stress field. However the intermixing rate decreases. The stress field enhances the atomic flux of the slower component but diminishes the faster one. As a consequence, their initial difference is equilibrated, leading to the establishment of the Nernst-Planck regime. We performed EXAFS measurements and X-ray fluorescence (GIXRF) in a combination with X-ray standing wave technique for depth profiling a-si/ni/a-si sandwich structures with nanometer resolution. We investigated the formation of Ni 2 Si intermetallic phase and its growth. We showed, by the combination of SNMS, (Secondary Neutral Mass Spectrometry), XRD and APT (Atom Probe Tomography) that the growth of the Cu 3 Si crystalline layer at 408K between the amorphous Si and nanocrystalline Cu thin films follows a linear law and the shifts of the Cu 3 Si/Cu and Cu 3 Si/a-Si interfaces approximately equally contributed to the growth of this phase. It is also illustrated that the Si atoms diffuse fast into the grain boundaries of the nanocrystalline Cu, leading to Si segregation on the outer surface and to an increase of the overall Si content inside the Cu layer. This easily transforms subsequently into a homogeneous Cu 3 Si crystalline reaction layer which further grows following apparently an interface controlled linear kinetics. Acknowledments: The work is supported by the BGF (Bourse du Gouvernement Français), the OTKA Board of Hungary (No. NF101329), the TÁMOP A-11/1/KONV and 4.2.2/B-10/ projects.. The TÁMOP projects are co-financed by the European Union and the European Social Fund.

52 Etude des mécanismes de précipitation, de recristallisation et de transformation de phase dans les aciers Dual Phase microalliés au titane et au niobium Philippot Clément Laboratoire ArcelorMittal R&D - Automotive products - Voie Romaine Maizières les Metz Laboratoire IM2NP UMR CNRS Université P. Cézanne - Av. Escadrille Normandie Niémen Service Marseille Cedex 20 Directeur : Pr. Philippe Maugis Le développement d aciers combinant à la fois une résistance mécanique élevée et une bonne formabilité constitue un challenge majeur pour la métallurgie destinée à l industrie automobile. L une des pistes privilégiée pour répondre à ce défi moderne est le développement d aciers Dual Phase (DP) de haut grade microalliés au titane (Ti) et au niobium (Nb). Les effets liés à l ajout de ces éléments de microalliage sont en grande partie individuellement connus : affinement du grain ferritique via le contrôle de la taille de grain austénitique, retardement de la recristallisation, durcissement par précipitation fine, modification des cinétiques de transformation de phase, etc. Cependant, le potentiel de ces éléments de microalliage est bien souvent mal maîtrisé et mal optimisé. De plus, certains paramètres opératoires ont une grande influence sur les mécanismes intervenant lors du recuit intercritique appliqué à ce type de produit (vitesse et profil de chauffe, temps et température de maintien intercritique, répercussion de l état de la tôle à chaud sur le recuit, etc). Les objectifs de cette thèse sont d explorer en détail les mécanismes de précipitation, de transformation de phase et de recristallisation qui se produisent lors du recuit intercritique d un acier DP de haut grade (>900MPa) microallié au titane et au niobium. De manière résolument appliquée au développement produit, il est nécessaire de mieux comprendre les interactions qui se produisent entre ces mécanismes afin de pouvoir proposer une meilleure adéquation entre la chimie du matériau et le procédé de production. Une première partie de l étude porte sur l influence des paramètres de chauffe et de maintien au recuit à partir d une tôle à froid industrielle. Les cinétiques de chauffe appliquées au système conditionnent les cinétiques de recristallisation, de précipitation et de formation d austénite. La morphologie de microstructure finale dépend directement de ces premiers instants au recuit. Une Vitesse de Chauffe Lente (VCL = 1 C/s) mène, en fin de chauffe, à une microstructure recristallisée, homogène et dont le potentiel de précipitation a été totalement consommé (plus de Ti ni de Nb en solution solide). Une Vitesse de Chauffe Rapide (VCR = 10 C/s) conduit à une microstructure partiellement recristallisée, plus hétérogène et qui possède un potentiel de précipitation plus important pour le maintien. La microstructure obtenue est alors sujette à une structuration en bande néfaste pour les propriétés de pliage de l acier. Un suivi détaillé étape par étape des mécanismes