Sujet de Doctorats 2013 - IEMN

Titre : Réalisation de modulateurs électro-optiques à base de matériaux polymére pour réseaux d'accèsoptiques métropolitainsFinancement prévu : ANRCofinancement éventuel :(Co) Directeur de thèse : Jean-Pierre VILCOTE-mail : jean-pierre.vilcot@iemn.univ-lille1.frCo-directeur de thèse : Hong-Wu LIE-mail : hongwu.li@univ-nantes.frLaboratoire : IEMNGroupe de recherche : OptoélectroniqueDescriptif :Il s'agit de fabriquer et caractériser un modulateur électro-optique à base de matériaux polymère. Unemajorité du travail de thèse sera d'ordre technologique et consistera à fabriquer un composant entechnologie optique intégrée. Le candidat devra donc posséder une volonté expresse de s'investir dansun travail de salles blanches dont une partie, liée à un processus spécifique aux matériaux polymèresélectro-optiques, sera réalisée dans le laboratoire IREENA de l'IETR situé à Nantes. Environ 1/3 dutemps total de la thèse sera consacré à ce point particulier. La partie conception a déjà été globalementfaite dans un travail antérieur, il s'agira au candidat de s'imprégner de la physique nécessaire à laconception de manière à pouvoir revenir sur celle-ci en fonction des résultats expérimentaux qu'ilobtiendra. Ces derniers seront soit d'ordre technologique, en fonction des solutions qu'il auradéveloppées pour la fabrication des modulateurs, soit d'ordre expérimental en fonction des résultats demesures qu'il aura effectuées sur les composants. En ce qui concerne les mesures, celles-ci sontrelatives aux composants pour télécommunications optiques à haut-débit et concernent principalementla manipulation d'un banc de caractérisation en optique intégrée pour la partie optique et celled'analyseurs de réseau vectoriels pour la partie microonde.Abstract :The goal is to fabricate and characterize an electro-optical modulator based on polymer materials. Themain part of the work will be of technological order and will consist in fabricating a component inintegrated optics technology. The candidate will thus have to possess an express will to performtechnological fabrication work within clean rooms. A part of this work, connected to a specific processfor electro-optical polymers, will be realized in the laboratory IREENA of the IETR located in Nantes.Approximately 1/3 of the total time of the thesis will be dedicated to this point. The design part wasalmost made in a previous work. Nevertheless, the candidate shall firstly assimilate all the relatedphysical notions so as to be able to make feedback on design according to the obtained experimentalresults. Those will be of technological order depending on developed processes as well as ofexperimental order via the measurements of device performance. These later are related to high speedtelecommunication devices and concern mainly optical characterization using an integrated opticsbench and microwave characterization using vector network analyzers.3

Titre : Augmentation de la sensibilité des biocapteurs à base de résonance plasmonique : application audosage de molécules de faible poids moléculaireFinancement prévu : UniversitéCofinancement éventuel : Contractuel(Co) Directeur de thèse : Jean-Pierre VILCOTE-mail : jean-pierre.vilcot@iemn.univ-lille1.frCo-directeur de thèse : Catherine FOULONE-mail : catherine.foulon@univ-lille2.frLaboratoire : IEMNGroupe de recherche : OptoélectroniqueDescriptif :Les capteurs à résonance plasmonique de surface sont utilisés pour la quantification d'interactionsmoléculaires. Lié à son principe physique de base, le dosage de molécules de faible poids moléculairereste une problématique. Par exemple, dans le cadre du suivi du traitement du diabète, le dosage del’insulinémie devrait être complété par celui du glucagon afin d’améliorer l’efficacité du traitement parun meilleur équilibre glycémique. Hors à l’heure actuelle cette molécule de faible poids moléculaire estdifficilement dosable dans un contexte clinique de routine. Nous proposons ici l'étude de différentesméthodes, à la fois physiques et biologiques, permettant d'amplifier la réponse d'un capteur à résonanceplasmonique de surface, notamment lors du dosage de petites molécules. Ce travail sera mené encollaboration étroite entre les Universités de Lille1 et de Lille2 en faisant intervenir deux groupes derecherche, spécialisés respectivement dans la conception et réalisation de détecteurs par résonanceplasmonique de surface et dans le dosage en milieu clinique à des fins thérapeutiques. Les capteursseront réalisés puis testés en laboratoire quant à leurs propriétés physiques (IEMN), ce qui permettra, lecas échéant, d'en affiner le retour sur les étapes de conception. Ils seront ensuite testés sur la plateformede l'IMPRT à Lille2 en configuration "biologique" en suivant les protocoles établis.Abstract :Surface Plasmon Resonance (SPR) based biosensors are used for the quantification of molecularinteractions. Directly linked to its physical basic principle, assay of molecules of low molecular weightreminds a problem. For example, within the framework of the follow-up of the treatment of diabetes,insulin level assay should be completed by that of glucagon to improve the efficiency of the treatmentby a better glycemic balance. Currently, this molecule of low molecular weight is difficult to quantifyin a clinical routine context. We propose here the study of various methods, both in the physical andbiological domains, allowing to amplify the answer of a SPR biosensor, particularly targeting moleculeassays. This work will be led in close collaboration between two research groups of the Universities ofLille1 and Lille2, specialized respectively in the design and realization of SPR sensors and in bioassaysin clinical environment.Firstly, the sensors will be fabricated then tested for their physical properties(IEMN), what will allow, where necessary, to refine the return on the stages of design. They will then4

e tested on the platform of the IMPRT to Lille2 in "biological" configuration using establishedprotocols.Titre : Développement de cellules solaires CIGS par pulvérisation cathodiqueFinancement prévu : ANRCofinancement éventuel :(Co) Directeur de thèse : Jean-Pierre VILCOTE-mail : jean-pierre.vilcot@iemn.univ-lille1.frCo-directeur de thèse : Patrice MISKAE-mail : patrice.miska@ijl.nancy-universite.frLaboratoire : IEMNGroupe de recherche : OptoélectroniqueDescriptif :Les cellules solaires de seconde génération en films minces à base de CIGS (cuivre-indium-galliumsélénium)présentent actuellement un rendement largement supérieur à leurs homologues en siliciumamorphe. Elles constituent donc une alternative intéressante pour la fourniture d'une source d'énergiephotovoltaïque et, en particulier dans le cadre de cette étude, pour la réalisation de vitragesphotovoltaïques à transparence contrôlée. Par ailleurs, le procédé de fabrication actuel emploie soit desmatériaux soit des techniques de fabrication à forte empreinte environnementale et le travail proposé icivise à la réduire fortement par l'utilisation de matériaux alternatifs ou d'autres techniques de fabrication.Une partie importante du travail se déroulera alors dans la mise au point d'un nouveau procédé defabrication utilisant exclusivement la pulvérisation cathodique. Ce travail s'appuiera sur un précédenttravail de thèse ayant permis de mettre au point le procédé de dépôt des électrodes. Cette étude sedéroulera dans le cadre d'une collaboration avec différents laboratoires et industriels nationaux etenviron 1/3 du travail se déroulera à l'Institut Jean Lamour de Nancy pour la caractérisation fine desinterfaces entre les différents matériaux qui, avec la qualité intrinsèque de ceux-ci, gouvernent lefonctionnement et les performances des cellules solaires CIGS. Une forte implication enmicrofabrication en salles blanches et en caractérisation de matériaux caractériseront donc ce sujet.Abstract :Currently, copper-indium-gallium-selenide (CIGS) solar cells exhibit a largely higher efficiency valuecompared to their counterparts in amorphous silicon. So, they constitute an affordable photovoltaicsource, and especially concerning this study, for photovoltaic glass with controlled transparency.Nevertheless, their current fabrication process uses either materials either techniques that show a largeenvironmental footprint. The work which is proposed hereby consists in replacing both of those and ahuge part will consist in developing a "green" fabrication process based on sputtering depositiontechnique. A previous work has already set up this process for the electrodes. The study will be carriedout in collaboration with academic and industrial partners and approximately 1/3 of the work will bedone in Institut Jean Lamour located in Nancy concerning the deep characterization of interfaces that,5

jointly with material quality, govern the performances of CIGS solar cells. The work will be so mainlyfocused on solar cell fabrication in clean rooms as well on their characterization.6

Titre : "Apport potentiel des réseaux d'antennes compacts et massifs sur la réduction des puissancesrayonnées par les réseaux de communication."Financement prévu :Cofinancement éventuel :(Co) Directeur de thèse : Martine LIENARDE-mail : martine.lienard@univ-lille1.frCo-directeur de thèse :E-mail :Laboratoire : IEMNGroupe de recherche : TELICEDescriptif :Les villes intelligentes ou "smart cities" vont rassembler des infrastructures communicantes et durablespour améliorer le confort des citoyens tout en respectant l'environnement. Une thématique au cœur dece vaste chantier concerne la réduction des énergies consommées par les transports, l'habitat, sansoublier les infrastructures des réseaux de communication. Le nouveau challenge porte désormais surl'augmentation de l'efficacité énergétique d'un réseau de communication définie par le rapport entre ledébit net sur la puissance totale consommée, exprimée en Bit/s/W. Les experts avancent desaugmentations de cette efficacité d'un facteur 30 d'ici l'horizon 2020 voire 1000 pour 2050.Une des solutions envisageables pour atteindre ce facteur 30 repose sur la conception et le moded'utilisation de réseaux antennaires compacts et massifs. Il s'agit de réseaux comportant un nombreimportant d'antennes (massif) dont la distance entre deux éléments successifs est très petite au regard dela longueur d'onde (compact). Cette solution est encore à l'étape d'étude amont mais semble trèsprometteuse. En effet, un nombre important d'antennes utilisées à la station de base permettrait nonseulement de réduire les puissances d'émission mais aussi de former un nombre important de faisceauxindépendants dirigés vers les mobiles. Il reste cependant de nombreux verrous à lever comme parexemple la conception des réseaux compacts dont les dimensions géométriques doivent être de l'ordrede celles d'un smart phone. De plus, les caractéristiques des canaux de propagation vues par cesantennes sont-elles identiques à celles des réseaux actuels ? Que deviennent les performances desalgorithmes de formation de faisceau, de multiplexage spatial ou de diversité qui ont été optimisés pourdes réseaux d'antennes non compactes ? Quelles sont réellement les puissances rayonnées par cesnouveaux réseaux ?Ce projet rentre dans le cadre des nouvelles thématiques du CPER CISIT sur "la caractérisation del'environnement électromagnétique et la réduction des émissions EM"Abstract :In the near future, “smart cities” will encompass communicating, green, and sustainable infrastructuresto improve the life quality and comfort of its inhabitants. In particular, energy reduction schemes,which are at the heart of this upcoming approach, must be integrated into the design of transportation,housing, and telecommunication systems. For instance, the increase in the energetic efficiency of a7

telecommunication network, defined as the net throughput to the total consumed power ratio (Bit/s/W),is a key criterion which must be optimized. Experts expect a 30-fold increase in this ratio for the 2020horizon up to 1000 for 2050.One of the potential solutions to reach this 30 factor lies into the design of compact and massivenetwork arrays and its application modes. Those networks include a large number of antennas(massive) with small inter-element spacing with respect to the wavelength (compact). It is only recentlythat this approach has been investigated but already seems promising. Indeed, a large number ofantennas at the base station would not only decrease the emitting power but also allow a larger numberof independent beams to be formed towards the user smartphones. Nonetheless, several scientificbottlenecks must be solved. For example, the design of compact arrays is particularly challenging whenits relevant dimensions are about the size of smartphones. In addition, will the propagation channelcharacteristics be identical to actual arrays when compact arrays are deployed? What will become ofthe performance of the beamforming, spatial multiplexing and diversity algorithms since these wereoriginally designed for non-compact arrays? What will be the radiating power for those new networks?This project is within the scope of the new CPER CISIT research topics on the “electromagneticenvironment characterisation and EM emission reduction”.8

Titre : "Gestion des sources d’émission électromagnétique dans les environnements «transports»Compromis entre Niveau d’exposition, Pollution et Communications."Financement prévu :Cofinancement éventuel :(Co) Directeur de thèse : Martine LIENARDE-mail : martine.lienard@univ-lille1.frCo-directeur de thèse :E-mail :Laboratoire : IEMNGroupe de recherche : TELICEDescriptif :L'inquiétude des utilisateurs et des maîtres d’ouvrages vis-à-vis de la prolifération des réseaux decommunication, et du risque sanitaire qui pourrait leur être associé, n’a cessé de grandir. Enconséquence, une directive européenne votée le 27 mai 2011 préconise de «fixer un seuil deprévention» de 0.6 V/m pour les niveaux d'exposition prolongée aux champs électromagnétiques microondesdans l’intérieur des bâtiments, ce seuil pouvant, à long terme, être ramené à 0.2 V/m. A titreindicatif, compte tenu des puissances autorisées actuellement, le champ rayonné en espace libre à 2 mde sources WiFi ou GSM est de l’ordre du V/m ou de quelques V/m. Si le contrôle du respect desnormes est aujourd’hui une simple formalité, les niveaux mesurés étant largement inférieurs aux seuilsautorisés, il n’en irait pas de même si la norme 0,6 V/m était adoptée. En effet, dans un milieu confiné,les ondes subissent de multiples réflexions sur les parois et les obstacles, et qui peuvent donnernaissance à des renforcements de champ. D’un point de vue prédictif, les modèles de propagationactuels, développés pour l'optimisation et le dimensionnement des systèmes, ne peuvent fournir que desordres de grandeur de l’amplitude des champs et sont donc difficilement utilisables en tant qu’outil deprédiction de niveau d’exposition. D’un point de vue métrologie, les mesures in-situ sont ponctuelles,donc deviennent longues et coûteuses, dès que le nombre de points de mesure augmente.L'objectif de cette étude concerne le développement d'une méthodologie, tant théoriquequ'expérimentale, permettant le déploiement de sources d'émission en ayant une approche intégrée desaspects interférence entre les systèmes (compromis), gestion du niveau d'exposition (pollution EM) etqualité de la communication (communications). Les environnements ciblés sont les gares, lesenvironnements confinés des systèmes de transport tels que les trains et métro.Abstract :The wireless end-users and design/service maintenance companies are growing concerned about thedissemination of telecommunication networks and related health risks. To this end, a Europeandirective voted on the 27 th of May 2011 would impose “a prevention threshold” for the exposition valueof 0.6 V/m when subject to time-long micro-wave electromagnetic fields in indoor scenarios; thisthreshold may, in the long term, be reduced to 0.2 V/m. For example, the free-space radiating fieldmeasured at 2 m away from WiFi or GSM sources is about one V/m or few V/m with the current9

authorized emission power. If, nowadays, the norms are well controlled and respected since themeasured values are much lower than the authorized thresholds, this would not be the case whether the0.6 V/m thresholds was to be adopted. Indeed, the waves undergo multiple reflections on the walls andobstacles in indoor scenarios which subsequently give rise to localized field reinforcements. From theprediction point of view, current propagation models developed for the systems optimization anddimensioning only predict the orders of magnitude for the field amplitudes and are not sufficientlyreliable to accurately predict the exposition values. From the measurement point of view, in-situprobing, only performed at given points, will be long and highly expensive once the number ofmeasurement points will be increased.The main goal of this study is to develop an original experimental and theoretical framework to deployemitting sources with global constraints: system interferences (tradeoff), exposition value managing(EM pollution), and communication quality (communication). The target environments are the trainstations and related confined scenarios such as the trains and subways.10

Titre : Fiabilité des communications par courants porteurs pour une application «bus de capteurs» enenvironnement avioniqueFinancement prévu :Cofinancement éventuel :(Co) Directeur de thèse : Virginie DEGARDINE-mail : virginie.degardin@univ-lille1.frCo-directeur de thèse :E-mail :Laboratoire : IEMNGroupe de recherche : TELICEDescriptif :Cette thèse s’inscrit dans le contexte des avions plus électriques de nouvelle génération, connus sous ladénomination MEA (More Electrical Aircraft). Le remplacement des sources d’énergie hydraulique etpneumatique par des sources d’énergie électrique conduit à une augmentation de la puissance électriquenécessaire et à un accroissement des besoins de communication entre systèmes, impliquant des câbleset des connexions supplémentaires, avec des conséquences en termes de poids, de fiabilité et demaintenance. Les communications par courants porteurs (CPL) apparaissent comme une solutionélégante pour parer à toutes ces difficultés.L’application visée dans le cadre de cette thèse est celle d’un «bus de capteurs», dans lequel lacommande des capteurs et la récupération des mesures avec une datation précise, sont visées.Dans un premier temps, une étude de la transmission commande-capteur sera réalisée en termes depropagation, couplage entre les câbles, et bruit sur les câbles afin de déterminer le rapport signal surbruit (SNR) de la liaison en fonction des caractéristiques de la ligne (arborescence, nombre decharges/capteur, couplage aux autres lignes, etc.) et du type de coupleur.Dans un deuxième temps, la liaison globale sera étudiée en vue de prédire ses performances en termesde taux d’erreurs et de débits grâce à des simulations développées sur Matlab. Une optimisation voireune modification des couches PHY et MAC, proposées dans les spécifications dédiées aux réseauxdomestiques ou dans les précédents projets dédiés aux systèmes embarqués véhicules et avioniques,sera étudiée afin de respecter le cahier des charges de l’application visée en termes de débit, de tempsde latence, de susceptibilité et d’émissions pour répondre aux contraintes avioniques. Une partieréalisation à base de FPGA est envisagée afin de valider les résultats théoriques.Abstract :This thesis takes place in the context of more electric aircraft of new generation, commonly known asMEA (More Electrical Aircraft). The replacement of energy sources by hydraulic and pneumaticsources leads to an increase in the required electrical power and a growing need for communicationbetween systems, involving additional cables and connections, with consequences on weight, reliabilityand maintenance. Powerline communications (PLC) appear as an elegant solution to deal with all thesedifficulties.11

The targeted application is a "sensor bus", in which the sensor control and measures recovery with aprecise dating, are covered.In a first part, a study of the transmission between the master and the sensors is performed in terms ofpropagation, cables coupling, and noise over the cables to determine the signal to noise ratio (SNR) ofthe transmission according to the characteristics of the line (tree-shape, the number of charges/sensors,the coupling to other lines, etc.) and the type of coupler.In a second step, the overall link will be investigated in order to predict its performance in terms oferror rate and throughput through simulations developed in Matlab. Optimization or modification ofPHY and MAC layers, proposed in the specifications dedicated to home networks or in previousprojects dedicated to vehicles and avionics embedded systems, will be studied in order to meet thespecifications of the intended application in terms of throughput, latency, susceptibility and emissionsand fulfil the avionic constraints. Implementation on FPGA-based cards is planned to validate thetheoretical results.12