se produisant lors de la chauffe a été réalisé pour comprendre les différences de morphogénèse entre une VCL et une VCR. Deux scénarios ont été mis en place. Ils impliquent des conditions de formation de l austénite différentes liées à des chimies locales différentes imposées par la recristallisation. Une première approche modélisatrice a été élaborée. En parallèle de cette étude de l influence des paramètres de recuit, une étude portant sur l influence des teneurs en titane et en niobium est en cours. Elle vise à comprendre l influence des différentes teneurs en microalliage sur ces mêmes mécanismes. Afin de réaliser ces études, les cycles thermiques ont été réalisés sur four simulateur de recuit et sur dilatomètre. Les analyses qualitatives (distribution de phase, morphologie de la microstructure) et quantitatives (teneurs de phase, taux de recristallisation) ont été réalisées via MEB-FEG et EBSD après préparation métallographique classique. L évolution de la précipitation a été suivie grâce à des dosages de précipités après dissolution de matrice et complétée par des analyses fines en MET. Les chimies locales des phases lors du recuit ont été analysées en MET, en nano-sims et en SAT. MEB-FEG : Microscopie électronique à balayage avec canon à effet de champ EBSD : Analyse par diffraction des électrons rétrodiffusés MET : Microscopie électronique en transmission (avec canon à effet de champ et détecteur au silicium à diffusion) SIMS : Spectrométrie de masse à ionisation secondaire SAT : Sonde atomique tomographique

53 RESUME CARACTERISATION in situ ET EN TEMPS REEL DE LA SOLIDIFICATION DU SILICIUM MULTICRISTALLIN POUR LES APPLICATIONS PHOTOVOLTAIQUES Amina TANDJAOUI Institut Materiaux Microéléctronique Nanosciences de Provence UMR 7334 CNRS, Aix Marseille Université (AMU) Tutrice : Nathalie MANGELINCK-NOEL Directeur de Thèse : Bernard BILLIA Le contexte énergétique mondial de ces dernières années s est traduit par une hausse de la demande en énergies alternatives. Nous nous intéressons au domaine du solaire photovoltaïque pour lequel les technologies utilisant le silicium cristallin dominent le marché actuel à plus de 87%. Le silicium monocristallin très couteux offre un rendement élevé mais qui n est pas essentiel pour certaines applications notamment pour les habitations. Le silicium multi-cristallin, quant à lui, offre un bon rapport qualité prix, avec un rendement autour de 15% et un coût abordable. L élaboration de ce matériau avant la fabrication de la cellule se fait généralement par la solidification dirigée de lingots. Cette étape est cruciale, elle induit la structure de grains (taille, nombre, orientation, qualité des grains) et le plus gros nombre de défauts cristallins. De plus, le procédé peut être source d impuretés. Les propriétés électriques sont considérablement affectées par le résultat de cette étape qui a donc un impact majeur sur le rendement des cellules solaires. L objectif de notre travail dans cette thèse est d apporter des informations sur la formation de la structure de grains du silicium multi-cristallin pendant la solidification dirigée. Pour cela, une technique de caractérisation in situ et en temps réel par imagerie X synchrotron est utilisée. Nous utilisons deux techniques d imagerie X : la radiographie et la topographie. Elles nous permettent de suivre la dynamique de l interface solide/liquide pendant la croissance, d analyser sa morphologie et d étudier la compétition entre les grains. Nos résultats actuels montrent : - L apparition de macles de croissance pendant la solidification du silicium multicristallin. Ce phénomène est très fréquent dans la solidification de lingots de silicium. Après leur germination, elles participent à la compétition de grains responsable de la sélection des grains d un lingot de silicium. - La germination de grains dans différentes qualité de silicium source est aussi étudiée et révèle l impact des impuretés tel que le carbone et l oxygène sur la structure de grains. - L analyse de la morphologie de l interface solide/liquide révèle l apparition de sillons de joints de grains dans lesquels des grains equiaxes peuvent germer. Par ces résultats, nous apportons des nouveaux éléments concernant les mécanismes de formation des grains et les phénomènes responsables de la qualité d un lingot de silicium multi-cristallin. Nous confrontons nos résultats aux modèles théoriques existants. Mots clés : Photovoltaïque, Silicium, Multi-cristallin, Imagerie X Synchrotron, Solidification, Cristallisation.

54 Deposition of a strained epitaxial film on a patterned substrate Xianbin Xu* J.-N. Aqua*, T. FrischϮ * INSP, Université Pierre et Marie Curie Paris 6, UMR CNRS 7588, 4 place Jussieu, Paris, France Ϯ INLN, Université de Nice Sophia Antipolis, UMR CNRS 6618, 1361 routes des Lucioles, Valbonne, France We study the morphological instability of a strained film during deposition on a patterned substrate. This instability is known as the Asaro-Tiller-Grinfeld (ATG) instability and corresponds to a film coherently deposited on a substrate with a slightly different lattice parameter which enforces an elastic stress in the system1, 2. This instability may be described by a continuum modelization accounting for elastic, anisotropic surface and wetting energies 3. In a quasi-static approximation, we solved the elastic equilibrium equations and the growth dynamics during annealing 4 or a constant deposition flux5 at linear order in the film modulation amplitude. A morphological instability with a characteristic wavelength develops in presence of the external forcing due to the pattern interface with another wavelength. We find that islands can form wellorganized arrays which are located either in the valleys or hills of the pattern depending on the two wavelengths ratio and film thickness, see Fig. 1. These results are rationalized by a kinetic phase diagram correlated with the surface morphology when the wetting layer grows. We find that the islands sizes may be homogeneous when grown on appropriate patterns, and their coarsening is significantly down. We also consider different patterning shapes: the single-mode egg-carton pattern, stripped pattern6, pits and nanowire pattern. Fig. 1 Phase diagram displaying the surface morphology in the pyramid state as a function of the film thickness and pattern to instability wavelength ratio. Islands can form in the valleys (a) or hills (b, c) of the pattern. Refference: 1 R. J. Asaro and W. A. Tiller, Metall. Trans. 3, 1789 (1972). 2 M. A. Grinfeld, Sov. Phys. Dokl. 31, 831 (1986). 3 J.-N. Aqua, T. Frisch, and A. Verga, Phys. Rev. B 76, (2007). 4 X. Xu, J. Aqua, and T. Frisch, J. Phys. Condens. Matter 24, (2012). 5 X. Xu, J. Aqua, and T. Frisch, C. R. Physique 14, 199 (2013). 6 X. Xu and J. Aqua, Thin solid film (accepted).

55 Bazin Cyrille. Title of the PhD: Study of the Solar Interface Region, from the Photosphere to the Chromosphere and Corona Atmosphere Laboratoire d Astrophysique de Marseille 38 rue F. Joliot Curie Marseille Cedex 13 PhD advisor: Dr. Philippe Lamy Institut d Astrophysique de Paris 98 bis Bd Arago Paris PhD co-advisor: Dr. Serge Koutchmy Context: The solar interface region from the photosphere to the chromosphere and beyond to the lower corona has been best studied for a long time on the basis of flash spectra obtained during solar total eclipses. Eclipses are very favourable for this type of observation as the occultation takes place outside the Earth atmosphere and are therefore free of parasitic scattered light coming from the occulting disk (i.e., the Moon) a property of paramount importance when observing near the solar limb. The resolution of past flash spectra did not allow resolving the low layers of the transition region and were further hampered by non-linear effects affecting photographic films. Independently, EUV filtergrams of the limb region obtained in space were analyzed using one dimensional hydrostatic models like the VAL models but this method ignores the ubiquitous magnetic field emergence phenomenon associated with the chromospheric network and responsible for: i) spicules and interspicular regions, ii) coronal jets and macrospicules, and iii) the chromospheric prolateness. The components of the solar interface region are dynamical and different type of waves and magnetic reconnections are suggested to be at work. A jump of temperature from 0.01 to 1 MK is observed near the 2 Mm heights and higher, further producing a permanent solar wind flow. The heating processes responsible for this temperature jump and for the flow are not yet fully understood. In this thesis, we reconsider these problems on the basis of original, superior flash spectra which benefit from present technology such as CCD detectors, white light (W-L) eclipse images and new EUV images obtained with space-borne instruments. We illustrate the mechanisms of low First Ionisation Potential (FIP) emission lines present in the low layers of the solar atmosphere. We identify more precisely low FIP lines both inside and nearby prominences. We characterize in detail the He shells and the solar interface region. Method: 1) High cadence CCD slitless flash spectra made during the total solar eclipses of 2008, 2009, 2010 and slit spectra made in ) Analysis of the continuum between the myriad of faint emission lines outside the solar limb and construction of the light curves of some low FIP line emissions. 3) Abell inversion evaluations to deduce the scales heights and discussion of the variations of temperature and density. 4) Analysis of simultaneously obtained EUV high resolution images from the Trace, AIA/SDO and SOT/Hinode space missions and W-L eclipse images to discuss the coronal components. Main results: i) The solar edge and the temperature bifurcation: structuration and discussion of the spectral behaviour of the analysed low FIP lines and the true continuum in the 400 to 600 km heights above the limb in the frame of the solar diameter measurements, emission mechanisms; ii) Visible mesospheric and chromospheric emission lines in the interface regions including the He I lines and especially the Pα HeII line starting at 800 km above the limb, produced by photo-ionisation showing shells around the Sun and probing the prominence-corona interface; iii) The contribution of small scale dynamical structures like spicules and macro-spicules starting at 1 Mm above the limb showing that the 1D hydrostatic stratified models are not adapted to the upper layers.