Titre : Développement de capteurs plasmoniques exploitant les propriétés du graphène.Financement prévu : Projet ANRCofinancement éventuel : Bourse Président(Co) Directeur de thèse : Henri HAPPYE-mail : henri.happy@iemn.univ-lille1.frCo-directeur de thèse : Sabine SZUNERITSE-mail : sabine.szunertis@iri.univ-lille1.frLaboratoire : IEMNGroupe de recherche : CARBONDescriptif :Ce projet vise à utiliser les possibilités fascinantes offertes par des feuillets de graphène, pour contrôlerles propriétés optiques des nanoparticules métalliques sur des films métalliques. Le graphène seraconsidéré ici comme une couche d’interface entre les nanoparticules et le film métallique. Au-delà desaspects purement « physique fondamentale », nous proposons d'utiliser ces systèmes pour concevoir denouvelles générations de capteurs à base de dispositifs plasmoniques.Plus précisément, nous voulons étudier la possibilité de fabriquer de nouveaux capteurs flexibles à basede graphène, présentant une haute sensibilité et une grande sélectivité, pour l'étude des interactionsbiomoléculaires. Il s'agit d'un domaine de recherche qui nécessite l'implication de différents domainesscientifiques tels que la croissance et le transfert des feuilles de graphène, la compréhension des aspectsfondamentaux qui influent sur les signaux plasmoniques, la fonctionnalisation de surface ainsi que ladétection d'événements biomoléculaires. Un accent particulier sera mis sur l’impact de l’interfacegraphène et la détection des niveaux de concentration de lysozymes par la résonance localisée desplasmons de surface (LSPR - Localized Surface Plasmon Resonance).Les lysozymes font partie du système immunitaire inné. La diminution de leur concentration estassociée la dysplasie broncho-pulmonaire chez les nouveaux nés. Dans certains cancers (leucémiemyélomonocytaire en particulier) une production excessive de lysozymes par les cellules cancéreusespeut conduire à des niveaux toxiques de lysozyme dans le sang. La détermination du niveau delysozyme urinaire est donc de la plus haute importance pour des applications médicales.Abstract :This project aims at using the fascinating possibilities offered by graphene nanosheets as a subnanometerspacer in the control of optical properties of metal nanoparticles supported on extendedmetal films. More precisely, we want to investigate the possibility of fabricating novel flexiblegraphene-based sensors with high sensitivity and selectivity for studying biomolecular interactionevents. This is a research area that requires the implication of different scientific fields such asknowledge in the growth and transfer of graphene sheets, understanding the fundamental aspectsinfluencing plasmonic signals as well as expertises in surface functionalization and detection ofbiomolecular events. A special emphasis will be put on the use of graphene LSPR (Localized Surface13

Plasmon Resonance) interfaces for the detection of different concentration levels of lysozyme.Lysozymes are part of the innate immune system and reduced lysozyme levels have been associatedwith bronchopulmonary dysplasia in newborns. In certain cancers (especially myelomonocyticleukemia) excessive production of lysozyme by cancer cells can lead to toxic levels of lysozyme in theblood. The determination of the level of urinary lysozyme is thus of uttermost importance.14

Titre : Micro Modulateur Acoustique Ultralarge Bande au Profit de la Sécurité FerroviaireFinancement prévu :Cofinancement éventuel : (CNC LAB - Industrial Automation and Robotics – Lb)(Co) Directeur de thèse : Georges NASSARE-mail : gnassar@univ-valenciennes.frCo-directeur de thèse : Nicolas HADDADE-mail : nicolas.haddad@balamand.edu.lbLaboratoire : IEMN – OAE // CNC LabGroupe de recherche : MAMINADescriptif :Le projet de thèse vise l’étude et la conception d’un micro capteur acoustique, couche mince, largebande, ayant la caractéristique d’un modulateur ultrasonore passif en mouvement pendulaire couplé.La perception en temps réel des ondes sera assurée par des écouteurs formant des nœuds, spatialementidentifiés dans un réseau global exploitant les rails (voutes des tunnels) comme guides et/ou supportd’ondes de propagation.Un algorithme de communication inter et intra réseaux (Network Management by Nodes) sur la base duprotocole « Zigbee » sera mis en place afin d’acheminer les informations nécessaires en vue d’uneexploitation en temps réel des grandeurs des ondes émises (séparées ou/et modulées) pour uneéventuelle décision à la fois sur l’état spatiaux-temporel du mobile et sur l’état évolutif del’infrastructure (vieillissement, …) et les événements mécaniques occasionnels qui peuvent se produire(problèmes des freins, corps étranger, …).L’analyse avancée des informations reçues par les différents capteurs (réseau) sera assurée par unmodule de traitement de l’information dédié à cette application. Les algorithmes nécessaires font appel,à l'entrée de l'organe d'analyses, à des observations identifiées et synchronisées (ou étiquetées dans letemps). Elles seront fournies part un système de communications sans fil permettant la diffusion desinformations délivrés par les différents capteurs.Abstract :The PhD project aims to study and design of a thin micro acoustic sensor, broadband, having thecharacteristic of a passive ultrasonic modulator under a coupled pendulum motion. Perception in-realtime the wave will be provided through headphones (resonators) forming nodes spatially identified in aglobal network operator tracks as guides and support wave propagation.On top of the above infrastructure of acoustic/ultrasonic sensors, we will overlay a network of RFtransceivers to relay the captured electrical signals to a base station for signal processing and analysis.It looks like the best alternative at this point would be to use the Zigbee technology mainly for its lowpower consumption, robustness in industrial environments and attractive connectivity features. Thistechnology allows packets hopping from one node to the next along the railways.15

It remains to be seen, based upon testing in the actual environment, the spacing between Zigbee relaysalong with their power requirements. The system will obviouly be designed to be immune against nodefailure. It should also signal the receiving station of any malfunctioning node if any. This project willgive us a chance to apply multidisciplinary knowledge in several areas: sensing technology, wirelessnetworks, signal processing and embedded systems.16

Titre : Imagerie ultrasonore haute fréquence (500 MHz) 3D d’un flux dynamiqueFinancement prévu :Cofinancement éventuel : Pulssar technology (Industriel)(Co) Directeur de thèse : Georges NASSARE-mail : gnassar@univ-valenciennes.frCo-encadrant de thèse :E-mail :Laboratoire : IEMN – OAEGroupe de recherche : MAMINADescriptif :L’hématologie est un phénomène qui touche non seulement les éléments cellulaires du sang (globulesrouges, globules blancs et plaquettes), mais aussi le plasma et les protéines qui sont diluées dedans.C’est ainsi que les maladies des immunoglobulines qui sont en fait des maladies des plasmocytes de lamoelle osseuse sont étiquetées maladies du sang.Pour cela l’objectif final de ce travail sera l’intégration sur des canaux micro-fluidiques d’un microsystèmetemps réel assurant à la fois l’analyse (composants du milieu), la caractérisation (cinétique dela transition de phase) et une trace ultrasonore d’une coupe (B-Scan) des globules.De ce fait, ce projet pluridisciplinaire nécessite la mise en commun de compétences à la fois destechnologies d’intégration, modélisation de systèmes, instrumentation sur une large gamme defréquence, systèmes électroniques hautes fréquences, de traitement du signal milieux viscoélastiquescomplexes… .Abstract :Given its vital importance, the area of living is among the sectors that have contributed to advances intechnology especially in the health and pharmaceuticals fields, covering the needs of individuals toheal. These areas are strong contributors in the international trade balance.Furthermore, haematology is a phenomenon that affects not only the cellular components of blood (redcells, white cells and platelets), but also the plasma and proteins that are diluted in it. Thus,immunoglobulin disorders, which are in fact bone marrow plasma cell diseases, are labelled as blooddiseases.The final objective of this project is to develop a real-time measurement system providing analysis(medium components), characterization (phase transition kinetics) and finally an ultrasound testingmorphology of blood cell. It is a micro-system based an ultrasonic integrated device measurementThis multidisciplinary project therefore requires the pooling of skills including integrated MEMStechnology, systems modelling, and instrumentation over a wide frequency range, signal processing andwave-interaction in a complex viscoelastic environment...17

Titre : Etude et conception d’une architecture spirale desimagerie séquentielle 3D : Application Mammographiqueréseaux de capteurs ultrasonores pourFinancement prévu :Cofinancement éventuel : Götberg University -Sweden(Co) Directeur de thèse : Georges NASSARE-mail : gnassar@univ-valenciennes.frCo-directeur de thèse : Khalil HELOUE-mail : khalil.helou@oncology.gu.seLaboratoire : IEMN – OAE // Oncology Lab (Sweden)Groupe de recherche : MAMINADescriptif :Sujet à fin médicale basé sur l’exploitation d’une technologie « douce » de caractérisation et d’imageriepar ultrasons (5 à 20 Mhz). Le projet consistera à mettre en place une nouvelle architecture (dispositionet distribution) des systèmes séquentiel d’émissions ou/et réceptions basés sur des capteurs ultrasonoresfocalisés, intégrés dans un spirale à diamètre variable couvrant ainsi la zone d’étude visée.La réalisation des capteurs exploitera la technologie des matériaux avancés (composite, polymère actif,…) pour aboutir à des résonateurs acoustiques intégrés sur un substrat flexible afin d’assurer uncoefficient de qualité et un contact idéal avec le support sous investigation.L’objectif de ce travail est d’accéder librement à un dépistage précoce des cellules à risque ayant unpotentiel de migration maline. Nous attendrons à obtenir des informations préventives à travers unexamen individuel de base. Ceci pour évaluer la variation des propriétés physiques de la matièreconséquente d’une variation biologique normale, de s’assurer des bonnes conditions d’implantationsd’une prothèse (compatibilité physique) et de suivre sans radiation est avec la technologie « douce »l’évolution de l’état physique d’un organe traité surtout pour des personnes à risque qui ont subit desinterventions chirurgicales et/ou chimiques.Abstract :The project will be based on the exploitation of "soft" ultrasound characterization and imagingtechnology (5 to 20 MHz). The objective of this work is to attain unrestricted access to early screeningof “zones cells” at risk that may potentially become malignant. The aim is to offer everyone thepossibility to follow or obtain preliminary information concerning a specific zone at risk.The project will implement a new architecture (layout and distribution) of ultrasonic emission and / orreception sequential systems based on a spiral shape of focused ultrasound sensors integrated in rings ofdifferent diameters thus covering the zone to be examined (organ).Advanced materials’ technology (composite, active polymer...) will be used to develop the sensors inorder to produce acoustic resonators integrated in a flexible substrate to ensure a high-qualitycoefficient and ideal contact with the medium under investigation.18

Titre : Quantification électromécanique de la force d’adhésion des cellules biologiques sur unbiomatériau «fonctionnalisé»Financement prévu :Cofinancement éventuel : American University of Beyrouth (AUB -Lb)(Co) Directeur de thèse : Georges NASSARE-mail : gnassar@univ-valenciennes.frCo-directeur de thèse : Michel KAZANE-mail : michel.kazan@aub.edu.lbLaboratoire : IEMN – OAE // Applied physics Laboratory (at AUB)Groupe de recherche : MAMINADescriptif :Par définition, un biomatériau est destiné à être en contact avec les tissus vivants (solide ou dans unfluide) afin de remédier une certaine maladie ou d’évaluer une prolifération ou une colonisation dessouches de nature variée. De ce fait, ces matériaux doivent satisfaire à des caractéristiques physicochimiquesappropriées au site d’implantation et au rôle à remplir. Or, les mécanismes physicochimiquesqui régissent la présence cellulaire sur ce genre de substrat ne sont pas toujours biendévoilés. De plus, il est difficile de quantifier l'adhésion ou la force de contact par une méthode demesure ou de test (souvent mécanique). Le phénomène d'adhésion pouvant être caractérisé par l'énergienécessaire à l'arrachement d'une couche qui se produit à l'interface entre celui-ci et son substrat sur unezone très confinée de l'ordre d’une dizaine de nanomètre au niveau de l'interface.L’objectif final est de concevoir ou adapter une instrumentation basée sur la réponse électrique issue dela tige, suite à une contrainte causée par l’adhérence d’une cellule, afin de mettre en corrélation laforce d’adhésion à l’arrachement de la cellule et la propriété mécanique locale mesurée sur le bioverre(Si, Ca, Na). La particularité d’un tel système, sera, d'une part d’observer (électriquement) latopographie de la colonisation cellulaire et d'autre part de mesurer les interactions cellule/pointe.Pour atteindre l’objectif espérer, le travail comportera plusieurs phases de développement tout ens’appuyant sur un couplage de connaissances des acteurs concernés dans les domaines de la chimie dematériaux, biologie et physique biotechnologique (capteurs et intégration).Abstract :The possibility of producing a structure with suitable biomechanical properties, capable of supportingfor example new bone growth, and also able to promote chemical bonding of bone and cellularstimulation for the purpose of tissue regeneration, represents an extremely interesting challenge.In fact, physical functionalization of materials can change the interface properties of the surfacedepending of the physico-chemical characteristics of the materials used.This work will aim to study and design of a micro electromechanical conversion lever to quantify byelectrical component measurement the stress caused by cell unit adhesion according to the elasticmodulus dispersion in the mass of a thin bioglass element, based on Si, Ca, Na, in order to try to19

understand the relationship between the distribution of the measured mechanical properties and theadhesion.Titre : Réalisation de circuits MMIC à base de composants HEMT AlGaN/GaN et InAlN/GaN pour desapplications en électronique de puissanceFinancement prévu : Thèse universitéCofinancement éventuel :(Co) Directeur de thèse : Jean-Claude DE JAEGERE-mail : jean-claude.dejaeger@iemn.univ-lille1.frCo-directeur de thèse :E-mail :Laboratoire : IEMNGroupe de recherche : Composants et Dispositifs Microondes de Puissance (PUISSANCE)Descriptif :L’objectif de cette thèse consiste à concevoir et fabriquer des dispositifs intégrés à base de matériauxIII-N à base du Nitrure de Gallium. Ces circuits permettront d’améliorer considérablement lesperformances des convertisseurs actuels de part leur poids et leurs performances en particulier leurrendement énergétique. Ils sont basés sur des épitaxies sur substrat silicium (111) afin de réduire lescoûts. Ceci nécessite le développement de composants de type HEMT normally-off permettant dedélivrer des courants et tensions importantes. Le travail demandé dans ce contexte consiste enl’optimisation du procédé de fabrication pour les filières de matériaux AlGaN/GaN à intégrer au circuitdu convertisseur. Le matériau utilisé sera obtenu par croissance MOCVD ou MBE auprès du CRHEA.Le circuit de commande du convertisseur sera réalisé en étroite collaboration avec le laboratoire L2EPde l’Université de Lille1.L’étudiant sera impliqué dans un travail essentiellement expérimental utilisant les plateformestechnologique et de caractérisations disponibles à l’IEMN. La partie la plus importante de la thèseportera sur l’optimisation des différentes étapes du procédé de fabrication des transistors et des circuits.Une attention particulière sera portée à la fabrication de composants à large développement permettantd’obtenir des forts courants et supporter des tensions élevées. La réalisation du circuit nécessitera unsoin particulier afin de minimiser les inductances parasites lesquelles peuvent engendrer des surtensionsdestructrices pour ces composants de puissance. La seconde partie de l’étude sera orientée vers lacaractérisation des transistors et des circuits fabriqués par le doctorant afin de valider la technologiemise en œuvre. Celle-ci comportera notamment la caractérisation physique basée sur des mesures detype effet Hall, C(V), Raman, SIMS… Le candidat sera également impliqué dans des mesuresélectriques pour valider la technologie développée.Le candidat recruté aura donc essentiellement à travailler sur la mise au point du procédé de réalisationde circuits depuis la conception de la structure des couches épitaxiales jusqu’à la caractérisation dudispositif final. Il doit être très motivé par la recherche expérimentale et avoir de bonnes bases en20

physique des composants. Il doit être autonome, avoir le sens de l’expérimentation et du travail enéquipe.Abstract :The objective of this thesis consists to design and fabricate integrated devices based on III-N materialsand particularly the Gallium Nitride. These circuits will permit to drastically improve the convertorperformance in particular, the energetic efficiency. They are based on epitaxies grown on siliconsubstrate in order to reduce the costs and necessitate the development of normally-off HEMT devicespermitting to provide high current and high voltage. In this context, our objective is the optimization ofthe process on AlGaN/GaN material to fabricate our convertor. The material will stem from MOCVDor MBE growth by the CRHEA. Regarding the convertor driver, it will be realized in collaboration withthe L2EP laboratory of Lille1 University.The candidate will be involved in a mainly experimental work using the technological andcharacterization facilities available at IEMN. The most important part of the work will be theoptimization of the different steps of the transistor and circuit process. Specific work regards thefabrication of wide transistors permitting to get high current and high voltage. Physical characterizationwill be done such as Hall effect, C(V), Raman, SIMS… The candidate will be also involved inelectrical measurement to validate the technology.The candidate must be found by experimental research and must present good knowledge ofsemiconductor physics.21

Titre : Réalisation de circuits MMIC à base de composants HEMT AlGaN/GaN et InAlN/GaN pour desapplications en Puissance hyperfréquence en bandes V et WFinancement prévu : DGA et Université de Sherbrooke (Canada) acquis : thèse en cotutelleCofinancement éventuel :(Co) Directeur de thèse : Jean-Claude DE JAEGERE-mail : jean-claude.dejaeger@iemn.univ-lille1.frCo-directeur de thèse :E-mail :Laboratoire : IEMNGroupe de recherche : Composants et Dispositifs Microondes de Puissance (PUISSANCE)Descriptif :L’état de l’art montre que peu d’études ont été réalisées à l’heure actuelle pour des fréquencessupérieures à 40GHz notamment sur substrat silicium. Ce sujet de thèse a donc pour thème ledéveloppement de composants à effet de champ de type HEMTs à base de GaN sur substrat siliciumfonctionnant en bandes V et W pour différents types d’applications entre autres, aérospatiales, défense,sécurité et télécommunications. Les transistors HEMTs AlGaN/GaN et plus récemment InAlN/GaNsont les plus étudiés actuellement au niveau mondial. L’objectif est de réaliser des transistors pouvantdélivrer de hautes puissances à des fréquences les plus hautes possibles. Les premières démonstrationsont d’ailleurs été faites dans ce domaine sur substrat SiC par HRL montrant la faisabilité et le potentielde ces travaux de recherche.Dans ce contexte, notre objectif est l’optimisation du procédé de fabrication pour les filières dematériaux AlGaN/GaN et InAlN/GaN afin d’assurer la montée en fréquence des composants et descircuits hyperfréquences de puissance de la filière nitrure de gallium. Le matériau utilisé sera obtenupar croissance MOCVD sur substrat silicium réalisés au CRHEA dans le cadre de collaborations. Lebut consiste à démontrer une densité de puissance de 2.5W/mm en bande V et 1.5W/mm en bande W.Le candidat recruté aura à travailler sur la mise au point du procédé de réalisation de circuits MMICdepuis la conception de la structure des couches épitaxiales jusqu’à la caractérisation du composantfinal. Dans ce but, il bénéficiera du savoir faire complémentaire de deux laboratoires : l’IEMN et leCRN 2 à Sherbrooke, ce dernier ayant toutes les compétences dans le design des circuits. L’étudiant seraimpliqué dans un travail essentiellement expérimental utilisant les plateformes technologique et decaractérisation disponibles à l’IEMN et les moyens en technologie du 3IT (Québec). La partie la plusimportante de la thèse portera sur l’optimisation des différentes étapes du procédé de fabrication destransistors et des circuits. Le candidat doit être très motivé par la recherche expérimentale et avoir debonnes bases de la physique des composants. Il doit être autonome, avoir le sens de l’expérimentationet du travail en équipe.Le candidat devra travailler sur l’optimisation des différentes étapes du procédé de fabrication(marques, isolation, contacts ohmiques, contact Schottky, plots épaississements, ponts BCB, passifs).Une attention particulière sera portée à la fabrication de composants de longueur de grille ultime de22