56 MIROIRS ASPHERIQUES EXTREMES POUR LES SYSTEMES OPTIQUES DES FUTURS INSTRUMENTS D'OBSERVATION EN ASTRONOMIE ZALPHA CHALLITA CNRS - LABORATOIRE D ASTROPHYSIQUE DE MARSEILLE (LAM - UMR7326) EQUIPE R&D OPTIQUE & INSTRUMENTATION 38, RUE FREDERIC JOLIOT-CURIE MARSEILLE CEDEX 13 DIRECTEUR DE THESE : DR. MARC FERRARI ENCADRANT DE THESE : DR. EMMANUEL HUGOT La nouvelle génération d'instruments en astronomie appelle à des performances scientifiques toujours plus élevées. Les très grands télescopes de demain, au sol ou dans l'espace, observeront aux confins de l'univers pour la compréhension de ses premiers âges ou la recherche de marqueurs de vie ailleurs, par exemple. Ces nouveaux besoins, émis par les astrophysiciens, impliquent de concevoir des instruments dont la complexité ne cesse de croître... Aujourd'hui, une nouvelle vague de ruptures technologiques s'impose. Elle permettra de penser autrement la conception de ces instruments et ainsi de minimiser leur complexité tout en améliorant leur performance. Mon travail de thèse s'inscrit justement dans ce cadre pour mettre au point un procédé de fabrication innovant, capable de fournir des miroirs aux courbures très différentes des miroirs des instruments actuels. Ces miroirs sont appelés "asphériques extrêmes" ou freeforms. Nous savons qu'utiliser de tels miroirs permet de diminuer le nombre de surfaces optiques dans les instruments. Ces derniers deviennent ainsi davantage compacts, légers et faciles à contrôler. Reste à savoir les fabriquer. Pour cela, le procédé que nous développons au LAM se base sur des méthodes d'optique active. Pendant sa fabrication, le substrat déjà poli optiquement sera déformé sous l'application de contraintes contrôlées sur sa surface, via un fluide sous très-haute pression. Une fois les contraintes retirées, ces déformations seront conservées de manière permanente, grâce aux propriétés de plasticité des métaux et alliages, et rendront la forme extrême finale du miroir. La Modélisation par Eléments Finis (MEF) permet de prendre en compte les effets et l'évolution du comportement structural du substrat métallique durant le processus de déformation. Cependant, qui dit domaine plastique des matériaux, dit non-linéarités dans l'évolution de leur comportement structural. Ces non-linéarités restent difficiles à maîtriser analytiquement. Elles dépendent des dimensions générales macroscopiques du substrat et de sa structure cristalline microscopique. Dans le but d'améliorer les modèles, il nous est donc nécessaire d'obtenir une complémentarité entre des résultats obtenus via essais réels et ceux obtenus par MEF. Pour cela, nous avons mis au point un prototype de machine qui déformera des miroirs d'un diamètre optique utile de 100 mm. Après avoir validé la fabrication et le polissage des substrats métalliques sélectionnés, dont leur grand diamètre vs. leur très faible épaisseur ne rend pas évident, une campagne de tests est en cours et convergera peu à peu vers ces premiers miroirs de nouvelle génération.