40nm ce qui va nécessiter des épitaxies avec une épaisseur de la couche de barrière très fine afin demaximiser le rapport d’aspect du transistor. Ceci pourra avoir un effet pénalisant au niveau du courantde fuite de grille et par conséquent sur la tenue en tension du transistor. Une structure de typeMISHEMT constitue une alternative qui va être étudiée afin de mieux isoler la grille du composant.Une autre partie sera orientée vers la caractérisation des transistors et circuits fabriqués par le doctorantafin de valider la technologie mise en œuvre. Celle-ci comportera notamment la caractérisationphysique basée sur des mesures type effet Hall, C(V), Raman, SIMS… Le candidat sera égalementimpliqué dans des mesures électriques et hyperfréquences.Cette thèse est une formation en co-tutelle entre l’université de Sherbrooke (Canada) au sein du Centrede Recherche en Nanofabrication et en Nano-caractérisation (CRN²) qui est l’une des infrastructuresmajeures du réseau Nano-Québec et l’université des Sciences et Technologies de Lille1 (France) ausein du laboratoire Institut d’Électronique de Microélectronique et de Nanotechnologies (IEMN) qui estun des acteurs majeurs en France pour la technologie des dispositifs GaN. Le candidat sera amené àtravailler sur les deux sites.Abstract :State of the art shows that only few studies were realized up to now at operating frequency higher than40GHz especially on silicon substrate. The goal of this thesis subject consists to develop GaN basedHEMT field effect transistors on silicon substrate working in V and W bands for different applicationssuch as aeronautics, defense, security and telecommunications. AlGaN/GaN and more recentlyInAlN/GaN HEMTs are at present the most studied devices. The objective is the fabrication of HEMTsworking at the highest frequency and delivering the highest microwave power. In this frame,demonstrators were done by HRL on silicon substrate showing the potentialities of the proposedresearch work.In this context, our objective is the optimization of the technological process on AlGaN/GaN andInAlN/GaN using material obtained by MOCVD on silicon substrate stemming from CRHEA in theframe of collaborations. The goal consists to demonstrate a power density of 2.5W/mm in V band and1.5W/mm in W band.The candidate will work on the design and fabrication of MMIC circuits from the material up to thecharacterization. He will benefit of the complementary knowhow of two laboratories: IEMN and CRN2at Sherbrooke (Canada), this last one being involved in the circuit design. The student will be involvedin an experimental work using the technological and characterization facilities available at IEMN and at3IT (Québec). The most important part of the thesis will be the optimization of the different steps of thetransistor and circuits process. The candidate must be found by experimental research and must presentgood knowledge of component physics.The candidate will work on the optimization of the different fabrication steps (marks, isolation, ohmicand Schottky contacts, thick interconnection, BCB bridges, passive elements). Specific goal will be thefabrication of transistors with a gate length of 40nm necessitating thin barrier layer to maximize theaspect ratio of the transistor. A problem regarding the leakage current and the voltage withstanding ofthe transistor will be solved. In this frame, a MISHEMT structure can be an alternative solutionpermitting to improve the gate behavior of the transistor.Another part of the thesis will be the transistor and circuit characterizations in order to validate thetechnology. In particular, physical characterization will be performed such as Hall effect, C(V), Raman,SIMS… The candidate will be also involved in electrical and microwave measurements.23

This thesis is a training between the university of Sherbrooke (Canada) at the « Centre de Recherche enNanofabrication et en Nano-caractérisation (CRN²) » which is a major laboratory in Nano-Québecnetwork and the « université des Sciences et Technologies de Lille1 (France) » at the « Institutd’Électronique de Microélectronique et de Nanotechnologies (IEMN) » which is a major laboratory inFrance for the technology of GaN devices. The candidate will work on both sites.24

Titre : Détection de cible et reconstruction d’image par lentille à cristaux photoniqueTarget detection and image reconstruction using photonic crystal based flat lensesFinancement prévu : Projet ANR Blanc (Appel 2013)Cofinancement éventuel :(Co) Directeur de thèse : Olivier VANBESIENE-mail : Olivier.Vanbesien@iemn.univ-lille1.frCo-directeur de thèse :E-mail :Laboratoire : IEMNGroupe de recherche : DOMEDescriptif :Dans les domaines de l’imagerie optique et de la nanophotonique intégrée, il devient envisageableaujourd’hui de pouvoir détecter et imager individuellement des objets de taille submicroniques grâce àla focalisation d’ondes optiques avec une résolution inégalée jusqu’alors. Les applications potentiellesrecouvrent alors le domaine des télécommunications optiques mais également ouvrent la voie à ladétection, à l’adressage ou à l’imagerie d’objets tels que des nanoparticules ou molécules biologiques.Pour concevoir un tel dispositif de détection et d’imagerie dans le domaine des ondes optiques, oncherchera à adapter les techniques associées à la tomographie en réflexion (domaine bio-médical) quipermettent à la fois de reconnaître la forme mais aussi d’analyser la nature (indice de réfraction,permittivité, perméabilité…) des objets à étudier. Ceci se fera dans un premier temps par le biaisd’expériences numériques afin d’évaluer les performances potentielles des lentilles platesbidimensionnelles à cristaux photoniques (ou super-lentilles à base de méta-matériaux) pour ladétection sous-longueur d’onde et la reconstruction d’images (FDTD - logiciel Fullwave de Rsoft).Ensuite, sur la base des technologies utilisées dans le groupe de recherche DOME intégrant égalementles techniques de la nanofluidique, une réflexion sur la fabrication d’un prototype caractérisable,permettant de mettre en évidence ces propriétés sera menée. Des simulations complémentaires de typeprototypage virtuel prenant en compte les trois dimensions de l’espace rencontrées en caractérisationseront également nécessaires (FDTD ou éléments finis).Abstract :In the fields of integrated nanophotonics and optical imaging, it appears possible nowadays to addressindividually sub-micron objects or to focus optical waves with a resolution unreached up to now.Potential applications concern optical telecommunications but open also the way to the detection,addressing or imaging of objects as nanoparticles or biological molecules.To this aim, techniques issued from tomography which allow not only to recognize object shapes butalso to identify their intrinsic nature (index of refraction, permittivity, permeability,…). The first stepwill consist in numerical experiments to evaluate the potential performances of two-dimensionalphotonic crystal based flat lenses (or meta-material based super-lenses) for sub-wavelength detectionand image reconstruction (FDTD – Fullwave by Rsoft). Second, the design of a prototype, including25

characterization pre-requisites, will be envisaged on the basis of the technological approaches alreadyin use in the DOME research group. Also, techniques issued from the field of nanofluidics will beinvestigated. At this stage, full three dimensional simulations of the whole prototype will be needed toevaluate the viability of the approach (FDTD or finite elements).26

Titre : Etude et réalisations de nouvelles structures absorbantes pour la réduction des nuisancesélectromagnétiques en environnement urbain.Financement prévu : Projet ANR ASTRID (Appel 2013)Cofinancement éventuel :(Co) Directeur de thèse : Eric LHEURETTEE-mail : eric.lheurette@iemn.univ-lille1.frCo-directeur de thèse : Didier LIPPENSE-mail : didier.lippens@iemn.univ-lille1.frLaboratoire : IEMNGroupe de recherche : DOMEDescriptif :Dans le cadre de cette thèse, nous souhaitons proposer de nouvelles solutions pour l’absorption desondes éléectromagnétiques. Ces solutions exploitent des structures métallo-diélectriques fréquemmentregroupées sous les termes généraux de matériaux artificiels ou métamatériaux. Les propriétés de cesmétamatériaux sont la conséquence directe de leur structuration, ce qui constitue une alternative auxapproches qui exploitent les propriétés constitutives de matériaux homogènes. Par conséquent, lesmécanismes de base sont généralement transposables sur différents domaines de longueur d’onde.Néanmoins, dans un premier temps, le travail sera concentré sur la problématique des ondesélectromagnétiques qui véhiculent les signaux utilisés par les télécommunications sans fils (GSM,Wifi…). Le spectre concerné s’étend donc typiquement de 900 MHz à 5 GHz. Cette recherche s’appuiesur l’expérience acquise au sein du groupe DOME sur les métamatériaux, des micro-ondes auxfréquences THz. En particulier, nous comptons mettre l’accent sur l’utilisation d’empilements de plansmétalliques qui permettent de tirer parti du magnétisme artificiel, ce qui constitue un degré de libertésupplémentaire en termes de conception. Dans une perspective d’intégration en environnement urbain,l’accent sera mis sur la recherche de solutions technologiques conformables et adaptées à la réalisationde grandes surfaces. Les technologies d’impression sur substrat souple, disponibles à l’IEMN,constituent une base de travail. Dans un objectif de réduction des coûts, le recours à d’autres supports,tels que le papier ou le tissu, spécificité industrielle régionale, sera également envisagé.Abstract :In the framework of this PhD, we will study new solutions for electromagnetic waves absorption. Thesesolutions are based on metal-dielectric structures which are often termed as metamaterials. Theproperties of these metamaterials are the direct consequence of their arrangement, which is a strongalternative to conventional absorbers based of intrinsic properties of their constitutive homogenousmaterials. This means that the principles involved in the metamaterial approach can generally betransposed over various frequency ranges. Nevertheless, our first target is the absorption of wirelessrelated frequencies, typically extended from 900 MHz up to 5 GHz. This research takes benefit of ourbackground (DOME group) related to metamaterials structures from micro-waves to THz frequencydomain. In particular, we will focus on stacked metallic layers in order to take benefit of artificial27

magnetism as a new degree of freedom in the design. In the prospect of urban integration, one of themain technological challenges will be to develop wide-surface and conformable absorbing layers. Tothis aim soft substrate technological facilities are available at IEMN. For a low cost approach, othersolutions such as paper or textile printing, one of the regional industrial specialities, will also beconsidered.28

Titre : Instrumentation avancée pour la caractérisation électrique micro-onde en nanosciencesFinancement prévu : Contrat doctoral UniversitéCofinancement éventuel : Région NPdC(Co) Directeur de thèse : Tuami LASRIE-mail : tuami.lasri@iemn.univ-lille1.frCo-directeur de thèse :E-mail :Laboratoire : IEMNGroupe de recherche : MITECDescriptif :Dans le travail de thèse proposé nous nous intéressons essentiellement à la caractérisation de nanoobjetsdans le domaine des fréquences micro-ondes. En effet, la miniaturisation, qui permet de passerde micro–dispositifs à des nano–dispositifs, s’accompagne de difficultés pour leur caractérisation engammes de fréquences micro-ondes. En particulier, le premier verrou, lié à leur faible taille, concerne laproblématique de la prise de contact à l’échelle locale. De plus, cette taille nanométrique engendre desimpédances élevées (~kΩ) difficilement mesurables avec une instrumentation conventionnelle. En effetles appareils classiquement utilisés pour la caractérisation électrique de dispositifs (en général unanalyseur de réseau) présentent une impédance de 50Ω. Se pose donc aussi le problème de ladésadaptation d’impédance entre l’appareil de mesure et l’objet sous test.Le but de ce travail englobe le développement d’une instrumentation hyperfréquence, de techniques decalibrage et d’étalons de calibrage dédiés à la mesure de paramètres de dispersion (S-parameters) dedispositifs de taille nanométrique dans la gamme de fréquence 1-18 GHz. Le système de mesuredéveloppé sera basé sur une méthode interférométrique pour répondre au problème de la hauteimpédance. Deux solutions pour le problème du contact basées respectivement sur le développement decellules micrométriques incluant le nano-objet et sur le développement de sondes de contact serontétudiées.Abstract :In the proposed PhD thesis work we are mainly interested in the microwave characterization of nanoobjects.Indeed, miniaturization toward nano-devices is accompanied by difficulties for theircharacterization in high frequency range. In particular, the first bottle neck, associated with their smallsize, concerns the issue of contact at the local level. Moreover, the nanometre size generates highimpedance (~ kΩ) hardly measurable with a conventional instrumentation (50 in general). Thereforewe face an impedance mismatch problem between the measurement system and the device under test.The planned work includes the development of a microwave instrumentation, calibration techniquesand calibration standards dedicated to the measurement of S-parameters of nano-sized devices in thefrequency range 1-18 GHz.29

Titre : Synapses artificielles pour calculateurs bio-inspirésFinancement prévu : Co-financement contrat doctoral EC Lille / Bourse Région NPCCofinancement éventuel :(Co) Directeur de thèse : Philippe PERNODE-mail : philippe.pernod@iemn.univ-lille1.frCo-directeur de thèse : Vladimir PreobrazhenskyE-mail : vladimir.preobrazhensky@iemn.univ-lille1.frLaboratoire : Institut d’Electronique et Microélectronique et de Nanotechologie (IEMN, UMR CNRS 8520)Groupe de recherche : AIMAN-FILMS / Laboratoire International Associé LEMAC-LICSDescriptif :L’atteinte très prochaine des limites ultimes de miniaturisation des technologies CMOS et l’exorbitantedissipation énergétique des concepts actuels s’opposent à l'augmentation de performance de nossystèmes de traitement de l’information. Simultanément l’impact sur l’environnement devient trèssignificatif.Il est indispensable de développer de nouveaux paradigmes de traitement de l’information pourpermettre la poursuite de l’augmentation des performances tout en abaissant de façon drastique l’impactenvironnemental. Les architectures ‘neuromorphiques’ inspirées du cerveau constituent une voieprometteuse à grande capacité de traitement et grande efficacité énergétique. L’IEMN (coté matériel) etle LIFL (coté logiciel) se sont récemment associés pour explorer conjointement ces nouvellesarchitectures bio-inspirées et développer les composants requis pour leur implémentation. Les modèlesactuels impliquent des réseaux artificiels de neurones interconnectés par des synapses dont la plasticitépermet un apprentissage. Un tel réseau nécessite le développement d’une synapse artificielle,indisponible actuellement.Pour implémenter la synapse, nous proposons dans la présente thèse de développer un memristor à basede nanostructures multiferroiques artificielles, domaine d’excellence de notre Laboratoire InternationalAssocié LIA LICS/LEMAC de l’IEMN. Afin de faire apparaître la fonction de mémoire/plasticité, lesphénomènes hystérétiques dans les systèmes magnétiques et/ou électriques du composant serontexploités. Les dispositifs seront explorés sur la base des modèles théoriques et outils de simulationdisponibles à l’IEMN. Un modèle pouvant être intégré dans les simulations de réseauxneuromorphiques complets du LIFL seront proposés afin de tester les performances et rétroagir sur laconception du composant. L’objectif final de la thèse est la réalisation d’un démonstrateur d’un réseau« hardware » (type ‘crossbar’) d’environ 256x256 connexions montrant un apprentissage effectif etapplicable à un problème de traitement d’image ou de recherche vidéo.Abstract :The limits of CMOS technologies will soon be reached and the tremendous energy dissipation of thecurrent concepts hinders the continuous performance increase of our information processing systems.In the same time, the energetic footprint on the environment becomes significant. It is thus compulsory30

to find new paradigms for the processing and storage of information to meet our ever-growing needsand reduce the impact on the environment. Brain inspired ‘neuro-morphic’ architectures are apromising lead for a large processing capability with a high efficiency. The two laboratories IEMN(hardware side) and LIFL (software side) recently started to collaborate to explore these bio-inspiredarchitectures and develop the required components for their implementation. Current models andsimulations involve artificial neuron networks that are interconnected with synapses that exhibitplasticity and thus present learning capabilities. Such a network requires an artificial synapse that is notreadily available so far.To implement such a synapse, our proposal is to develop a memristor component based on artificialmultiferroic nanostructures, which are a specialty of our International Associated laboratory – LIALICS/LEMAC at IEMN. In order to induce the memory/plasticity, hysteretic phenomena of themagnetic and/or electric systems will be taken advantage of. The devices will first be explored usingthe available theoretical and numerical means at IEMN. A model that can be integrated in neuralnetworks simulation tools of LIFL will be proposed so as to test the expected performances andperform a feedback on the device conception. The objective of the doctoral work is the realization of acrossbar prototype with 256x256 connections showing effective learning capabilities with a possibleapplication to image processing or artificial vision.31

Titre : Laboratoire sur puce hybride pour la manipulation et la caractérisation de fluides biologiques :étude des potentialités offertes par la synthèse de champs acoustiques complexes.Financement prévu : ANR AwesomCofinancement éventuel : Région(Co) Directeur de thèse : Olivier BOU MATARE-mail : olivier.boumatar@iemn.univ-lille1.frCo-directeur de thèse : Jean-Louis THOMASE-mail : jean-louis.thomas@upmc.frLaboratoire : IEMNGroupe de recherche : AIMAN/FILMSDescriptif :Les laboratoires sur puce visent à intégrer sur un substrat miniaturisé une ou plusieurs fonctions delaboratoire. Cette miniaturisation d’opérations élémentaires présente des avantages indéniables entermes de portabilité des systèmes, de contrôle des conditions expérimentales ou encore de réduction del’impact environnemental des activités industrielles. Ce sujet de thèse s’inscrit dans le cadre de l’ANRAWESOM (ayant débutée le 1er décembre 2012 pour une durée de 4 ans). Elle vise à la réalisationd’un laboratoire sur puce basé sur des technologies hybrides (ondes acoustiques de surface de Rayleighet de Love / microcalorimétrie / SPR) permettant la manipulation et la caractérisation de fluidesbiologiques pour les applications médicales.Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse est de développer une plateforme acousto-fluidiqueminiaturisée permettant la synthèse de champs acoustiques complexes et pouvant être adaptés en tempsréel. Pour ce faire, le transducteur unique utilisé dans la majorité - voire la totalité - des études portantsur les actionneurs à onde acoustique de surface sera remplacé par un réseau de transducteurs pilotéspar une électronique programmable. L’originalité de ce dispositif réside dans la mise en œuvre deméthodes de filtre inverse et de retournement temporel. Une fois ce dispositif développé, le doctorantétudiera (i) le contrôle actif du déplacement, de l’atomisation et du mélange à l’intérieur d’une goutteen adaptant en temps réel le champ à la réponse de l’échantillon de fluide, (ii) les potentialités offertespar des champs acoustiques complexes tels que les vortex acoustiques pour réaliser des mélangesefficaces ou développer des pinces acoustiques (permettant par exemple la manipulation de cellules).Cette étude nous permettra à terme de proposer des réponses innovantes, flexibles et efficaces pour lamanipulation de fluides biologiques dans des laboratoires sur puce.Abstract :The aim of a lab-on-a-chip is to integrate several laboratory functions on a miniaturized substrate. Thisscale reduction is fundamental to create mobile system, control precisely the experimental conditions ofa chemical reaction or reduce the environmental impact of industrial activity. This project is funded byANR AWESOM (2012-2016), whose aim is to conceive a lab-on-a-chip based on hybrid technology(surface acoustic waves, microcalorimetry, surface plasmon resonance) for the manipulation andcharacterisation of biological fluids.32

In this context, the purpose of this thesis is to develop an acousto-fluidic miniaturized platformallowing the synthesis of complex acoustic fields, which can be adapted in real time. The singletransducer used in most studies will therefore be replaced by a transducer array, which canindependently be programmed by a programmable electronics. The originality of this setup is the use ofinverse filter and time reversal for the field synthesis. Once this setup developed, the candidate willstudy (i) the active control of the displacement, atomization and melting inside a droplet and (ii) thepotential offered by complex acoustic fields such as acoustical vortices for efficient melting insidedroplet and the development of acoustic tweezers (for example for the manipulation of cells). Thisstudy will open new perspective for the flexible and efficient manipulation of biological samples on alab-on-a-chip.33

Titre : Conception et fabrication de micro-transducteurs à base de polymères électro-actifsFinancement prévu : bourse doctorale, ANRCofinancement éventuel :(Co) Directeur de thèse : Eric CATTANE-mail : eric.cattan@univ-valenciennes.frCo-directeur de thèse :E-mail :Laboratoire : Institut d’Electronique, de Microélectronique et Nanotechnologie (IEMN – UMR 8520)Groupe de recherche : MAMINAContexte :Les systèmes électroniques sont de nos jours en pleine mutation afin de répondre aux nouvellesexigences du marché : davantage de finesse et de légèreté ainsi qu’une meilleure adaptation à leurenvironnement et à leur usage quotidien. Un des enjeux majeurs de la recherche actuelle réside doncdans la transition vers une électronique sur support souple. Par ailleurs, de nombreuses activités derecherche gravitent également autour du développement et de l’intégration de nouvelles fonctionsactives couvrant un large domaine d’applications : micro-fluidique, micro-robotique, microinstrumentation,….Dans ce contexte, nous nous proposons donc de concevoir et d’intégrer des micro-transducteursperformants sur substrat souple réalisés à base de polymères électro-actifs.Objectifs :Les polymères électro-actifs utilisés dans le cade de ces travaux sont des polymères ioniques. Cesmatériaux ont la particularité de présenter de grandes déformations, de nécessiter une faible tension decommande (1-5V) et d’être capable de fonctionner en milieu liquide ou sous air. L’IEMN travaille encollaboration avec un laboratoire spécialisé dans la chimie des polymères (le LPPI) sur l’optimisationdes propriétés de cet actionneur et sur sa compatibilité avec les micro-technologies (en particulierlithographie et gravure réactive). En s’appuyant sur ces résultats, le doctorant aura en charge laréalisation de prototypes opérationnels. Trois démonstrateurs ayant des domaines d’applications variés,et présentant des degrés de risque différents, sont envisagés. Un premier prototype consiste en laréalisation d’un microréacteur micro-fluidique pour une application enzymologique, dans lequel lepolymère joue le rôle d’une micro-vanne permettant de contrôler le débit d’un fluide. La secondeapplication visée est la réalisation d’un micro-préhenseur à retour de force. Cette application exploite àla fois les propriétés d’actionneur et de capteur des polymères utilisés. Et enfin, il est également prévud’intégrer les polymères ioniques au sein d’une interface tactile pour écran souple. Dans ce dernier cas,l’utilisation de polymère permet d’obtenir des déformations statiques de grande amplitude : le toucherdu doigt sur l’écran permet alors de détecter des variations de topologie.Après une première phase de design des structures, des simulations (analytiques et par éléments finis)permettront de définir les géométries optimales permettant d’obtenir les forces et déformations lesmieux adaptées au cahier des charges. Dans un premier temps des cellules test seront réalisées afin de34

valider les étapes technologiques de fabrication ainsi que les concepts. Cette phase nécessitera doncégalement une étape de caractérisation des forces et déplacements engendrés. Les prototypes serontenfin fabriqués et testés.Profil du candidat :Le candidat doit avoir des compétences en mécanique et en simulation des structures. Une connaissancedes technologies microsystèmes sera appréciée. Des connaissances en chimie des polymères seraient unplus mais ne sont pas exigées.35

Titre : Etude et réalisation de dispositifs reconfigurables à base de films ferroélectriques pourapplications dans les télécommunications sans fil.Financement prévu : Contrat doctoral UniversitéCofinancement éventuel :(Co) Directeur de thèse : Denis REMIENSE-mail : denis.remiens@univ-valenciennes.frCo-directeur de thèse : Tuami LASRIE-mail : tuami.lasri@iemn.univ-lille1.frLaboratoire : IEMNGroupe de recherche : MAMINA / MITECDescriptif :L’agilité des films minces ferroélectriques n’est plus à démontrer, de nombreux composants etdispositifs ont à ce jour démontré leur fonctionnalité dans un large spectre de fréquences, allant deslongueurs d’ondes centimétriques aux longueurs d’ondes millimétriques. En effet, les propriétésd’accordabilité et de reconfigurabilité que confèrent ce type de matériaux aux dispositifs microondesqui les intègrent, permettent d’envisager de nombreuses applications. En particulier, lescommunications sans fil s’avèrent comme un domaine d’applications privilégié pour ce type dematériaux. Les communications dans les transports terrestres représentent à ce titre un champ derecherche de première importance (communication entre entités mobiles, télépéages,…). En réalité laquestion de la reconfigurabilité est centrale dans la problématique de mobilité qui est un des grandsenjeux des Systèmes de Transports Intelligents (STI). Dans un autre domaine d’applications, lacommunication entre réseau de capteurs nécessite également des antennes reconfigurables aussi bien àl’émission qu’à la réception afin d’assurer une sélectivité du diagramme de rayonnement.A l’IEMN, dans ce cadre, la collaboration entre les groupes MAMINA (expertise en matériaux et leurscaractérisations) et MITEC (expertise en hyperfréquences) ont obtenu un certain nombre de résultatsprobant que la communauté scientifique internationale a validé.Le travail de cette thèse consiste d’une part à une étude matériau en vue de la détermination dumatériau agile (BST, PST, KTN,..) le plus approprié à ce type d’applications. En particulier lespossibilités d’intégration aux technologies silicium seront déterminantes. Le second volet de l’étudeconcerne l’évaluation des performances du matériau sélectionné dans une gamme de fréquences trèslarge [1GHz – 100 GHz]. Les paramètres qui seront particulièrement étudiés sont le facteur de méritequi traduit la tunabilité et les pertes du matériau. Ceux-ci seront évalués au travers d’une approche lignecoplanaire couplée à un code de calcul développé au laboratoire. A l’issue de ce travail des composantsde base assurant la fonction de reconfigurabilité (d’une antenne par exemple) seront modélisés (parexemple à l’aide du logiciel HFSS), fabriqués et caractérisés dans les plateformes de technologie et decaractérisation de l’IEMN.Abstract:36

Thin film ferroelectrics are very promising materials for microwave applications. Indeed, the change inpermittivity as a function of electric field is a key to a wide range of applications. Another asset of thiskind of materials is their high dielectric constant which is very important in the trend towardminiaturization and functionality of microwave devices. Ferroelectric-based systems are particularlyinteresting for mobile communications. Actually, tunability is a key feature for Intelligent TransportSystem where mobility is a major issue.At IEMN, in this frame, the collaboration between the groups MAMINA (expertise in materials andtheir characterizations) and MITEC (expertise in microwaves) obtained certain convincing number ofresults that the international scientific community validated. The PhD thesis work consists on one handin a material study with the aim of the determination of the agile material (BST, PST, KTN), the mostsuited for this kind of applications. In particular the possibilities of integration to the silicontechnologies will be determining. The second part of the study concerns the evaluation of theperformances of the material selected in a very wide frequency band [1GHz - 100 GHz]. Theparameters which will be particularly studied are the factor of merit that represents the materialtunability and losses. These parameters will be estimated through a coplanar waveguide approachcoupled with a software developed in the laboratory. At the end of this work basic components insuringthe function of reconfigurability will be modelled (for example by means of the software HFSS),fabricated and characterized in IEMN technology and characterization platforms IEMN.37

Titre : Caractérisation par ondes acoustiques de l'interaction liquide / surfaces nanostructurées et de ladéformation induite de structures à fort rapport d’aspect. Application aux traitements humides dansl'industrie de la microélectronique.Financement prévu : Région (demande en cours)Cofinancement éventuel : ST Microelectronics (demande en cours)(Co) Directeur de thèse : Bertrand NONGAILLARDE-mail : bertrand.nongaillard@univ-valenciennes.frCo-directeur de thèse :E-mail :Laboratoire : IEMN UMR CNRS 8520Groupe de recherche : MAMINADescriptif :Les besoins de la micro/nanoélectronique (CMOS14nm) en termes de structuration des matériaux àl’échelle nanométrique ont entrainé la nécessité de développer des méthodes de gravure ou nettoyagechimiques à cette échelle sur les substrats semi-conducteurs. Un défaut de mouillage dans le fond desnanostructures limite la réaction chimique ainsi qu’apparaîssent des phénomènes d’effondrement de cesmêmes nanostructures lors des opérations de séchage. Les solutions aqueuses utilisées pour cesopérations doivent être caractérisées du point de vue de leur propriété de mouillage. Les méthodesoptiques développées ne permettent ni d'atteindre une résolution compatible avec les dimensions desnanostructures ni d'être intégrées dans un environnement industriel. Une méthode acoustique a étéproposée à l’IEMN permettant de caractériser le mouillage de liquides sur des surfacesmicro/nanostructurées. Cette technique est basée sur l’étude du coefficient de réflexion d’une ondeultrasonore longitudinale ayant une fréquence centrale de 1 GHz. L’objectif de la thèse seral’évaluation du mouillage de liquides, caractérisés par leurs tensions de surface, sur des substrats desilicium nanostructurés avec des grands rapports d’aspect ainsi que son influence sur l’effondrement deces nanostructures. Différentes méthodes acoustiques seront comparées afin de trouver le meilleurcompromis sensibilité / développement technologique et un banc de caractérisation sera développé.Cette thèse sera réalisée en collaboration avec ST Microelectronics.Abstract :The industry of micro/nanoelectronic (CMOS14nm) is concerned by the problems of interfacesbetween liquids and solids: it is the case of the fabrication of nanostructures with high aspect ratio usingwet etching, or of cleaning processes. The wetting properties of the aqueous solutions used for thatprocesses have to be characterized so as to avoid these problems which led to non-wetting orcollapsing.We have proposed recently in IEMN an original acoustic method making it possible to characterize thewetting of a droplet on microstuctured surfaces. This technique is based on the study of the reflection ofa high frequency (1 GHz) longitudinal acoustic wave generated thanks to thin film piezoelectrictransducers fabricated on silicon.38

The aim of this work will be to characterize the interactions between liquids and nanostructuredsurfaces and also the degradation of the liquid properties (saturation / chemical reactivity). The goalwill be to study the impact of the surface tension of the liquid on the wetting of these nanostructuresusing different acoustic methods which will be compared. Different aspect ratio of the nanostructureswill also be studied. Moreover, in parallel, the analysis of the acoustic signals will be achieved to obtainthe liquids properties (viscosity, nanoparticules concentration,…). This work will be achieved incollaboration with St Microelectronics.39

Titre : Nano-drone volant à aile battante : Optimisation de la structure et de l’aérodynamiqueFinancement prévu : DGACofinancement éventuel : ONERA/MENRT(Co) Directeur de thèse : Sébastien GRONDELE-mail : sebastien.grondel@univ-valenciennes.frCo-directeur de thèse : Eric CATTANE-mail : eric.cattan@univ-valenciennes.frLaboratoire : IEMN-DOAEGroupe de recherche : MAMINADescriptif :Le vol à ailes battantes permet d’obtenir un vol de type quasi-stationnaire (contrairement aux objets àailes fixes). Cette capacité est très intéressante dans le cas de la réalisation de micro-nano-drones, carceux-ci doivent répondre à des exigences de grande manœuvrabilité et de stabilité. De plus, l’avantaged’un objet à ailes battantes sur un objet à voilures fixes (type avion à réaction) ou tournantes (typehélicoptère) est de pouvoir obtenir un meilleur rendement énergétique en s’appuyant sur les courantsd’air pour, soit se stabiliser, soit se propulser. L’intérêt de réaliser un nano-drone à ailes battantespermettrait également d’ajouter au côté manœuvrabilité le côté discrétion (acoustique et visuel).L'objectif de cette thèse consiste en l’optimisation d'un Objet Volant Mimant l'Insecte (OVMI) àl'échelle 1. Ce projet se situe à la jonction entre plusieurs disciplines comme l'aéroélasticité, lesmicrotechnologies, l'automatique et l'énergétique et fait intervenir une collaboration entre deuxlaboratoires scientifiques : l’ONERA pour les aspects aéroélastiques des ailes, et l’IEMN pour la partieoptimisation de la structure et intégration de microactionneursComme point de départ, le doctorant devra s’appuyer sur les prototypes existants de masse 20mgréalisés par l’IEMN pour lesquels des effets de portance d’environ 13mg mesurés à l’aide d’unemicrobalance ont déjà été démontrés. Ceux-ci sont constitués d’un actionneur électromagnétique insérésur une structure souple réalisée à l’aide des technologies microsystèmes et qui permet la mise enmouvement des ailes à la fois en flexion et en torsion.Le travail sera ensuite divisé selon deux axes :Concernant le premier axe, les résultats espérés au terme de la thèse sont une optimisation de lastructure élaborée à base de polymère photosensible constituant le corps et les ailes de l'insecte artificielen particulier en minimisant sa masse, en faisant évoluer la souplesse des ailes, et en renforçant leuramplitude en flexion et en torsion. En outre, le doctorant aura en charge l’intégration de composantsélectroniques supplémentaires comme une centrale inertielle. Le polymère actif sera évalué afin deremplacer l’actionneur électromagnétique utilisé actuellement et ainsi diviser la masse de l’actionneurpar 5. Sur ces différents aspects, l’étudiant profitera des moyens de conception, de fabrication et decaractérisation des salles de micro- et nanotechnologies de l’IEMN.Au niveau du second axe, l’étudiant aura à comprendre les phénomènes aéroélastiques lorsque l'ontravaille à des échelles mettant en jeu des nombres de Reynolds très faibles. L’ONERA a déjà mis en40

place un modèle aéro-élastique d’aile, adapté au prototype envisagé. Cette modélisation permettra deconcevoir une structure en accord avec les lois de l'aérodynamique et les non-linéarités liées aux grandsdéplacements; elle contribuera à mimer la cinématique de vol le plus fidèlement possible. Ce modèledevra subir encore quelques étapes de validation et devra permettre de fournir des formes d’aile simplessusceptibles de produire un maximum de portance. Ce modèle sera complété par des validationsexpérimentales à l’aide de dispositifs de mesure (caméra rapide, visualisation par injection de fumée etmicrobalances).Abstract :The flapping wing-flight allows obtaining a quasi-stationary flight (as opposed to fixed wing objects).This capability is very useful in the case of the realization of micro-nano-drones, because they have tomeet high requirements in terms of maneuverability and stability. In addition, an object with flappingwings at small scale can be more efficient for stabilization and propulsion than an object with fixed (jettype) or rotating wing (helicopter type) since it can take advantage of air patterns. The interest inproducing a nano-drone with flapping wings would also bring acoustic and visual discretion.The objective of this PHD thesis is the optimization of a Flying Object Mimicking Insect (OVMI) atscale 1. This project is at the interface of several disciplines such as aeroelasticity, microtechnology,automation and energy and involves collaboration between two scientific laboratories: ONERA foraeroelastic wing aspects, and IEMN for the structure optimization part and integration ofmicroactuators. As a starting point, the student should work on existing prototypes (mass 20mg) madeby IEMN for which the effects of lift have already been demonstrated (approximately 13mg measuredusing a microbalance). These prototypes consist of an electromagnetic actuator inserted on a flexiblestructure made using microsystems technology and which allows the movement of the wings in bothbending and torsion.The work will then be structured around two main parts:On the first part, the expected results at the end of the PHD thesis is an optimization of thephotosensitive polymer structure constituting the body and wings of the artificial insect. In particular,goals are to minimize its mass, to improve the flexibility of wings, and to increase their bending andtwisting amplitude. In addition, the student will be responsible for the integration of additionalelectronic components such as an inertial device. The active polymer will be assessed to replace theelectromagnetic actuator used currently and thus divide the mass of the actuator by 5. On these aspects,the student will benefit from the micro-and nanotechnology means of design, fabrication andcharacterization of IEMN.At the second part, the student should understand the aeroelastic phenomena when working at scalesinvolving very low Reynolds numbers. ONERA has already developed a model of aero-elastic wing,which is suitable for the considered prototype. This modeling will allow designing a structure inaccordance with the laws of aerodynamics and nonlinearities associated with large displacements andwill contribute to mimic the kinematics of flight as closely as possible. This model will undergo a fewvalidation steps and will help to provide simple wing shapes capable of producing a maximum lift. Thismodel will be complemented by experimental validation using measuring devices (speed camera,visualization by injecting smoke and microbalances).41

Titre : Fabrication de MOSFET Ultra-Thin-Body InAs pour applications faible énergieFinancement prévu :Cofinancement éventuel :(Co) Directeur de thèse : Sylvain BOLLAERTE-mail : sylvain.bollaert@iemn.univ-lille1.frLaboratoire : IEMNGroupe de recherche : ANODEDescriptif :L'augmentation de la puissance consommée (PC) des circuits numériques est un facteur limitant destechnologies CMOS et rend difficile la poursuite de la loi de Moore. De plus, le développement desystèmes autonomes, mobiles et communicants requiert une électronique faible consommation. Laréduction de la PC pour les appareils électroniques est aussi un défi pour la sauvegarde del'environnement. En effet, les appareils électroniques comptent pour 15% de la consommationdomestique, une tendance qui devrait doubler an 2022 et tripler en 2030 selon l'IEA (InternationalEnergy Agency). La méthode la plus efficace pour réduire significativement cette consommation est ladiminution de la tension d'alimentation des circuits et donc des transistors qui les constituent. Une voieenvisagée par ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) est le remplacement ducanal silicium par un matériau haute mobilité III-V. Cette haute mobilité pourrait compenser ladégradation de paramètres électriques lors de la réduction de la tension d'alimentation. L'InAs est uncandidat potentiel, car il offre l'une des meilleures mobilités électronique des matériaux III-V. De plus,il est technologiquement compatible avec le GaSb qui lui présente une mobilité de trous la plus élevéedes III-V. Enfin les matériaux III-V permettent une ingénierie de bande interdite facilitant la réalisationd'un canal enterré et ultra mince, nécessaire pour conserver les propriétés de transport et limiter leseffets de canal court. Les objectifs de la thèse sont la réalisation de MOSFET InAs à film InAs enterréultra mince et leur caractérisation électrique. Ce projet a fait l'objet d'une demande de financementauprès de l'ANR en partenariat industriel.Abstract :The increase of the power consumption (PC) of digital circuits is a factor limiting perspectives ofCMOS technology according to the roadmap defined by the Moore’s law. Moreover, the developmentof standard and/or autonomous mobile systems requires low PC electronic. The PC reduction ofelectronic appliances is also a challenge for sustainable environment, since electronic appliancescurrently account for 15% of household electrical consumption - a trend which should double by 2022,and triple by 2030 according to the IEA (International Energy Agency). Currently, the only effectivemethod to significantly reduce this PC consists in decreasing the DC supply voltage of transistors. Oneway envisaged by ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) is the replacement ofSilicon channel by high mobility III-V materials. InAs is one of the highest electron mobility materials.III-V materials allow engineering bandgap and the realization of buried thin-body channel. The42

objective of the thesis is to study and to fabricate (clean room) Buried Ultra-Thin-Body InAs MOSFET,and the electric characterization of these devices. A project was submitted to ANR for financialsupport, in partnership with Industry.43

Titre : Développement d’une méthode de caractérisation acoustique de Parois Complexes Végétalisées(PCV) en fonction de l’angle et de la fréquence de l’onde incidente.Financement prévu : Groupe HEI-ISA-ISENCofinancement éventuel : ADEME(Co) Directeur de thèse : Bertrand DUBUSE-mail : bertrand.dubus@isen.frCo-directeur de thèse :E-mail :Laboratoire : Institut d'Électronique de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN)Groupe de recherche : AcoustiqueDescriptif :Les Parois Complexes Végétalisées (PCV), en particulier les murs et les toitures végétalisés, sont unesolution efficace pour augmenter la surface de végétaux en ville. En plus de leur intérêtenvironnemental, des auteurs ont montré que les PCV pouvaient augmenter l’isolation acoustique desbâtiments. Afin de comprendre les différents phénomènes physiques mis en jeu, il nous sembleimportant de caractériser acoustiquement les éléments des parois complexes végétalisées en fonction del’angle d’incidence de l’onde acoustique incidente, mais également dans des conditions expérimentalesmaîtrisées. Ce doctorat s’inscrit dans le cadre d’un projet porté par trois écoles d’ingénieurs (ISA, HEIet ISEN) portant sur l’évaluation des performances acoustiques et thermiques des murs végétalisés.Le projet de thèse porte sur le développement d’un outil de caractérisation acoustique de matériauxconstituant les PCV en fonction de l’angle et de la fréquence de l’onde incidente. La mesure vise àdéterminer l’amplitude et la phase des coefficients de transmission, d’absorption et de réflexion descomposantes spéculaires de l’onde acoustique ainsi que la distribution angulaire des composantesdiffuses. L’outil de caractérisation reposera sur l’association (1) d’une mesure temporelle du champvibratoire de chaque face de l’échantillon testé, via un vibromètre laser à balayage, et (2) d’untraitement adapté des signaux acoustiques afin d’isoler l’information à analyser. Plusieurs méthodesd’analyse sont envisagées. La première partie de l’étude s’appuiera sur l’étude bibliographique dessystèmes de mesure existants et de leurs limites pour proposer une méthode originale de caractérisationacoustique complète des parois adaptée aux matériaux organiques. Des analyses numériquespréliminaires sont envisagées. Après validation, le banc de mesures, sera utilisé afin de caractériserl’impédance acoustique de matériaux organiques et minéraux présents dans les PCV, et d’étudierl’influence des caractéristiques intrinsèques à ces parois comme le taux d’hygrométrie, l’indice foliaireet l’indice du réseau racinaire sur l’isolement acoustique. Il est donc envisagé de créer un ensembled’échantillons de tests. Enfin, la méthode de mesure de l’impédance acoustique de matériauxcomposant les parois complexes végétalisées sera appliquée afin d’améliorer l’isolement acoustique deces parois et les prédictions des logiciels utilisés dans l’acoustique du bâtiment.Le recrutement du doctorant se fera via l’Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie(ADEME). Les compétences attendues du doctorant sont :44