57 Analyse et classification cinématique des galaxies jeunes Valentin Perret - Laboratoire d Astrophysique de Marseille valentin.perret@oamp.fr L étude des données cinématiques de galaxies proches et lointaines est indispensable à la compréhension de la formation, de l évolution et de la stabilité des galaxies. La cinématique permet en effet d estimer la masse dynamique des galaxies, incluant leur matière sombre et leur matière baryonique (i.e. la matière visible). Elle permet également de qualifier le support dynamique des galaxies et de quantifier leur moment angulaire. La comparaison d échantillons statistiques de galaxies proches et lointaines entre eux, ainsi qu avec des simulations numériques permet de mieux comprendre les processus physiques en jeu. Dans ce contexte, l une des question fondamentale de ce domaine de la physique reste la détermination du processus régissant l évolution des galaxies: fusions ponctuelles et successives ou accrétion lente et continue de gaz du milieu intergalactique? Données observationnelles L observations des galaxies à l aide de la technique de spectroscopie intégrale de champ permet de construire des champs de vitesses, qui ne sont rien d autre que la mesure de la vitesse le long de la ligne de visée d un élément de résolution spatial à l aide de l effet Doppler-Fizeau. Les IFU (Integral Field Unit) les plus récents (SINFONI) permettent de caractériser la cinématique de galaxies âgées seulement de quelques 3 milliards d années. La résolution spatiale de ces objets par de tels instruments permet de réaliser les premières analyses cinématiques de galaxies lointaines, donc jeunes. Ces observations se sont montrées très surprenantes, puisque ayant révélé une grande quantité de galaxies possédant un disque de gaz en rotation stable, venant contredire le scénario classique de formation des galaxies par fusions multiples. Comparer les données des galaxies proches et lointaines est un moyen de quantifier l évolution de relations fondamentales telles que la relation Tully- Fischer, qui lie la masse baryonique à la vitesse de rotation des disques. Analyse des champs de vitesses De nombreux outils existent pour caractériser la dynamique des galaxies. L analyse de Fourier des champs de vitesses est un moyen optimal pour extraire l information cinématique. En décomposant en une suite finie d harmoniques les profils de vitesses le long d ellipses concentriques, il devient possible de quantifier le degré de perturbation de la cinématique de la galaxie considérée. Dans ce cadre, j ai développé une méthode d extraction de ces harmoniques basée sur un algorithme génétique qui permet de retrouver de manière automatique le terme de rotation circulaire dans n importe quel champ de vitesse. C est donc un moyen robuste de pour obtenir des estimateurs statistiques quantifiants le degré de perturbation cinématique du champ de vitesse d une galaxie. Simulations numériques L étude statistique des simulations idéalisées de fusions de galaxies, et de l impact des paramètres de rencontre sur la cinématique est un aspect fondamental de cette thèse, afin de bâtir des critères solides de classification pour les données observationnelles. Pour ce faire, j ai réalisé un échantillon de 20 simulations de fusions de galaxies typiques de l Univers à z=2, en utilisant le code à raffinement adaptatif RAMSES, ainsi qu en développant un outil de conditions initiales idéalisées. La résolution physique de 6 parsec atteinte dans ces simulations permet de résoudre les régions de formation stellaire (régions HII) et leur effets de rétro-actions sur le gaz environnant (photo-ionisation, pression radiative). En créant ~5000 observations virtuelles simulant l émission Hα de ces régions vue au travers de l instrument SINFONI, il devient possible de comparer et discriminer statistiquement les signatures spécifiques dues aux fusions ou à une évolution séculaire en utilisant les outils d'analyse précédemment cités. Densité, température, champ de vitesse et image composite SDSS dans les bandes u/g/r de l une des simulations de fusion à grand redshift projeté sur deux lignes de visé orthogonales.. La galaxie présentée est le rémanent d une fusion d une galaxie massive (log(m*)=10.6) et d une galaxie plus petite (log(m*)=9.8), 966 Millions d années après les conditions initiales. Journées de l école doctorale ED352 Physique et Sciences de la Matière Mai 2013

58 Formation de tourbillons dans les disques protoplanétaires RICHARD Samuel Laboratoire d'astrophysique de Marseille 38, rue Joliot-Curie Marseille cedex 13 Directeur de thèse : Pierre BARGE Mon travail de thèse consiste (1) à développer un code numérique tridimensionnel permettant simuler une des étapes de la formation des planètes lorsque le matériau solide se trouve encore sous la forme de petites particules solides en suspension dans un gaz en écoulement autour d'une étoile jeune, (2) à utiliser ce code pour étudier la croissance d'instabilités telles que l'instabilité de Rossby ou l'instabilité barocline au sein des disques proto-planétaires. Une première version de ce code aux volumes finis (issu d'un code 2D existant) a été mise au point et permet déjà une première approche du problème. Ce code a été parallélisé en MPI pour être utilisable sur des système a mémoire distribué. Une première série de simulation a permis d étudier l instabilité de Rossby. Cette instabilité se développe lorsque une sur-densité annulaire est présente dans le disque. Cette sur-densité se fragmente pour former une chaine de petits tourbillons qui ont tendance à se rattraper et à fusionner pour ne former plus qu'une seule structure anticyclonique. Ces simulations montrent que l instabilité de Rossby se développe de la même manière à 3 dimensions qu'à 2 dimensions. Cependant, en 3D, une instabilité secondaire : l'instabilité elliptique, rend les tourbillons instable dans certains cas. Ces tourbillons sont alors détruit très rapidement par cette instabilité secondaire laissant ainsi place à de la turbulence. D'autres simulations portant sur un autre type d'instabilité : l'instabilité barocline, ont été réalisée à 2 dimensions. Ces simulations montrent la formation de petites structures anticycloniques qui grossissent progressivement pour former de très gros anticyclones dans le cas ou la stratification du disque est instable. Étant donné la très petite taille des tourbillons au début de la simulation, le maillage doit être extrêmement fin, ce qui a pour conséquence d'augmenter considérablement le temps de calcul, notamment à 3D. Nous avons pu obtenir du temps de calcul sur le cluster du TGCC (Très Grand Centre de Calcul) qui nous a permis d'entreprendre l'étude de cette instabilité en 3 dimensions. Les simulations montrent que cette instabilité se produit différemment à 3D mais permet tout de même de former des tourbillons de grande taille.