Acoustique avec un goût pour les expérimentationsTraitement du signal (en particulier signal acoustique/audio)Programmation en langage MatLabAbstract :45

Titre : Substrats souples nanotexturés pour applications en électronique flexibleNanotextured soft substrates for flexible electronic applicationsFinancement prévu : MENRTCofinancement éventuel :(Co) Directeur de thèse : Djamila HOURLIERE-mail : djamila.hourlier@iemn.univ-lille1.frCo-directeur de thèse :E-mail :Laboratoire : IEMN UMR 8520Groupe de recherche : EPIPHYDescriptif :Les supports flexibles tels que les Polyimides (PI) dont le plus connu est le Kapton offrent un potentielextraordinaire d’applications dans des domaines aussi différents que la santé, l’habillement, lestransports, et l’électronique. Le but du présent projet sera d’utiliser le procédé chimique en phasevapeur de composés inorganiques (Si, Ge) pour nanotexturer des surfaces souples organiques. Cettevoie est a priori plus souple que la voie par gravure et attaque humide de la matière. Ce travail seraorienté autour de trois axes principaux :- Etude du comportement thermique des substrats souples et mise en évidence des différentsmécanismes qui régissent la décomposition et la carbonisation- Préparation et traitement de surface en vue du dépôt métallique utilisé comme catalyseur pour lacroissance ultérieure des nanofils et nanocones semiconducteurs (Si, Ge).- Croissance catalytique de nanostructuresUne étude comparative sera également réalisée sur substrats solides (wafers Ge et Si). Plusieursapplications sont envisagées : Micro capteur thermique pour les écoulements des fluides, antennephotoconductrice, etc…Abstract :Flexible substrates such as polyimide (PI), of which the most widely known is the Kapton, offer anextraordinary potential for applications in a variety of domains ranging from health and clothing totransportation and electronics.This project aims to use the chemical vapor process for nanotexturing soft organic surfaces.This approach is a priori more adaptable than the wet etching patterning method.The research program will be focused around three core areas:- The study of Thermal behavior by establishing the main reactions involved in the decompositionand carbonization of the Kapton- Surface preparation and treatment for metal evaporation. Tailoring of surfaces by means of aspecific deposit of catalyst used for subsequent growth of nano-objects.- Catalytic growth of nanostructures (nanowires and nanocones)A comparative study will be conducted on rigid substrate (Si and Ge wafers).46

Many applications are foreseen: thermal flow sensors, photoconductive antenna,etc..Requirements :Excellent grades, a highly motivated candidate with a strong background in organic and polymerchemistryPlease send a CV, cover letter, one recommendation letter and degree certificate.47

Titre : Co-intégration de nano-dispositifs électroniques hautes fréquences et faible consommation sursiliciumFinancement prévu : Université des Sciences et Technologies de Lille1Cofinancement éventuel : Région Nord-Pas de Calais(Co) Directeur de thèse : Xavier WALLARTE-mail : xavier.wallart@iemn.univ-lille1.frCo-directeur de thèse :E-mail :Laboratoire : IEMNGroupe de recherche : Epitaxie et Physique des hétérostructures (EPIPHY)Descriptif :Ce sujet de thèse propose de mettre en œuvre la technique émergente de nanoépitaxie associée à unréseau interfacial de dislocations pour réaliser la co-intégration d’hétérostructures de semiconducteursIII-V, qui sont la base de nano-dispositifs électroniques basse consommation d’énergie, sur substratsilicium.La croissance monolithique de semiconducteurs III-V sur substrat silicium conduit le plus souvent àune grande densité de défauts émergents altérant les qualités structurale, optique et électrique descouches épitaxiées. Nous avons récemment démontré que la croissance d’un film d’InAs sur siliciumprésentant une très bonne mobilité électronique était possible grâce à une couche d’accommodation enGaSb/GaP. La couche de GaP permet l’élimination des domaines d’antiphase tandis que celle de GaSbconduit à l’adaptation du paramètre de maille grâce à la formation d’un réseau de dislocationsnanopériodiques à l’interface GaSb/GaP. Néanmoins, la longueur de cohérence de ce réseau dedislocations étant limitée, une quantité de défauts émergents encore rédhibitoire pour les applicationssubsiste.C’est pourquoi nous désirons coupler ce mode de relaxation particulier à la croissance sélective degermes nanométriques (‘nanoépitaxie’) de dimensions inférieures à la longueur de cohérence desréseaux de dislocations d’interface. Ces germes nanométriques organisés permettront ensuite, parcoalescence, la croissance de nanorubans et de couches bidimensionnelles de haute qualitécristallographique, qui serviront de base à la réalisation de nano-dispositifs électroniques.Abstract :This PhD work will be devoted to the emerging technique of nanoepitaxy, coupled to an interfacialdislocation network to insure the co-integration of low power nanodevices based on III-Vsemiconductor heterostructures on silicon.The monolithic integration of III-V semiconductors on silicon most often leads to a high density ofthreading defects and hence to rather poor structural, electrical and electrical properties of the activelayers. We have recently demonstrated the epitaxial growth of a high electronic mobility InAs layer onsilicon, using a GaSb/GaP accommodation layer. The GaP layer allows the suppression of the antiphasedomains whereas the GaSb one leads to the accommodation of the lattice parameter thanks to a48

nanopriodic dislocation network at the GaSb/GaP interface. Nevertheless, the coherent length of thisnetwork is small and a high density of threading defects remains.That is the reason why we would like to associate this particular relaxation mode to the selectivegrowth of nanometric seeds (nanoepitaxy), with dimensions smaller than the coherent length of thedislocation network. These seeds will then allow, upon coalescence, the growth of high structuralquality ribbons and 2D layers for the fabrication of electronic nanodevices.49

Titre : Hétérostructures III-V à base d’antimoine pour la réalisation de transistors à effet tunnelAntimony based III-V heterostructures for tunnel FET transistorsFinancement prévu : ANRCofinancement éventuel :(Co) Directeur de thèse : Xavier WALLARTE-mail : xavier.wallart@iemn.univ-lille1.frCo-directeur de thèse :E-mail :Laboratoire : IEMNGroupe de recherche : Epitaxie et Physique des hétérostructures (EPIPHY)Descriptif :Les limitations physiques auxquelles fait face la technologie CMOS, actuellement réduite à l’échellenanométrique, conduisent au développement de nouveaux composants quantiques appelés Transistors àeffet Tunnel (TFET). Différents matériaux ont été proposés et utilisés pour la réalisation de ce type decomposant, basés en particulier sur les technologies Silicium existantes ou sur des structures III-V àhomojonctions. Les hétérostructures antimoniées III-V offrent une large gamme de discontinuités debandes énergétiques, ainsi que l’accès à des matériaux à faible bande interdite comme l’InAs. Nousproposons donc d’étudier les potentialités de cette filière de matériaux pour la réalisation de structuresverticales TFET innovantes permettant un fonctionnement rapide à faible tension d’alimentation.Abstract :Recently a new quantum mechanical device called Tunnel Field Effect Transistor (TFET) has gainingmore and more interest as the classical CMOS FET technology faces some physical limits into thenanoscale. Different materials have been proposed to realize this kind of device, in particular Siliconbased technologies or III-V homojunctions. As antimony based III-V heterostructures offer a largechoice of band offsets and low bandgap materials, we propose to investigate the potentialities of thiskind of materials for the realization of a high speed and low power consumption vertical TFET device.50

Titre : Interférence et adaptabilité pour une autonomie complète des nœuds d’un réseau.Financement prévu : contrat doctoralCofinancement éventuel : -Co-Directeur de thèse : Laurent CLAVIERE-mail : laurent.clavier@iemn.univ-lille1.euCo-directeur de thèse : Nathalie MITTONE-mail : nathalie.mitton@inria.frLaboratoire : IEMN / IRCICAGroupe de recherche : CSAMDescriptif :Malgré plus de 20 ans de recherche, les contraintes basse consommation nécessaires à un déploiementmassif des réseaux de capteurs et de l’Internet des Objets n’ont pas encore de solution. Nous disposonsà l’IEMN (plate-forme TELECOM) et à l’INRIA (EQUIPEX FIT) de deux environnementsd’expérimentation uniques et complémentaires pour trouver ces solutions et donner aux objets desdurées de vie au delà des 10 années. Qui plus est, le contexte des smart cities et le réseau expérimentaltaille réel sur le campus de l’Université de Lille 1 seront un champ d’application idéal pour tester lesinnovations de cette thèse. L’objectif est de mettre en place des stratégies de communications, robusteset adaptatives, en étudiant :- l’environnement de communication et en particulier l’interférence : les stratégies MAC actuellestentent de la supprimer ce qui n’est pas optimal d’un point de vue de la théorie del’information ;- les approches coopératives qui permettront de réduire significativement la consommation ;- l’adaptation à l’environnement et à son évolution. Un nœud peut se trouver par moment dans unenvironnement dense et à d’autres isolé. Les stratégies de transmissions doivent alors s’adapteren tenant compte de l’importance des données à transmettre et au niveau d’énergie disponible.Ces travaux se feront dans le but de maintenir le réseau en vie le plus longtemps possible. L’apport desources d’énergie renouvelables et leur impact sur la gestion des communications sera envisagé.Abstract :Despite 20 years of research, necessary ultra low power consumptions necessary for a massivedeployement of sensor networks and Internet of Things is not available on the market. We have inIEMN (TELECOM Platform) and in INRIA (EQUIPEX FIT) two unique and complementaryexperimental environments to develop original solutions and give to the object a life duration exceeding10 years. Besides the smart cities context and the experimental networks that can be implemented onthe Lille 1 campus are ideal application fields to test the proposed solutions. The goal of this PhD is todevelop communication strategies, robust and flexible, taking into accuont- the communication environment and, especially, interference: MAC layer strategies tend tosuppress this interference, which is not optimal from the point of view of information theory;- the cooperative communications that will allow to significantly reduce consumption;51

- the adaptability to the environment and its evolution: a node can be at a time in a denseenvironment of nodes and at another time isolated. Transmission strategies have to adapt, takinginto account the importance of the data and the available energy.Those works will be done in order to ensure the functionality of the networks as long as possible.Harvesting energy sources and there impact on the way to manage the communication will also bestudied.52

Titre : Système de localisation à faible encombrement et à faible consommation d’énergieFinancement prévu : contrats doctorauxCofinancement éventuel :(Co) Directeur de thèse : Christophe LOYEZE-mail : Christophe.loyez@iemn.univ-lille1.frCo-directeur de thèse :E-mail :Laboratoire : IEMNGroupe de recherche : CSAMDescriptif :Aujourd’hui, les systèmes de localisation connaissent un effort considérable mais les systèmes actuelsne permettent pas d’assurer une fonction de localisation à l’aide d’un dispositif radiofréquence peuencombrant et à très faible consommation. Le sujet de thèse proposé concerne l’étude de microdispositifsde localisation applicables aux réseaux de capteurs. L’objectif est de mettre en œuvre unesolution dans la bande de fréquences millimétriques (60 GHz) basée sur des éléments rayonnants trèsspécifiques qui permettent de minimiser l’encombrement global (< 10 mm²) d’une part et de laconsommation énergétique d’autre part en relaxant les contraintes sur la fréquence d’échantillonnage.Il s’agit donc de développer une l’architecture RF et un algorithme de traitement de signal optimal afinde proposer de nouveaux indicateurs permettant une estimation fiable de la distance radiale et de ladirection d’arrivée en milieu intra-bâtiments. Les défis à relever sont nombreux parmi lesquels :- assurer le fonctionnement d’un tel système dans un environnement multi-sources.- présenter un temps d’acquisition faible (< 100 ms).La solution optimale attendue pourra être implémentée à l’aide des ressources de la plate-formeTelecom.Abstract :The geo-localisation systems become more and more convenient for a growing number of applications.Nevertheless, current systems not enable to assume localisation functionalities using a compact and lowconsumption system.This thesis deals with the study and achievement of a localisation solution in the millimetre wavefrequency band (60 GHz) using specific antennas in order to optimize the system compactness andenergy efficiency.RF architecture and signal processing will be studied in order to provide novel indicators which enablea reliable estimation of the radial distance and the angle of arrival in an indoor environment. They haveto meet several challenges such as multi-targets ability and high-speed acquisition. The system will betested using the Telecom platform facilities.53

Titre : Développement d’une microbatterie lithium ion écologique à l’état solide en topologie 3DFinancement prévu : contrat doctoralCofinancement éventuel :(Co) Directeur de thèse : Nathalie ROLLANDE-mail : nathalie.rolland@iemn.univ-lille1.frCo-directeur de thèse :E-mail :Laboratoire : IEMN UMR CNRS 8520Groupe de recherche : CSAMDescriptif :Les réseaux de capteurs autonomes sans fil connaissent depuis quelques années un développementindustriel spectaculaire. Dans un futur proche, les progrès de l’intégration hétérogène et lesdéveloppements attendus au niveau des moyens de communication nécessitent de disposer de pointsd'accès communicants autonomes. Pour rendre autonome un microcapteur communicant, nousdéveloppons une microbatterie lithium ion tout solide en couche mince. Des microbatteries sontdisponibles commercialement et sont composées d’une anode en lithium métallique, d’un électrolytesolide en LiPON et d’une cathode en LiCoO 2 permettant alors un fonctionnement dans une gamme detension proche de 4V. Afin de fournir des microbatteries Li-ion plus performantes et plus stables,l’IEMN travaille sur la réalisation d’un microdispositif de stockage d’énergie sans lithium métallique etutilisant des matériaux d’électrodes écologiques et à forte capacité énergétique (LiFePO 4 , silicium,métaux..). Si des dépôts en topologie planaire ont donné de bons résultats, nous travaillons aujourd’huisur le dépôt de ces matériaux sur un substrat microstructuré (approche top down) pour déployer de lasurface spécifique et ainsi décupler les performances de la microbatterie 3D. Par ailleurs, l’IEMNdispose d’un matériau d’électrolyte (LiPON) dont les propriétés se situent à l’état de l’art. Les briquesde base de la microbatterie sont donc posées. Cette thèse aura donc pour but, le développement encentrale de micro/nanofabrication, d’un microdispositif de stockage lithium ion en topologie 3D.L’étude d’un réseau organisé de micropilliers de silicium constituera le 1 er volet de cette thèse. D’autresmotifs (nid d’abeille, micro-ruban) seront aussi envisagés afin d’évaluer la robustesse de lamicrostructuration du silicium pour ces microbatteries lithium ion. Une grosse activité dedépôt/synthèse de matériaux (dépôt physique et chimique en phase vapeur) sur des microstructures 3Dsera développée dans la 2 ème partie de cette thèse. Les caractérisations structurales et électrochimiquesseront menées en étroite collaboration avec nos partenaires universitaires (UCCS Lille, IMN Nantes).Enfin, le candidat évaluera dans le cadre de cette thèse l’apport des nanotechnologies pour la réalisationde ce microdispositif de stockage.Abstract : -54

Titre : Conception de circuits à base d’une nouvelle technologie AlN/GaN/AlGaN en gammemillimétrique sur substrat siliciumFinancement prévu : contrat doctoral/ contrat ANRCofinancement éventuel :(Co)-directeur de thèse : Nathalie ROLLANDE-mail : nathalie.rolland@iemn.univ-lille1.frLaboratoire : IEMN – UMR 8520Groupe de recherche : CSAMDescriptif :Les composants à base de Nitrure de Gallium (GaN) sont pressentis pour devenir la prochainegénération de transistor en bande millimétrique. Un certain nombre de groupes ont démontrés lapossibilité d’obtenir une combinaison unique de puissance et de rendement ainsi qu’une bande passanteplus élevée et une stabilité à haute température supérieure avec le matériau GaN comparé auxtechnologies à base de GaAs ou de Silicium. Dans ce cadre, une nouvelle hétérostructure à based’AlN/GaN de haute qualité est en cours de développement. Cette nouvelle technologie laisse espérerune rupture des performances des circuits à haute fréquence. En effet, cette nouvelle configurationpermet d’accroître la densité de porteur du transistor par un facteur 2 ou 3 par rapport aux structuresHEMT classiques AlGaN/GaN tout en offrant des rapports d’aspects (longueur de grille/distance grillecanal)très favorable à la montée en fréquence du fait de la possibilité de bénéficier d’épaisseur debarrière ultra-mince avec cette configuration. De plus, la croissance de cette hétérostructure a étéentreprise sur substrat de silicium au niveau industriel et arrive maintenant à maturité, ce qui permetd’envisager des composants à coût modéré, offrant une solution attractive pour l'intégration avec destechnologies silicium matures tels que la filière CMOS en utilisant une approche monolithique.Notre groupe a démontré des résultats remarquables sur la filière AlN/GaN/AlGaN-sur-Si (doublehétérostructure) avec des performances bien au-delà de l’état de l’art international comparées auxcomposants GaN-sur-Si actuels. En particulier, des performances fréquentielles de l’ordre de 200 GHzcombiné à une tenue en tension de plus de 100 V ont permis de générer une puissance de sortieconséquente à une fréquence d’opération de 40 GHz pour la 1 ère fois 1 . Par ailleurs, nous avonségalement mesuré le facteur de bruit entre 6 et 40 GHz dans ces mêmes composants. Le très faiblecourant de fuite, le gain élevé ainsi que des effets de pièges réduits nous ont permis de démontrer leplus faible niveau de bruit jamais observé dans un transistor GaN en bande K 23 a . Plus récemment,1 F. Medjdoub et al, “First demonstration of high power GaN-on-Silicon transistors at 40 GHz” Electron Device. Lett. 33, 8,20122 F. Medjdoub et al, “Sub-1-dB Minimum Noise Figure Performance of GaN-on-Si transistors up to 40 GHz” ElectronDevice. Lett. 33, 9, 201255

l’étude préliminaire de fiabilité effectuée sur ces composants en collaboration avec l’université dePadova a montré des résultats très encourageants en termes de stabilité et de robustesse avec plusieursheures de mesure sur la technologie de 100 nm de longueur de grille (AlN/GaN-sur-Si), ce qui constitueégalement une première mondial 4 . Ces premiers résultats de fiabilité montrent que ces composants sontassez reproductibles pour envisager le développement de fonctions tels qu’un amplificateur faible bruit(LNA), un amplificateur de puissance (MPA) et un mélangeur fonctionnant en gamme d’ondemillimétrique. Ces fonctions ainsi réalisées permettront d’ouvrir la voie à la conception de circuitMMIC GaN ultra-robuste de faible coût délivrant des performances en rupture avec les filièresexistantes. Ceci devrait constituer un avantage décisif en permettant à l’Europe de disposer d’unesource de composant GaN fiable pour les amplificateurs fonctionnant en gamme millimétrique puisquenotre source d’épitaxie EpiGaN est une PME basée en Belgique.Ce projet vise à relever le défi de ces composants critiques. Nous proposons de démontrer les modulesnécessaires au développement de MMIC (circuit micro-ondes intégré monolithique) fonctionnant enbande Ka et délivrant des performances en rupture avec les filières actuelles. L’objectif de cette thèseest la fabrication, la caractérisation et la modélisation de transistors III-Nitrure à effet de champscorrespondant à cette nouvelle filière AlN/GaN à haute fréquence qui donneront lieu à la conceptiondes fonctions LNA, MPA et mélangeur.Le candidat interviendra dans toutes les étapes du développement de ces modules de la manièresuivante :Il participera à la fabrication technologique en salle blanche des composants.La caractérisation statique et hyperfréquence ainsi que la modélisation des composants serontréalisées en étroite collaboration avec le laboratoire XLIM à Limoges.Enfin, il effectuera la conception des différentes fonctions en se basant sur les modèlesdéveloppés.Les spécifications des composants en bande Ka suivront le cahier des charges de Thalèscommunication avec lesquels nous sommes en interaction. Les retombées militaires potentielles sont lessuivantes :Ce projet répond aux besoins à court terme de la DGA concernant la réalisation de composants etcircuits haute fréquence, large bande et de forte puissance en mesure de résister à des températures trèsélevées, aux environnements agressifs et aux fortes radiations. Les principales applications visées oupotentielles sont :- Les amplificateurs de forte puissance à haut rendement en bande Ka.- Les commutateurs à faibles pertes et à forte isolation pouvant contribuer à la réalisationd’échantillonneurs-bloqueurs ultra-large bande, à très haute dynamique et à forte linéarité(ENOB > 10 bits à 10 GHz) ou celle d’amplificateurs classe F en régime de commutation avecdes rendements > 50% à 10 GHz ou encore à la réalisation de convertisseurs analogiques-3 F. Medjdoub et al, “Demonstration of low leakage current and high polarization in ultrathin AlN/GaN high electronmobility transistors grown on silicon substrate” Applied Phys. Letters 98, 223502, 20114 F. Medjdoub et al, “Highly stable Low Noise / High Power AlN/GaN-on-Silicon Double Heterostructure HEMTs operatingat 40 GHz” Accepted in Proc. of IEEE IRPS, 201356

numériques ou DC-DC à très haute performance en terme de dynamique, de rapidité et derésolution.- Des modulateurs/démodulateurs vectoriels à haute linéarité jusqu’en gamme millimétrique avecconversion directe.- Enfin, ces composants sont capables de supporter des tensions grille-source supérieures à 50 V,ce qui les rend peu sensibles aux agressions EM et permet la réalisation de LNA robustes deprotection de chaîne de réception vu le faible niveau de facteur de bruit de cette filière (NF ≤ 1dB à 18 GHz).57

Titre : Micro-source d'énergie en topologie 3D pour réseau de type Body Area NetworkFinancement prévu : contrat doctoralCofinancement éventuel :(Co) Directeur de thèse : Nathalie ROLLANDE-mail : nathalie.rolland@univ-lille1.frCo-directeur de thèse :E-mail :Laboratoire : IEMN / PhLAM / IRCICAGroupe de recherche : CSAM – Groupe photoniqueDescriptif :Un domaine prometteur pour le déploiement des réseaux de capteurs concerne les applications touchantles communications centrées autours de l'homme et de son corps. Ce type de réseau, appelé BAN (BodyArea Network), vise à interconnecter sur ou autour (voire dans) le corps humain des nœuds (composésprincipalement d'un ou plusieurs capteurs, d'une microcontrôleur, d'un émetteur / récepteur et d'uneunité de stockage d'énergie). Les domaines d'application couvrent tant les domaines civils (santé,premiers secours, divertissement, intelligence ambiante) que militaires. La consommation de ces nœudsest extrêmement réduite mais la durée de vie doit être grande (à terme plusieurs dizaines d'années)notamment si les capteurs sont implantés dans le corps humain (suivi de constantes vitales, pacemaker,…).Afin d'obtenir de telles durées de vie, la conception de la source d'énergie doit être particulièrementsoignée. Dans ce cadre, le développement de micro-sources d'énergie intégrée en topologie 3D est unesolution très prometteuse. Le candidat travaillera plus particulièrement sur le développement etl'intégration de supercapacités miniatures intégrées, écologiques et éventuellement biocompatibles. Ilutilisera les moyens de synthèse des matériaux de l'IEMN en salle blanche et les compétences enchimie en solution du PhLAM. Les matériaux développés seront caractérisés (MEB, TEM, DRX, BET,…) avant leur intégration en une topologie 3D. Les prototypes fabriqués seront testés dans des réseauxréels.Le doctorant acquerra des compétences en microfabrication (salle blanche et chimie en solution) ainsiqu'en caractérisation physiques et électriques.Abstract :58

Titre : Géo-localisation de capteurs enfouis pour détection d’anomalies d’infrastructuresFinancement prévu : contrats doctorauxCofinancement éventuel :(Co) Directeur de thèse : Christophe LOYEZE-mail : Christophe.loyez@iemn.univ-lille1.frCo-directeur de thèse : Nathalie ROLLANDE-mail : Nathalie.rolland@iemn.univ-lille1.frLaboratoire : IEMNGroupe de recherche : CSAMDescriptif :Aujourd’hui, les systèmes de localisation connaissent un effort considérable. Les systèmes de type GPSoffrent une qualité de services suffisante pour grande nombre d’applications liées aux transports maisne fournissent pas un niveau de service de localisation suffisant, que ce soit en termes de précision oude temps de calcul en milieu confiné (indoor, capteurs enfouis,…). L’objectif est de développer unesolution de localisation adaptée pour localiser des capteurs enfouis destinés à la détection desdéfaillances des infrastructures et des bâtiments (fuites de canalisation, fissures…)Une solution possible est de s’appuyer sur l’existence de fibres optiques multimodes préinstallées dansla plupart des bâtiments. Il est possible d’utiliser ces fibres pour réaliser un système de géo-localisationstéréoscopique de grande précision (5 cm). Ce sujet conjugue les domaines de l’optique et desradiofréquences et nécessite des développements d’architectures matérielles et d’algorithmes de calculde localisation. Une contrainte importante est de réaliser un système très sensible, capable d’exploiterdes signaux de faible puissance reçue afin de pouvoir localiser les capteurs enfouis émettant dessignaux ZigBee et pouvant ainsi répondre aux nouvelles applications des réseaux de capteurs.Abstract :The geo-localisation systems become more and more convenient for a growing number of applications.Transport and mobile applications are managed by based-GPS solutions which are the most popular ofoutdoor geo-localization systems. Nevertheless, these attractive solutions exhibit poor performance inindoor environment. Alternative systems are currently investigated by the scientific community toachieve fast and accurate indoor localisation systems. To meet the whole demand, the most appropriategeo-localisation system seems to be the one which will not require additional infrastructures or whichwill be based on the existing as much as possible. In this way, the aim of the thesis we propose is toreach these requirements by using a radio over Multimode Fibre (MMF) topology: in fact, most of themodern buildings are fitted with multimode fibres devoted to Ethernet transmissions between differentservers and hosts. These fibres can be used to achieve a very convenient geo-localization solutionwhich enables to provide location accuracy up to 5cm using narrowband signals such as Zigbee signals.The main advantage of this system is to be able to operate using very weak signals. By the way, this59

kind of distributed system is very suitable to address future applications related to geo-localisation ofburied sensors in industrial environments.60

Titre : Capacité, bruits impulsifs et énergie dans les réseaux de capteurs.Financement prévu : contrat doctoralCofinancement éventuel : -Directeur de thèse : Laurent CLAVIERE-mail : laurent.clavier@iemn.univ-lille1.euLaboratoire : IEMN / IRCICAGroupe de recherche : CSAMDescriptif :Les réseaux de capteurs, le M2M, l’Internet des objets, la 5G, la radio cognitive radio représentent deschangements radicaux dans les réseaux de Télécommunication... Les objets sont amenés à avoir de plusen plus d’autonomie, qu’elle soit décisionnelle ou énergétique. Cependant, pour faire les bons choixtechnologiques et optimiser la réutilisation spatiale des ressources, de nouvelles approches sontindispensables pour le traitement de l’information. Mais plusieurs questions se posent :A-t-on une la modélisation réaliste de l’environnement, et en particulier de l’interférence ? Denombreux travaux, en particulier basés sur de la géométrie stochastique, convergent vers uneinterférence que l’on peut modéliser par des distributions à queue lourde, en particulier lesdistributions alpha-stables [1,2,3].Que devient la capacité du canal ? Ce problème n’a pour l’instant été que très peu étudié [2,4,5]et seul [6] a réellement abordé la configuration optimale de la source qui permet d’obtenir lacapacité. Et comment envisager des communications robustes et qui s’adaptent aux conditionschangeantes de transmission ?Comment prendre en compte l’énergie des nœuds dans le dimensionnement ou la capacité desréseaux. Quelques rares travaux commencent à explorer cette piste en s’intéressant enparticulier aux techniques de récupération d’énergie pour trouver des techniques maximisant laquantité d’information transmise [7,8] mais le champ est encore largement inexploré.Cette thèse s’intéressera donc à cette évolution des réseaux de communications et aux solutions pours’adapter aux contraintes de plus en plus fortes de l’interférence et de l’énergie.Abstract :Sensor networks, M2M, Internet of Things, cognitive radio are radical changes in Telecommunicationnetworks. Nodes will have more and more autonomy, for decision making or from an energy point ofview. However, to make the right technological choices and make an efficient reuse of the spatialresource, new approaches are to be proposed for information processing. Several questions howeverremain:Do we have a realistic model for the environment and; especially, interference? Several works,especially those based on stochastic geometry, converge towards a heavy tailed model, as thealpha-stable [1,2,3].61

What about the channel capacity? This question has rarely been studied [2,4,5] and only [6]proposes a real study on the optimal source configuration that allows to reach the capacity. Andthen how to define robust communication strategies that adapt to changing environments.How to take into account the nodes available energy in the dimensioning or capacity if thenetworks. Some rare works try to tackle the problem with harvested energy to maximise thetransmitted information quantity [7,8] but many works remain.This PhD is about networks evolution and solutions to adapt to the strong interference and energyconstraints.References :[1] P. Pinto and M. Win, “Communication in a poisson field of interferers–part I: Interferencedistribution and error probability,” IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 9, no. 7, pp. 2176–2186, Jul.2010.[2] ——, “Communication in a poisson field of interferers-part II: Channel capacity and interferencespectrum,” IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 9, no. 7, pp. 2187–2195, Jul. 2010.[3] A. Rabbachin, T. Quek, H. Shin, and M. Win, “Cognitive network interference,” IEEE J. Select.Areas Commun., vol. 29, no. 2, pp. 480–493, Feb. 2011.[4] H. BenMâad, A. Goupil, L. Clavier, and G. Gelle, “Asymptotic performance of ldpc codes inimpulsive non-gaussian channel,” in IEEE International Workshop on Signal Processing Advancesin Wireless Communications (SPAWC 2010), 2010.[5] J. Wang, E. Kuruoglu, and T. Zhou, “Alpha-stable channel capacity,” IEEE Commun. Lett., vol. 15,no. 10, pp. 1107–1109, Oct. 2011.[6] J. Fahs and I. Abou-Faycal, “On the capacity of additivewhite alpha-stable noise channels,” in ISIT,2012.[7] R. Rasjeh, V. Sharma, and P.Viswanath, “Information capacity of an energy harvesting sensornode,” Submitted to IEEE Trans. Inform. Theory., arXiv:1212.3177, 2012.[8] K. Tutuncuoglu and A. Yener, “Optimum transmission policies for battery limited energyharvesting nodes,” IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 3, no. 3, Mar. 2012.62

Titre : Micro-source d’énergie intelligente combinant matériel et logiciel pour réseau de capteurs sansfils autonomes (électronique nomade)Financement prévu : contrat doctoralCofinancement éventuel :(Co) Directeur de thèse : Laurent CLAVIERE-mail : laurent.clavier@univ-lille1.frCo-directeur de thèse :E-mail :Laboratoire : IEMN / LIFL / IRCICAGroupe de recherche : CSAM – 2XSDescriptif :Les réseaux autonomes sans fils interconnectant des objets divers (téléphones, ordinateurs, tablettes,capteurs, …) se développent extrêmement rapidement que ce soit pour des applications grand public(domotique, réseau dans les voitures, …) ou pour des applications industrielles (surveillance debâtiments ou des réseaux d'eau/gaz/électricité, étiquettes RFID intelligentes, …). La durée de vie de cesréseaux est fortement réduite du fait de la faible autonomie des nœuds. Afin de rendre énergétiquementautonomes les nœuds de l'électronique nomade, il est nécessaire de leur adjoindre une micro-sourced'énergie.Cette thèse propose d'étudier des solutions simples et innovantes pour la gestion de l'énergie dans unnœud de communication. L'originalité de l'approche proposée ici est la prise en compte des besoinsénergétiques du logiciel, du matériel et du routage de l'information. À partir d'une analyse préalable dela consommation d'un nœud dans différents scénarios (lecture des capteurs, traitement des données,envoi de ces données, routage d'informations, …), la micro-source en cours de développement àl'IRCICA sera améliorée pour prendre en compte les besoins énergétiques immédiats et futurs proches.Cela permettra de privilégier un type de micro-stockage (micro-batterie, supercapacité) afin dediminuer la consommation globale et ainsi augmenter la durée de vie du nœud. Les aspects logicielsd'analyse et de commande de la micro-source de stockage sera aussi prise en compte.Le doctorant acquerra de nombreuses compétences en logiciel embarqué, en électronique et plusgénéralement en réseaux de communication sans fil autonomes.Abstract :63

Titre : Architectures de transmetteurs numériques configurables basés sur des modulateurs delta-sigmaentrelacésFinancement prévu : RégionCofinancement éventuel : STMicroelectronics(Co) Directeur de thèse : Andreas KAISERE-mail : andreas.kaiser@isen.frCo-directeur de thèse :E-mail :Laboratoire : IEMNGroupe de recherche : MicroElecSiDescriptif :Dans le contexte actuel, la forte intégration requise dans les systèmes de communication nécessited’étudier des systèmes « Configurable Radio-on-Chip », permettant de transmettre et recevoir desdonnées sur n’importe quel standard, défini par une couche logicielle additionnelle. Cet objectifnécessite de concevoir de nouvelles architectures de transmission basées principalement sur desfonctions numériques et de lever les verrous associés à ces nouvelles architectures. Des architectures detransmetteurs numériques basés sur des modulateurs delta-sigma ont été proposées récemment dans lalittérature. Cependant, ces modulateurs delta-sigma nécessitent des fréquences d’échantillonnage trèsélevées afin de générer le signal RF et impliquent donc des consommations non négligeables. De plus,ces structures sont entièrement conçues « à la main » jusqu’au transistor élémentaire. Afin de réduire lecoût, la consommation et d’augmenter la flexibilité, l’objectif de ce sujet de thèse est de démontrer lapotentialité d’architectures incluant un entrelacement temporel des modulateurs delta-sigma(fonctionnant donc à des cadences et tensions d’alimentation plus faibles). Le travail de thèse seconcentre sur l’étude de l’architecture, la levée des verrous associés et la démonstration despotentialités sur plateforme FPGA dans un premier temps, puis en concevant un ou plusieurs circuitsdédiés dans des technologies CMOS très avancées, telles que le 28nm FDSOI.Abstract :Today’s communication systems require a high level of integration and necessitate studyingconfigurable radio-on-chip, that are able to communicate over different standards, defined by anadditional software layer. New transmitter architectures mostly based on digital functions have to bedesigned and associated bottlenecks to be overcome. Digital transmitter architectures based on deltasigmamodulators have been recently proposed in the literature. However, oversampled delta-sigmamodulators require very high sample rates to generate RF signals, and thus imply high powerconsumption. Moreover, these structures are custom-made down to the elementary transistor. In orderto reduce cost, consumption and increase flexibility, this PhD subject proposes to demonstrate thepotentiality of delta-sigma-based architectures including time-interleaving to run the digital core atlower speed and voltage. This subject focuses on architecture study, innovative solutions to overcome64

the many challenges, demonstration of the concept, at first on an FPGA platform, then by designing oneor several dedicated integrated circuits in advanced CMOS technologies, such as 28nm FDSOI.65

Titre : Cassures simple-brin et double-brin de l’adn radioinduites : des mecanismes chimio-physiques ala dormance tumoraleFinancement prévu : bourse PresidentCofinancement éventuel : bourse Region(Co) Directeur de thèse : Fabrizio CLERIE-mail : fabrizio.cleri@univ-lille1.frCo-directeur de thèse : Corinne ABBADIEE-mail : corinne.abbadie@ibl.frLaboratoire : IEMN / IBLGroupe de recherche : Physique / Equipe Cancers EpitheliauxDescriptif :Les cassures double-brin (DSB) de l’ADN sont parmi les dommages plus toxiques, car elles menacentl’intégrité du génome. Les rayonnements ionisants sont les principaux responsables pour la formationde DSBs, à la fois par ionisation directe, ou par génération d’espèces réactives d’oxygène. D’autre part,les cassures simple-brin (SSB) sont des dommages mutagènes principalement issus du stress oxydant,mais, du fait qu’elles sont facilement réparées, leur potentiel dans la genèse tumorale n’a pas étésouvent considéré. Le team de IBL étudie activement les cassures d’ADN rencontrées dans différenttypes de cellules humaines en culture, dans le contexte de la sénescence cellulaire et des procèsoxydants. Le team IEMN travaille sur les cassures d’ADN induites par rayonnements ionisants, par lebiais d’études théoriques et de tests micromécaniques sur des faisceaux d’ADN irradiés. Les deuxobjectifs de cette thèse seront donc : (1) la caractérisation par des expériences de biologie cellulaire, dutype et fraction de SSB/DSB dans des cultures cellulaires irradiées, en conditions représentatives de larégion dite de « pénombre » dans une irradiation thérapeutique ; (2) l’analyse par des modélisationsphysiques, de l’origine et de la probabilité de formation des différents types de cassures d’ADN. Cesdeux parties seront réalisées respectivement à l’IBL et à l’IEMN, l’étudiant pouvant ainsi établir uneétroite collaboration entre les deux groupes de recherche.Abstract :DNA double-strand breaks (DSB) are recognized as the most toxic DNA lesion since they threaten thegenome integrity. Ionizing radiations are major inducers of DSB, either by direct ionization, or bygeneration of reactive oxygen species. On the other hand, DNA single-strand breaks (SSB) are a majormutagenic damage resulting from oxidative stress. However, since they are rapidly repaired, theirpotential involvement in tumorigenesis has not been often considered. The IBL Team is activelystudying the DNA breaks encountered in different human cells types in culture, in the context of cellsenescence and oxidative processes. The IEMN Team is working on DNA breaks produced by ionizingradiations, by both theoretical studies, and micromechanical tests on irradiated DNA bundles. The twomain objectives of the Thesis will be: (1) to characterize, by cell biology experiments, the type andextent of DNA damage in cell cultures irradiated under conditions representing the penumbral area of atherapeutic radiation beam, and (2) to understand, by physical theory and modelling, the microscopic66

origin and formation probability of the different types of damage. The two parts of the work will berealized, respectively, in the IBL and IEMN laboratories, where the candidate will establish a closecooperation between the research teams.67

Titre : Etude des propriétés élastiques d’objets de basse dimensionnalité par acoustique picosecondeFinancement prévu :Cofinancement éventuel :(Co) Directeur de thèse : Arnaud DEVOSE-mail : Arnaud.Devos@isen.frCo-directeur de thèse :E-mail :Laboratoire : IEMNGroupe de recherche : PhysiqueDescriptif :L’acoustique picoseconde utilise des impulsions laser ultracourtes pour générer et détecter des ondesacoustiques de très haute fréquence (typiquement au delà de 100 GHz). Elle réalise en quelque sorte unSONAR à l’échelle submicronique qui convient bien à l’étude des propriétés élastiques des couchesminces et des nano-objets.Nous proposons d’employer cette technique pour explorer les propriétés élastiques d’objets dedifférente dimensionnalité, c’est à dire des objets 2D, 1D et 0D correspondant respectivement à desmembranes suspendues, des nanofils et des boîtes quantiques. Les objets seront réalisés par voietechnologique principalement à partir de substrat SOI. Nous nous concentrerons sur l’impact de ladimension de l’objet sur ses propriétés élastiques et thermiques.Abstract :In Ultrafast acoustics one uses ultrashort optical pulses for generating and detecting ultra highfrequency acoustic waves (usually higher than 100 GHz). In other words, this technique implements aSONAR at the submicronic scale which suits very well the mechanical characterization of thin filmsand nanoscale objects.In this subject, we propose to use the ultrafast acoustic technique for probing the elastic properties ofvarious nanoscale object whose dimensionality varies from 2D to 0D. From the concrete point of viewthe studied objects will be ultra-thin membrane, nanowires and quantum dots which will be made usingtechnological facilities of the lab and SOI substrates.68