59 Etude de l impression par laser de matériaux conducteurs sur support flexible Julie Ailuno Directeur de thèse: Philippe Delaporte Co-directrice de thèse: Anne Patricia Alloncle Laboratoire d accueil: Laboratoire Lasers, Plasmas, Procédés Photoniques UMR avenue de Luminy C Marseille cedex 9 Les écrans flexibles, l identification par système radiofréquence (tag RFID ) ou encore l utilisation des matériaux organiques en remplacement de la technologie silicium sont autant de domaines pour lesquels la microélectronique sur support souple présente un intérêt croissant. Le développement de ce nouveau secteur de l électronique nécessite l étude et la mise au point de techniques innovantes. Dans ce contexte, une technique d impression directe offrant précision, résolution spatiale et conservation des propriétés des matériaux utilisés est d un intérêt considérable. Le transfert de matériaux par laser ou LIFT (Laser Induced Forward Transfer) permet de déposer un large choix de matériaux, de différentes phases (liquide ou solide), organique ou inorganique, conducteur ou diélectrique. Une impulsion laser est utilisée afin de transférer d un substrat donneur transparent, sur lequel le matériau à déposer est préparé, vers un substrat receveur un pixel de matière de taille et de forme contrôlées. Ce procédé laser, extrêmement versatile et fonctionnant sous conditions atmosphériques, est particulièrement bien adapté aux contraintes de la microélectronique plastique. Le sujet de cette thèse se focalise sur l impression par laser de lignes conductrices sur supports souples pour répondre aux besoins de connexion 2D et 3D. Les mécanismes d interaction entre le faisceau laser et le matériau ont été étudiés pour des matériaux solides et liquides. Ces matériaux sont des encres à nanoparticules métalliques. La dynamique d éjection a été étudiée par une technique d imagerie rapide qui nous a permis de visualiser le transfert du pixel, ou de la goutte, du substrat donneur vers le receveur. Ces études ont été menées pour différentes caractéristiques des encres (viscosité, taille des particules ). L influence des paramètres d irradiation a également été étudiée. Les propriétés morphologiques (MEB, AFM, microscope confocal) et électriques (résistivité 4 pointes) des dépôts réalisés ont été caractérisées. Ce procédé a permis d imprimer des lignes micrométriques avec des résistivités proches de la résistivité du matériau brut. Des diélectriques seront également imprimés afin de fabriquer des composants passifs tels que des capacités. C est un procédé unique permettant d imprimer des structures en 3D, ce qui ouvre la voie à la réalisation de MEMS ou d interrupteurs imprimés..