Titre : Etude de semiconducteurs III-V non-stoechiométriques pour l’échantillonnage de signauxhyperfréquencesFinancement prévu : DGACofinancement éventuel : INSIS(Co) Directeur de thèse : Bruno GRANDIDIERE-mail : bruno.grandidier@isen.frCo-directeur de thèse : Xavier WALLARTE-mail : xavier.wallart@iemn.univ-lille1.frLaboratoire : IEMNGroupe de recherche : Physique/EPIPHYDescriptif :Le GaAs épitaxié à basse température (GaAs-BT) est un semiconducteur non-stoechiométrique qui estproduit par épitaxie par jets moléculaires à des températures de croissance inférieures aux températureshabituellement utilisées pour la croissance du GaAs. Il a été montré que ce matériau pouvait être utilisépour la réalisation de photocommutateurs commutant en des temps inférieurs à la picoseconde. Cecipermet l’échantillonnage de signaux hyperfréquences et présente un intérêt direct pour les applicationsde défense (guerre électronique), où des solutions hybrides électriques-optiques sont activementrecherchées, en particulier par des partenaires industriels de la DGA comme Thalès SystèmesAéroportés. Le composant est en général un photoconducteur à structure interdigitée planaire, maisl’IEMN a récemment breveté et démontré une structure verticale plus efficace utilisant des résonnancesde Fabry-Pérot.Dans les deux cas, les propriétés du matériau GaAs-BT sont essentielles pour l’obtention deperformances compatibles avec les applications. Bien que ce matériau ait été découvert et étudié àpartir des années 90, la reproductibilité des épitaxies a été pendant longtemps un problème récurrent.Toutefois son utilisation s’est répandue dans un bon nombre de laboratoire pour la génération et ladétection de signaux térahertz, sans toutefois réel transfert vers l’industrie. En conséquence aucuneétude du vieillissement du matériau sur des périodes longues n’a été effectuée et publiée. Aujourd’huiles techniques de croissance sont mieux maîtrisées et les moyens de caractérisation des matériaux, dontnous disposons, ont gagné en précision à la fois spatiale et temporelle. Il semble donc opportun demener une étude poussée et complète du GaAs-BT, pour optimiser ses propriétés électroniques,comprendre les mécanismes de vieillissement et rendre son utilisation plus fiable dans les applications.Nanowire properties are often dominated by their surfaces, and scanning tunneling spectroscopy willprovide key information on these aspects, including surface composition, reconstruction, and bandgap,that might also reflect the bulk properties of the nanowires, when the sidewalls of the nanowires arepassivated. Detailed information of the nanowire surfaces will be relevant to understand the atomisticprocesses that may occur on the sidewalls during the growth and will benefit to the formation of abruptinterfaces in core-shell structures.69

Aussi, le sujet de cette thèse porte sur la réalisation de couches épitaxiales de GaAs-BT, l’étude de leurspropriétés et de leurs éventuelles dégradations au cours du temps. Les différents thèmes aspects abordésseront :- une partie consacrée à la croissance par épitaxie par jets moléculaires des couches GaAs-BT grâce aubâti de l’IEMN qui a été optimisé pour la croissance à basse température.- une partie développement instrumental pour pouvoir combiner des expériences de microscopie à effettunnel et de transport avec un laser délivrant des impulsions femtosecondes. Elle s’intègre dans leprojet Equipex Excelsior, qui a pour objectif de coupler les techniques de champ proche avec laspectroscopie optique résolue en temps.- une partie caractérisation physique des couches de GaAs-BT et de leurs interfaces pour différentesconditions de croissance et de vieillissement.- une partie modélisation de la dynamique des porteurs en fonction des défauts caractérisés dans lematériau.A terme cette étude doit conduire à un meilleur contrôle des propriétés opto-électroniques des couchesGaAs-BT et de leur dégradation dans le temps en vue d’une application industrielle de ce matériau.70

Titre : Exploring the electronic structure and transport properties of nanowire heterostructuresFinancement prévu : Marie-Curie FellowshipCofinancement éventuel :(Co) Directeur de thèse : Bruno GRANDIDIERE-mail : bruno.grandidier@isen.frCo-directeur de thèse :E-mail :Laboratoire : IEMNGroupe de recherche : PhysiqueDescriptif :Accurate characterization of semiconductor nanowires and reliable measurements of their electricalperformances, either in a stand-alone configuration or when they are inserted in a device structure, arecritical for advances in the understanding of their physical properties and progresses in manufacturingof next-generation nanodevices. To address these issues, a PhD student will be involved in the study ofsemiconductor nanowires with single and multiple probe scanning tunneling microscopy in ultra highvacuum at variable temperatures.Nanowire properties are often dominated by their surfaces, and scanning tunneling spectroscopy willprovide key information on these aspects, including surface composition, reconstruction, and bandgap,that might also reflect the bulk properties of the nanowires, when the sidewalls of the nanowires arepassivated. Detailed information of the nanowire surfaces will be relevant to understand the atomisticprocesses that may occur on the sidewalls during the growth and will benefit to the formation of abruptinterfaces in core-shell structures.For electrical transport measurement, the PhD student will use a multiprobe Scanning TunnelingMicroscope (STM) that enable the arbitrary positioning of four probes on complex heterostructurednanowires. Such a setup should help in improving the contact formation between nanowires andelectrodes. It will also give valuable information about the dynamics of charge carriers inheterostructured nanowires, leading to novel insights into the separation and collection of carriers innanowire devices.Apply for this position : http://physique.iemn.univ-lille1.fr/index.php?id=442&L=1Eligibility Criteria : Be, at the time of recruitment by the host organisation, in the first 2 years(full-time equivalent) of their research careers and have not yet been awarded a doctoral degree. At thetime of recruitment by the host organisation, must not have resided or carried out their main activity(work, studies, etc) in the country of their host organisation for more than 12 months in the 3 yearsimmediately prior to the reference date.71

Titre : Film de Graphène comme séparateur entre des particules et un film métallique : étude théoriqueet expérimentale des propriétés plasmoniquesFinancement prévu :Cofinancement éventuel :(Co) Directeur de thèse : Abdellatif AKJOUJE-mail : abdellatif.akjouj@univ-lille1.frCo-directeur de thèse : Gaëtan LEVEQUEE-mail : gaetan.leveque@univ-lille1.frLaboratoire : Institut d’électronique, de microélectronique et de NanotechnologiesGroupe de recherche : Ephoni, groupe de PhysiqueDescriptif :Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’une collaboration récemment entamée entre le groupe Ephoni del’IEMN, l’Institut de Recherche Interdisciplinaire (IRI) de Lille 1, le Laboratoire de Nanotechnologie etd’Instrumentation Optique (LNIO) de Troyes et le Laboratoire de Recherche en Nanosciences (LRN)de Reims. Elle porte sur l’utilisation de monocouches de graphène comme couche séparatriced'épaisseur sub-nanométrique dans un système de nanoparticules métalliques déposées sur un filmmince également métallique, dans le but de développer des capteurs à haute sensibilité pour la détectionde très faibles variations d’indice de réfraction. Ces systèmes présentent des modes plasmon de surfacedont la longueur d'onde de résonance change de plusieurs nanomètres quand la distance film-particulesest modifiée de quelques angströms seulement. Comparés aux méthodes de dépôts de type ALD ou deSAMs, les monocouches de graphène (d'épaisseur 0.34 nm) permettent de protéger de l’oxydation desmatériaux à faibles pertes optiques comme l’argent, et leurs propriétés optiques peuvent être contrôléespar dopage ou modification de leur état de surface.Il s’agira donc au cours de cette thèse d’étudier l’aspect fondamental de l’interaction du graphène avecdes structures plasmoniques et de concevoir des structures optimisées en termes de sensibilité à unevariation d’indice de réfraction. Elle sera réalisée dans le groupe Ephoni, qui possède déjà une bonneexpérience dans le domaine des capteurs bio-plasmoniques. Il s’agira dans un premier temps d’étudierdes films métalliques recouverts d’une ou plusieurs couches de graphène et de mettre en évidencel’influence de l’environnement du graphène sur son indice de réfraction, celui-ci pouvant être modifiéen présence d’un conducteur par déplacement du niveau de Fermi du graphène. Les courbes dedispersion des modes plasmons de surface des différents substrats modélisés seront comparées auxmesures expérimentales et permettront de remonter à l’indice de réfraction du graphène. Dans undeuxième temps, il s’agira de comprendre et optimiser théoriquement le couplage entre les substratsmétalliques modifiés par le graphène avec un système de particules métalliques isolées ou arrangées enréseau périodique. L’étudiant cherchera essentiellement à mettre en évidence les différents modes deplasmon de surface par des calculs de spectres d’extinction ou d’absorption. Les systèmes à base degraphène seront comparés à des substrats de références comportant des couches séparatricesdiélectriques. Enfin, il étudiera la sensibilité des différents modes obtenus par rapport à un changement72

d’indice de réfraction du milieu de détection. En fonction de l’avancement du projet, l’étudiant pourraégalement participer à la réalisation expérimentale des substrats plasmoniques (IEMN et IRI), ainsiqu’à leur caractérisation optique (LNIO et LRN).73

Titre : Cristaux phononiques hypersoniques accordables à base de matériaux hybrides(organique/inorganique)Financement prévu : Bourse président en demandeCofinancement éventuel :(Co) Directeur de thèse : Yan PENNECE-mail : yan.pennec@univ-lille1.frCo-directeur de thèse : Bahram DJAFARI-ROUHANIE-mail : bahram.djafari-rouhani@univ-lille1.frLaboratoire : IEMNGroupe de recherche : EPHONI/PhysiqueDescriptif :Les cristaux phononiques représentent une nouvelle classe de matériaux permettant la manipulation desondes acoustiques. Ces analogues mécaniques des cristaux photoniques sont définis par une modulationpériodique dans l’espace de leur densité et de leurs constantes élastiques. Les cristaux phononiquesdonnent lieu à des propriétés physiques uniques comme la formation de bandes interdites absolues, leguidage, le filtrage, la réfraction négative, la super-résolution… Les avancées technologiques récentesont permis la fabrication de matériaux périodiques à des tailles inférieures au micron et de ce fait à desfréquences hypersoniques ouvrant des applications importantes dans le domaine destélécommunications.Le sujet de thèse porte sur un nouveau type de cristaux phononiques constitués par un arrangementpériodique de stries formées à la surface d’une membrane ou d’un substrat semi-infini. Nous proposonsd’étudier par simulation numérique les propriétés de tels cristaux phononiques à base de matériauxhybrides organique/inorganique. Il s’agit de comprendre l’effet des paramètres physiques (nature desmatériaux) et géométriques (largeur, hauteur et forme des stries) sur la dispersion et la transmission desondes élastiques, à la fois perpendiculairement et parallèlement à la périodicité du cristal, et explorer lespropriétés d’accordabilité de ces structures.Le travail théorique développé à Lille se fera en étroite collaboration avec l’équipe du Pr. Shu Yang(université de Pennsylvanie) pour la préparation des échantillons et l’équipe du Pr. George Fytas (MaxPlanck à Mainz) pour les caractérisations expérimentales, notamment par diffusion de la lumière. Lessimulations numériques seront faites sur la base de méthodes que nous avons développées (élémentsfinis (FEM), différences finies (FDTD), ondes planes (PWE)).Abstract :This proposal seeks to study theoretically and numerically a new range of one-dimensional (1D)vertically aligned hypersonic (gigahertz, GHz) phononic crystals from polymers and hybrid materials.The work will be conducted in collaboration with experimental groups at the Univ. of Pennsylvania andMax Planck Institute at Mainz. We will carry out the first systematic study of the hypersonic phononicdispersion of these 1D crystals as a function of their structures, including periodicity, orientation(vertical vs. parallel to the substrate), aspect ratio, and defects, material elasticity (hard inorganics vs.74

soft polymers and low molar mass liquids), and choice of substrate materials at our disposal. Further,we will explore the combination of 1D multilayer and two-dimensional (2D) lattices as an analogue ofa 3D phononic crystal, which may offer more possibilities in engineering of the band structures.75

Titre : Phases quantiques non conventionnelles dans des réseaux de nanocristaux de semiconducteursNon-conventional quantum phases in superlattices of semiconductor nanocrystals.Financement prévu : UniversitéCofinancement éventuel :Directeur de thèse : Christophe DELERUEE-mail : christophe.delerue@isen.frLaboratoire : IEMNGroupe de recherche : PhysiqueDescriptif :Ce projet porte sur l’étude théoriquepar des approches analytiques ounumériques de phases quantiques nonconventionnelles des électrons dansdes réseaux bidimensionnels denanocristaux de semiconducteurs. Cesréseaux sont synthétisés par l’équipe de Daniel Vanmaekelbergh (Debye Institute, université d’Utrecht,Pays-Bas) avec qui nous collaborons. Suivant les conditions de synthèse, des réseaux rectangulaires ouen nid d’abeille (voir figure) peuvent être formés par auto-assemblage des nanocristaux. Les réseaux ennid d’abeille présentent de nombreuses analogies avec le graphène qui a suscité un fort intérêt cesdernières années. Des calculs préliminaires que nous venons d’effectuer prédisent l’existence de phasesquantiques originales (isolant topologique, effet Hall Quantique de Spin), en particulier quand lessemiconducteurs présentent un fort couplage spin-orbite. Mais la plupart des propriétés restentinexplorées à ce jour. Ces phases quantiques pourraient être exploitées pour une électronique (de spin)originale.Abstract :The objective of the thesis is to study theoretically using analytic or numerical approaches the physicsof non-conventional quantum phases of electrons in bi-dimensional superlattices of semiconductornanocrystals. These networks are synthesized by the group of Daniel Vanmaekelberg, Debye Institute,Utrecht University (Holland). Depending on the experimental conditions, superlattices with rectangularor honeycomb lattices (figure) can be synthesized by self-assembling of the nanocrystals. Honeycombsuperlattices of nanocrystals present great analogies with graphene which recently receive very highattention. Preliminary calculations from our group predict the existence of original quantum phases(topological insulator, Quantum Spin Hall effect), in particular when the semiconductor arecharacterized by a strong spin-orbit coupling. But most of these properties are still unexplored. Thesequantum phases could be exploited to make original (spin) electronic devices.76

Titre : Energy harvesting with micro and nanofluidics systemsFinancement prévu :Cofinancement éventuel :(Co) Directeur de thèse : Vincent SENEZE-mail : Vincent.Senez@isen.iemn.univ-lille1.frCo-directeur de thèse :E-mail :Laboratoire : IEMNGroupe de recherche : BioMEMS (http://biomems.iemn.univ-lille1.fr)Descriptif :L’évolution de l’activité autour des réseaux de capteurs ainsi que la miniaturisation des systèmesélectroniques permettent aujourd’hui d’amorcer la conception de systèmes capables de subvenir à leursbesoins énergétiques. En effet, les faibles niveaux de puissances nécessaires à l’alimentation de cessystèmes (de l’ordre de la centaine de microwatts) sont en accords avec les niveaux de puissancesgénérés par les systèmes de récupération d’énergie. Le remplacement des sources d’énergie épuisables(type batterie) par des systèmes embarquant leur propre récupérateur d’énergie capables de lesréapprovisionner présente un intérêt certain.Objectifs :Très récemment, le potentiel des systèmes microfluidiques pour la génération d’énergie électrique a étémontré. Les systèmes fluidiques sur puces sont arrivés à un tel niveau de maturité qu’ils trouventdésormais leur place dans l’industrie biomédicale et se distinguent par leur faible coût de production.Le groupe BioMEMS focalise sa recherche sur la compréhension et la manipulation de fluides àl’échelle micro et nano. Le but de la thèse est de concevoir et réaliser un prototype capable de rivaliseravec les récupérateurs d’énergie à l’état de l’art.Abstract :Design and fabrication of self-powered sensing systems is a growing research field driven bydevelopments in wireless sensor networks and the constant improvement in microelectronic fabricationtechniques. Harvested energy level now match needs to power microsystems (around 100 μW). Since inan ambient intelligence context, objects (like sensors) don’t require to be constantly active, suchsources could provide enough energy to avoid the need for an energy storage unit. Till now, most ofenergy harvesters are base on photovoltaics . One can find other kind of systems relying on either theconversion of kinetic energy (for instance, piezoelectricity) or thermal phenomena (thermoelectricity).Recently, microsystems able to generate power from liquid displacement have been demonstrated. Thiskind of transduction could be advantageous in several environments. For example, a sensor networkwich would be dedicated to monitor water quality of urban water systems or rivers. This networkpowered by the liquid motion itself, could continuously survey and sends data to efficiently warnauthorities in case of water pollution.77

Objectives :The BioMEMS group focuses on understanding and manipulating fluids at micro and nanoscale.Expertise in microfluidics and surface structuring will be a strong basis to initiate this new researchfield for the group. The goal of this PhD thesis is to design and fabricate a prototype able to competewith state of the art energy harvesters.78

Titre : Surface Polymère Electro-Active Texturée Anti-BiofilmFinancement prévu : DGACofinancement éventuel : Université de Lille 1(Co) Directeur de thèse : Vincent SENEZE-mail : vincent.senez@isen.frCo-directeur de thèse : George MALLIARASE-mail : malliaras@esme.frLaboratoire : IEMNGroupe de recherche : BioMEMSDescriptif :La contamination de surface synthétique par des organismes biologiques apporte des complications demise en œuvre variées suivant le milieu naturel dans lequel elle se produit (organisme vivant, milieumarin, etc...) [1-3]. La mise au point de stratégies permettant de réduire voire de supprimer cettecontamination se heurte à plusieurs difficultés : i) diversité des contaminations, ii) adaptabilité descontaminants et iii) innocuité sur le milieu d’essai. La réponse n’est pas unique et doit intégrer desaspects chimique et physique dynamiques. Parmi les nombreuses stratégies actuellement étudiées, lesapproches dites ‘physique’ ont l’avantage de minimiser voir supprimer leur empreinte sur le milieunaturel où elles sont mises en œuvre [4-9]. Deux approches sont actuellement investiguées par lacommunauté scientifique : i) la texturation dans le but de créer et de maintenir une couche d’air tamponentre le volume du matériau synthétique solide et l’environnement naturel liquide (majoritairementcomposé d’eau) [10-13] et ii) la modulation de l’énergie de surface et de la texturation du matériausolide dans le but de faire varier continument les conditions d’adhésion des contaminants [14-16].[1] Banerjee et al., Adv. Mater. (2011), 23, 690–718 ; [2] Bixler et al., Phil. Trans. R. Soc. A (2012)370, 2381–2417 ; [3] Lejars et al., Chem. Rev. (2012), 112, 4347-4390 ; [4] Baier et al., J Mater Sci-Mater M (2006) 17, 1057-1062 ; [5] Carman et al., Biofouling (2006) 22, 11-21 ; [6] Callow et al.,Biofouling (2002) 18, 237-245 ; [7] Schumacher al., Biofouling (2007) 23, 307-317 ; [8] Henoch et al.,3rd AIAA Flow Control Conference (2006), 3192 ; [9] Lee et al., Langmuir (2009) 25, 12812–12818 ;[10] Barthlott et al., Adv. Mater. (2010), 22, 2325–2328 ; [11] Vinogradova et al., J. Phys. Condens.Matter, (2011), 23, 184104-6 ; [12] Feuillebois et al., Phys. Rev. Lett. (2009), 102, 026001; [13]Belyaev et al., Phys. Rev. Lett., (2011), 107, 098301; [14] Sun et al., Chem. Soc. Rev., (2011), 40,2909–2921; [15] Chen et al., J. Am. Chem. Soc. (2009), 131, 10467–10472; [16] Yu et al., RSCAdvances, (2011), 1, 262–269.Abstract :Fouling of a synthetic surface by biological organisms limits the use and performances of devicesdepending on the environment (i.e.: underwater, human body, etc …). Developing anti foulingstrategies to reduce or suppress this fouling faces several challenges: i) diversity of contamination, ii)79

adaptability of contaminants and iii) low fingerprint for the environment. A unique solution does notexist and has to integrate both dynamic chemical and physical aspects. Among the various strategiesunder study, ‘physical’ approaches have the great advantage to lower and hopefully suppress theirfingerprint on the environment where they are carried out. In this project, we are interested in twoaspects: i) texturing of the surface in order to create and maintain an air buffer layer between the bulksolid material and the liquid environment (water based) and ii) modulating dynamically the surfaceenergy of the solid material in order to induce continuous change of the adhesion conditions of thecontaminants.80