60 Étude et mise en œuvre des procédés lasers pour le développement de la microélectronique 3D-SiP Directeur de thèse : Dr. Philippe Delaporte Emeric Biver Laboratoire Laser Plasma et Procédés Photoniques Aix-Marseille Université, CNRS, UMR 7341 Campus de Luminy, case Marseille Cedex 9 Afin d améliorer l intégration des composants microélectroniques, une solution consiste à connecter des puces dans des feuillets de plastique pour former un réseau tridimensionnel sur support flexible (3D-SiP : System in Package). Les lasers présentent de nombreux avantages pour l implémentation de cette technologie, notamment pour la gravure sélective de matériaux polymères et le dépôt de lignes d interconnexion. L objet de l étude est de développer des procédés laser autour de ces deux thématiques. Ablation laser de cavités pour le report de puces - L ablation laser des polymères peut grandement bénéficier d une modification des propriétés des matériaux pour optimiser leur capacité à être ablaté de manière efficace. Nous nous sommes intéressés plus particulièrement à un polymère couramment utilisé pour de nombreuses applications, le poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA). Le pyrène, molécule polyaromatique, a été choisi comme dopant afin de favoriser l absorption à la longueur d onde du laser utilisé. Le pyrène a ensuite été greffé sur le PMMA et une étude comparative a été menée afin de déterminer les propriétés des deux matériaux, et notamment leur capacité à être ablaté facilement par laser. Des mesures de spectroscopie ont montré que greffer le pyrène sur le PMMA augmente l homogénéité, ce qui a été constaté également en étudiant les profondeurs d ablation par tir à différentes énergies. Dépôt d encre conductrice à haut taux de répétition - Le procédé LIFT (Laser-Induced Forward Transfer) est une technique d impression laser à haute résolution. L impulsion laser est focalisée à travers un substrat donneur transparent sur une fine couche de liquide, et crée une bulle de cavitation qui projette un jet fin vers le receveur. Cette technique permet le dépôt contrôlé de gouttes de taille micrométrique. Des lignes conductrices sont réalisées à partir d une encre à nanoparticules métalliques, en imprimant de multiples gouttes se recouvrant. Afin d augmenter la rapidité du processus, il faut diminuer le délai entre le dépôt de deux gouttes. Au moyen d un laser à très haut taux de répétition (1MHz) et d un système à miroirs galvanométriques qui balaie le faisceau à grande vitesse sur l échantillon, plusieurs jets ont été générés à divers espacements et délais. La dynamique d éjections des jets a été observée au moyen d une technique d imagerie par ombroscopie résolue en temps (Fig. 1). Les conditions optimum d éjection et de dépôt ont été étudiées. Figure 1: illustration d une éjection de 5 jets successifs avec dépôt sur un substrat receveur 1

61 Absorption dans les matériaux diélectriques sous irradiation femtoseconde -- Maxime Lebugle Direction : Olivier Utéza, Codirection : Nicolas Sanner Laboratoire Laser Plasma et Procédés Photoniques UMR 7341 CNRS - Université de la Méditerranée Campus de Luminy, case Marseille Cedex 9 L interaction laser-matière est au cœur des activités du laboratoire LP3, dont nous utilisons tour à tour les capacités de mesure (endommagement, mécanismes d ablation) ou de structuration (ablation, modification contrôlée de la matière). De plus, le recours à des impulsions ultracourtes permet de faciliter l accès à la réponse impulsionnelle du système étudié et ainsi une analyse fine des mécanismes physiques en jeu, propriété que nous mettons à profit pour mieux cerner par exemple la tenue au flux intrinsèque d un matériau ou composant ou la nature et l intensité du dépôt d énergie dans des diélectriques par exemple. Nous utilisons aussi les propriétés de sélectivité et de contrôle accessibles avec les impulsions femtosecondes pour induire des effets calibrés et à faible extension spatiale à la surface de matériaux et conduire ainsi à des procédés de micro-usinage de très haute technicité. Ces différents aspects de l interaction laser matière en régime ultracourt seront illustrés au travers de plusieurs exemples. Le travail de thèse a porté en particulier sur l absorption dans les milieux diélectriques (verres type silice amorphe, cristaux type saphir), pour des applications de micro-usinage et micro-structuration de la matière en régime femtoseconde. Ces matériaux sont aujourd hui d excellents candidats pour de nombreuses applications courantes (verres intelligents, écrans tactiles, photovoltaïque ) et leur façonnage à l échelle micrométrique reste un challenge pour des procédés à haute cadence. En étudiant la réponse non-linéaire d un échantillon soumis à une impulsion unique de durée variable, son absorption est extraite (voir figure 1), et les mécanismes d excitation électronique sub-picoseconde sont discutés. Une trace typique d impulsion femtoseconde dans le proche infra-rouge est montrée sur la figure 2. La corrélation avec les données morphologiques de l échantillon (volume ablaté, profondeur du trou en particulier) mesurées par microscopie confocale permet alors de remonter précisément à un bilan d énergie du matériau (énergie absorbée par unité de volume en particulier) afin de reconstruire le chemin thermodynamique emprunté par le matériau une fois le dépôt d énergie femtoseconde effectué. Figure 1 : Absorption (silice fondue) en fonction du niveau d intensité laser pour diverses durées d impulsion. Le mode laser est également indiqué. Figure 2. Trace temporelle et spectrale de l impulsion femtoseconde employée. Vue d artiste de l installation laser ASUR.

62 Absorption non-linéaire générée par laser impulsionnel femtoseconde dans les matériaux transparents Stéphanie LEYDER Aix Marseille Université, CNRS, LP3 (Laboratoire Lasers, Plasmas et Procédés Photoniques) UMR 7341, 163 avenue de Luminy C.917, Marseille, France Directeurs de thèse : Olivier UTEZA, David GROJO Depuis quelques années, l écriture directe 3D réalisée à l aide d impulsion laser femtoseconde a émergé comme une technique de micro-fabrication dans les matériaux diélectriques transparents comme la silice fondue (SiO 2 ). Ainsi, il a été démontré que le contrôle et le confinement de l interaction non-linéaire générés par laser peut donner lieu à une large variété de modifications allant d un faible changement d indice de réfraction local jusqu à la modification structurelle du matériau [1, 2, 3]. Ces possibilités ouvrent la voie à de nombreuses applications comme la fabrication de guides d ondes ou de canaux microfluidiques. Le but de notre étude est d étendre ces procédés de fabrications 3D dans des matériaux semi-conducteurs, un domaine qui n a pas encore été exploité. De nombreux matériaux allant des diélectriques (CaF 2, SiO 2, KBr ) aux semi-conducteurs (ZnS, ZnSe, Silicium ) ont été utilisé lors de nos expériences afin de comparer les différents processus mis en jeu. En focalisant une impulsion laser à l intérieur d un matériau transparent, l intensité atteinte dans la région focale peut être suffisante pour générer une interaction nonlinéaire locale. Cette interaction non-linéaire donne lieu à un dépôt local d énergie relié à des processus de photo-ionisation [4] et d avalanche électroniques donnant lieu à la multiplication d électrons libres et à la modification du matériau. L importance de ces processus dans les différents matériaux testés est discutée lors de notre étude en mesurant l absorption des impulsions laser en fonction des paramètres laser (énergie, longueur d onde ). L observation des modifications réalisées par l interaction non-linéaire est également réalisée à l aide de différentes techniques de microscopie (microscope optique, microscope électronique à balayage etc ). Ces expériences constituent un moyen original de tester plusieurs modèles d ionisation en champ intense et d endommagement générés par laser impulsionnel femtoseconde. Références [1] C. B. Schaffer, A. O. Jamison and E. Mazur, Morphology of femtosecond laser-induced structural changes in bulk transparents material, Appl. Phys. Lett 84, (2004). [2] C. B. Schaffer, A. Brodeur, J. F. Garcia, and E. Mazur, Micromachining bulk glass by use of femtosecond laser pulses with nanojoule energy, Opt. Lett. 26, (2001). [3] B. C. Stuart, M. D. Feit, A. M. Rubenchik, B. W. Shore, and M. D. Perry, Laser-Induced Damage in Dielectrics with Nanosecond to Subpicosecond Pulses, Phys. Rev. Lett. 74, 2248 (1996). [3] Y. Bellouard, A. Said, M. Dugan and P. Bado, Fabrication of high-aspect ratio, micro-fluidic channels and tunnels using femtosecond laser pulses and chemical etching, Opt. Exp. 12, (2004). [4] L. V. Keldysh, Ionization in the field of a strong electromagnetic wave, Sov. Phys.JETP 20, pp (1965).

63 Hydrogen Storage in the Nano-pores of Chemically Modified Porous Carbon-based Adsorbents Ali Mohammadhosseini 1 Supervisors: Prof. Bogdan Kuchta 1, Dr. Pascal Boulet 1 1 MADIREL, Aix-Marseille Université, CNRS-UMR7246, Centre de St Jérôme, F Marseille Cedex 20 Porous carbon-based adsorbents have been used in different technological applications such as gas and liquid purification processes, adsorption processes, and energy storage. In this research, mechanism of hydrogen adsorption in high surface area carbon-based porous materials has been studied for hydrogen storage in onboard applications. Influence of chemical modification of the adsorbing surface has been simulated using Density functional theory (DFT) and grand canonical Monte Carlo method. A class of material has been hypothetically designed for this purpose called Open carbon frameworks (OCFs) as shown in Fig. 1a. Special attention has been paid to the competition between increasing the surface of open carbon frameworks and heterogeneous distribution of the energy of adsorption. Additionally, it has been shown that the molecular mass of atoms which substitute carbon atoms is an important factor determining the final hydrogen uptake (Fig. 1b). The results for absolute and excess mass storage capacity of OCFs at room temperature are shown in Fig. 1b for pristine OCF and the doped structure with phosphorous (OCF-Px%, where x is phosphorus in the structure in atomic% basis). Fig. 1 : a) Schematic projection of family of open carbon frameworks materials made of finitesize graphene and Polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) type fragments; b) Absolute and excess adsorption capacity for pure and doped OCF structures at room temperature The presented analysis and simulations show the necessity to design high surface area structures to achieve the hydrogen storage capacity required for mobile applications. We have shown that performance of such chemically modified porous structure depends on many structural and energetic parameters which must be optimized to get the maximal hydrogen capacity.