Titre : Textile multifonctionnel nanostructuré : application aux équipements de protection individuelle.Multi-functionnal nanostructured textile fibers : Application to individual protection equipment.Financement prévu : Région Nord-Pas-de-CalaisCofinancement éventuel : groupe ISA/ISEN/HEI(Co) Directeur de thèse : Vincent SENEZE-mail : Vincent.Senez@isen.iemn.univ-lille1.frCo-directeur de thèse :E-mail :Laboratoire : IEMNGroupe de recherche : BioMEMSDescriptif :L’objectif de ce travail de thèse est de concevoir un filament polymérique nanostructuré dansl’épaisseur permettant d’une part de moduler les propriétés de transport de chaleur et/ou de masse (i.e. :fluide) par effet photonique (i.e. du visible au proche infrarouge) et d’autre part de moduler lespropriétés optiques par effets thermique et/ou hygrométrique. Cet effet réversible sera obtenu par unempilement de couches d’épaisseur nanométrique de différents polymères dont certains présenterontune constante diélectrique dépendant des conditions thermique et hygrométrique et les autres uneconductivité thermique et/ou une perméabilité dépendant de l’éclairement. On crée ainsi une fibreintelligente qui peut servir de capteur (i.e. : on détecte un changement de propriété optique révélateurd’une variation de température ou de quantité de liquide dans la fibre) et d’actionneur (i.e. : l’actiond’un rayonnement électromagnétique module le transport de chaleur et/ou de liquide). Les propriétés decette fibre seront évaluées dans le cadre du développement d’équipement de protection individuelle (ex.: équipement des sapeurs-pompiers) visant à améliorer le confort (i.e. : chaleur intense pouvantprovoquer des brûlures) de leurs utilisateurs. Dans cette application, la fibre est utilisée commeactionneur. Une autre application serait d’évaluer leurs propriétés dans le cadre d’applicationsmédicales (i.e. : pansement intelligent) permettant de connaître l’état d’une plaie par simple observationde la couleur du pansement. On utilise alors ici ces fibres comme capteur.Abstract :Integrated electronic has been largely developed for over 50 years, but its major limitation is its rigid,fragile and expensive substrate. Among the solutions that emerged to expand the application ranges,textile appears as a promising material through the development of smart textiles. Combining textiletechnologies and electronics is now considered to develop new applications such as medical,construction (eg integration of sensor network), the civil security (eg fire-fighting equipment), textilescreens, the self-cleaning textiles, etc.. In this work we are particularly interested in the realization ofsmart textile using textiles fibers containing additional functions. It involves the use of fibersincorporating one or more active polymers, capable of modifying their size and / or physical propertiesunder the effect of temperature, moisture / water and light. The objective is thus the design, realizationand characterization of a nanostructured polymeric filament that allows, in one hand, to modulate the81

properties of heat transfer and / or mass (ie: fluid) by photonic effect (ie the visible to near infrared) andin the other hand, to modulate the optical properties by thermal and / or humidity effects. This creates afiber that can serve as smart sensor (optical property change indicative of a temperature or quantity ofliquid modification in the fiber) and actuator (electromagnetic radiation modulates the transport of heatand / or liquid). The properties of this fiber will be evaluated in the context of the development ofpersonal protective equipment (e.g. equipment firefighters), in particular to improve its welfare (intenseheat may cause burns).82

Titre : Nanoelectronics and microfluidics for DNA computationFinancement prévu :Cofinancement éventuel :(Co) Directeur de thèse : Vincent SENEZE-mail : Vincent.Senez@isen.iemn.univ-lille1.frCo-directeur de thèse :E-mail :Laboratoire : IEMNGroupe de recherche : BioMEMSDescriptif :De récentes avancées dans le domaine de la nano-biotechnologie ont démontrées qu’il était possibled’utiliser des molécules d’ADN pour faire des calculs [1-3]. En particulier, l’approche développée parnos collaborateurs Y. Rondelez et al. à l’université de Tokyo [4-5] utilisant trois enzymes et des brinsd’ADN permet de faire des systèmes dynamiques d’une grande robustesse. Cependant, les techniquesactuelles pour lire les résultats des calculs et donner des instructions à l’ordinateur ADN ainsi produitne permettent pas de complexifier ce dernier.Cette thèse vise donc à utiliser des techniques de nano-fabrications, de microfluidique et d’électroniqueafin de réaliser une interface permettant de contrôler l’ordinateur ADN électriquement.Abstract :Life possesses a remarkable ability to perform complex computation while relying on networks ofintertwined chemical reactions. Replicating this ability is of major importance in fields ranging fromunconventional computation to biosensors and smart autonomous systems to cite just a few. UsingDNA itself for computation can be traced back to the seminal paper by Adelman [1] which illustratedthe power of the massively parallel processing of information permitted by DNA by attempting to solveNP-complete system. Since then, several other approaches have been developed [2-3]. The most recentDNA computing framework was developed by Rondelez et al. [4-5] and relies on a combination ofshort DNA strands and enzyme to create dynamical system which can be used for computation.This project will aim at lifting current scientific and technological barriers which prevent the realizationof a programmable DNA computer. We will develop and test novel nano-sensors and actuators tointeract with the DNA computer and fabricate a microfluidic platform able to integrate this variouselements and to manage the liquid function required to perform complex calculation using DNA.1. Adleman, L. (1994). Science, 266(5187), 1021–1024.2. Zhang, D. Y., & Seelig, G. (2011). Nature chemistry, 3(2), 103–13.3. Seelig, G., Soloveichik, D., Zhang, D. Y., Winfree, E. (2006) Science, 314(5805), 15854. Montagne, K., Plasson, R., Sakai, Y., Fujii, T., Rondelez, Y. (2011). 7(466), 466.5. Padirac A, Fujii T, Rondelez Y. (2012) PNAS 20;109(47):E3212-20.83

Titre : Dynamique non-linéaire dans les structures lasers à cascade quantique.Financement prévu : Contrat doctoralCofinancement éventuel :(Co) Directeur de thèse : Jean-Luc THOBELE-mail : Jean-Luc Thobel@iemn.univ-lille1.frCo-directeur de thèse :E-mail :Laboratoire : IEMNGroupe de recherche : SilphydeDescriptif :Les lasers à cascade quantique (LCQ) sont désormais incontournables comme sources compactesémettant dans l’infra-rouge et au térahertz. Ils utilisent les transitions entre niveaux électroniquesquantifiés d’une hétérostructure (alternance de couches minces de semi-conducteurs différents, formantune succession de puits et de barrières de potentiel). L’hétérostructure de base est en fait répliquée àl’identique un grand nombre de fois, de sorte que pour une polarisation adéquate, les électronstraversent la structure d’étage en étage (effet de cascade), émettant un photon par étage. Ce mécanismen’est cependant effectif que pour un alignement assez précis des niveaux électroniques correspondant àune gamme limitée de potentiel, d’où des caractéristiques courant-potentiel fortement non-linéairesavec des zones de résistance différentielle négative. Cela induit des effets d’inhomogénéités spatiales :création et propagation de « domaines de charge d’espace ». Si sur le principe ces effets sont bienconnus et ont des analogues dans de nombreux systèmes non-linéaires, ils n’ont pratiquement pas étéétudiés pour les lasers à cascade quantique. En effet, leur modélisation nécessite de se passer del’hypothèse essentielle de la périodicité idéale du laser en fonctionnement et donc de considérer nonplus un seul étage mais les quelques centaines que contient le LCQ. L’étude de ces phénomènes estnéanmoins essentielle, ne serait-ce que pour décrire valablement le fonctionnement réel des composantset interpréter les données expérimentales. Mais, bien au delà, cela doit permettre de mettre en évidenceet d’étudier une grande variété de phénomènes non-linéaires. Comme dans le cas, similaire mais plussimple, des super-réseaux on peut s’attendre à observer, entre autres: comportements multistables,effets d’hystérésis, oscillations spontanées, comportement chaotique, auxquels il faut ajouter les effetsspécifiquement liés au couplage électron-photon.Le but de cette thèse est de développer un modèle numérique des lasers à cascade quantique, quis’affranchisse de l’hypothèse de la périodicité idéale afin de traiter les inhomogénéités spatiales et leseffets non-linéaires associés. Pour cela on s’appuiera sur les logiciels développés depuis près de 10 ansau sein du groupe Silphyde et en collaboration avec nos partenaires (Université de Sétif, Universitétechnique de Varsovie) : La modélisation Monte Carlo , complète et lourde numériquement, permet devalider diverses versions des « équations de bilan ». Ces dernières étant beaucoup plus simples, il estpossible d’en associer un grand nombre, afin de décrire les N étages de la structure. Une tâcheimportante et délicate sera de paramétrer judicieusement les différents coefficients intervenant dans ces84

équations. Le modèle sera testé et confronté à des résultats expérimentaux en relation avec nospartenaires. Il s’agira ensuite de l’exploiter pour définir les conditions d’apparition des phénomènes liésaux domaines de charges, d’interpréter les résultats à l’aide des outils théoriques de la « physique nonlinéaire » et d’explorer les possibles applications.Abstract :Nonlinear dynamics in Quantum Cascade LasersThe aim of this project is to develop a global modeling tool of Quantum Cascade Lasers (QCLs)emitting in mid infrared and terahertz range, accounting for spatial inhomogeneities. This will allow usto describe the rich variety of non linear effects related to the possible formation of localized orpropagating charge domains. The major difficulty is that it requires going beyond the almostuniversally used approximation that a QCL structure is ideally periodic. That means that one has toconsider all the hundred of stages constituting the cascade structure, a very difficult task. For a fewyears, the Silphyde group and our partners in Sétif and Warsaw have developed models of QCLs:Monte Carlo simulators, which are rigorous but heavy and allow us to validate simpler “balanceequations” approaches. This latter technique provides a good starting point for the proposed study. Acrucial task will be parametrizing the numerous coefficients (with help of Monte Carlo calculations andtheory/experiment comparisons). Then a systematic study of space-charge-domain related phenomenawill be undertaken and the results will be discussed in the framework of nonlinear theory.85

Titre : Etude et fabrication de détecteur RF à base de graphèneFinancement prévu :Cofinancement éventuel :(Co) Directeur de thèse : Sylvain BOLLAERTE-mail : sylvain.bollaert@iemn.univ-lille1.frLaboratoire : IEMNGroupe de recherche : ANODEDescriptif :Le graphène est un matériau semiconducteur 2D qui suscite un grand intérêt pour les applications del'électronique. En particulier ses propriétés de transport sont les plus élevées de tout lessemiconducteurs, avec une mobilité de 100 000cm 2 /Vs. Ces excellentes propriétés de transport en fontun candidat intéressant pour les applications RF. Enfin, le matériau graphène présente un comportementambipolaire. Ce comportement peut être exploité dans les dispositifs non-linéaires, l'ambipolaritéconférant à la caractéristique I(V) une forte non-linéarité. Cette non-linéarité a été exploitée dans ledéveloppement de mélangeurs RF utilisant un transistor à effet de champ (GFET) [1]. Une autreapplication non-linéraire peut être exploitée: les détecteurs RF. La non-linéarité d'un canal de FET a étéexploitée pour la détection d'ondes THz en large bande (mélangeur résistif [2]) voire en détectionrésonnante [3]. Toutefois, la détection résonnante n'a été observée qu'à température cryogénique pourles matériaux semiconducteurs classiques et la forte mobilité du graphène pourrait permettre ce type dedétection à température ambiante. Nous proposons d'explorer les potentialités du graphène pour ladétection de signaux RF. Des détecteurs à GFET intégrant une antenne de couplage seront fabriqués.Enfin, la structure 2D confère au graphène des propriétés de flexibilité qui peut être reporté sur substratsouple à faible permitivité plus propice au couplage électromagnétique.Abstract:Graphene is a 2D semiconductor material of great interest for electronic applications. Especially itstransport properties are the highest of all semiconductors, with a mobility of 100 000cm2/Vs. Theseexcellent transport properties make it an interesting candidate for RF applications. Finally, the materialgraphene has ambipolar behavior. This behavior can be exploited in non-linear devices, theambipolarité giving to the I(V) characteristic a strong non-linearity. This nonlinearity has beenexploited in the development of RF mixers using a field effect transistor (GFET) [1]. Anotherapplication of non-linear can be exploited: RF detectors. The non-linearity of Silicon or III-V channelFET has been exploited for the detection of THz broadband (resistive mixer [2]) or in resonantdetection [3]. However, the resonant detection was observed at cryogenic temperature for conventionalsemiconductor materials and the high mobility of graphene could allow this type of detection at roomtemperature. We propose to explore the potential of graphene for the detection of RF signals. GFETdetectors incorporating an antenna to increase the coupling with the RF-wave will be manufactured.Finally, the 2D structure gives to graphene properties of flexibility. Graphene can be transferred on aflexible substrate with low permittivity more favorable to the electromagnetic coupling.86

[1] H. Wang et al., IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, VOL. 30, NO. 5, MAY 2009 547[2] E. Öjefors el al., IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 44, NO. 7, JULY 2009[3] A. SHCHEPETOV A. et al.,Appl. Phys. Lett., 92, 24 (2008) 242105-1-387

Titre : Photomélangeur distribué pour la génération d'ondes TerahertzHighly Distributed Photomixer for Terahertz Waves GenerationFinancement prévu : ANRCofinancement éventuel :(Co) Directeur de thèse : Jean-François LAMPINE-mail : jean-francois.lampin@isen.iemn.univ-lille1.frCo-directeur de thèse :E-mail :Laboratoire : IEMN UMR8520Groupe de recherche : Photonique TerahertzDescriptif :Un grand nombre d'espèces chimiques ont des raies d'absorption se situant dans la gamme desfréquences térahertz (THz), ce qui en fait une gamme spectrale très intéressante pour la spectroscopiemoléculaire appliquée à l'étude de la terre, et des sciences de l'univers. En dépit de ce grand intérêtscientifique, le domaine THz reste l'une des bandes de fréquences les moins utilisées. On parle mêmede "gap THz" en raison de l'absence de sources et de détecteurs à faible coût, compacts et fiables parrapport aux deux gammes de fréquences adjacentes, à savoir les micro-ondes et les ondes optiques, quis'appuient respectivement sur l'efficacité de l'électronique et de la photonique. Au cours des dernièresannées, de nouveaux développements ont été réalisés, motivés par l'émergence de nouvellesapplications telles que l'imagerie médicale ou pour la sécurité, l'étude de l'ADN, voire d'analyse depeintures anciennes.L'une des sources THz les plus prometteuses, fonctionnant en régime continue et à températureambiante, est basée sur la photodétection du battement de fréquence générée par la superpositionspatiale de deux lasers infrarouges. Le photomélange consiste à faire une transposition de fréquences enpartant des fréquences très élevées (~ 300 THz) des lasers infrarouges pour aller vers des fréquencesplus basses, de l'ordre de 1 THz. Cela confère au photomélange un caractère intrinsèquement largebande. De plus, les source basées sur le photomélange sont potentiellement compactes grâce àl'utilisation de diodes lasers et d'amplificateurs à semi-conducteurs mais souffrent d'un manque depuissance générée, environ 10 µW à 1 THz. La puissance de sortie est en effet limitée par le compromisentre la taille réduite du photo-détecteur afin de réduire au minimum sa capacité électrique et lephotocourant nécessaire pour générer une puissance THz élevée. La densité de photocourant est donc lefacteur clé pour améliorer la puissance de sortie. Les meilleurs photomixers présentent desphotocourants atteignant environ 200 kA/cm 2 , ce qui est seulement dix fois inférieurs à ceux obtenussur les meilleurs dispositifs électroniques alors qu'ils ne sont pas pompés optiquement. Un nouveautype de photomélangeur est donc nécessaire afin d'atteindre le milliwatt jusqu'à 1 THzDans cette thèse, une nouvelle architecture de photomixer sera étudiée afin de développer une sourcecontinue, large bande, ayant un niveau de puissance de sortie de l'ordre de 10 mW à 300 GHz et 1 mWà 1 THz. Ce photomixer sera basé sur un photoconducteur hautement distribué (PHD) qui générera une88

puissance de l'ordre du mW jusqu'à 1 THz, ce qui est inaccessible avec des photodétecteurs àillumination verticale ou même avec les photodétecteurs distribués standard. Un photodétecteur de 1mm de long permettra d'absorber jusqu'à 1 W de puissance optique, ce qui est dix fois plus élevé queles photodétecteurs actuels fonctionnant au THz. Un photodétecteur de cette longueur fonctionnantefficacement jusqu'à 1 THz est réalisable grâce à l'utilisation d'un guide optique diélectrique légèrementcouplé à un matériau photoconducteur absorbant et dont le mode fondamental à une vitesse depropagation égale à la vitesse de propagation du mode fondamental d'un guide d'ondes THz à faibleperte . Celui-ci est constitué d'un guide coplanaire (CPW) reposant sur une membrane formée par lematériau photoconducteur. Les rubans métalliques de la CPW déposés sur le matériau photoconducteurservent à la fois de guide d'ondes THz et d'électrodes de polarisation du photoconducteur. Unepuissance de sortie en régime continu de l'ordre de 10 mW à 300 GHz et 1 mW à 1 THz est attendueavec ce photomélangeur.Abstract :A large number of chemical species have absorption lines lying in the Terahertz frequency range,which is thus a very interesting spectral range for molecular spectroscopy applied to earth, planetary,and space science. In spite of this great scientific interest, the THz range still remains one of the lessused spectral band. It is indeed called the THz gap because of the lack of low cost, compact and reliablesources and detectors as compared to its two adjacent frequency ranges, i.e. the microwave and theoptical waves, which rely respectively on the efficiency of the photonics and electronics technology.During the last years, new developments have been made, motivated by the emergence of newapplications such as security or medical imaging, DNA study or even painting analysis.One of the most promising THz continuous-wave (CW) sources working at room temperature is basedon the photodetection of the beating frequency generated by two spatially overlapped infrared lasers. Itis the so called photomixing THz source. This down converting between very high frequency (~300THz) infrared lasers is intrinsically wideband and is potentially compact thanks to the use ofsemiconductor laser diodes and amplifiers but suffer from a lack of power, around 10 µW at 1 THz.The output power is indeed limited by the trade-off between the small size of the photodetector used inorder to minimize its electrical capacitance and the photocurrent needed in order to generate a highoutput power. The photocurrent density is thus the key factor to generate high THz power. The bestphotomixers exhibit photocurrents reaching 200 kA/cm 2 which is only ten times lower than the bestelectronics devices, whereas they are not optically pumped. A new type of photomixer is required inorder to break this trade-off and allow to reach the milliwatt level at 1 THz.In this thesis, a new architecture of photomixers will be studied in order to develop a wideband andpowerful photomixing source. It is based on a highly distributed photoconductor (HDP). The HDP,through its highly distributed nature (i.e a length reaching a few THz wavelengths), will offer bothhigh-frequency and high-power operation unreachable with vertically illuminated photodetectors orstandard distributed photodetectors. A photodetector length reaching 1 mm will allow to absorb up to 1W of optical power, a value at least ten times higher than that used in the current high frequencyphotodetectors. An efficient generation on a 1-mm-long photodetector up to the THz frequencies isachievable thanks to the use of a dielectric optical guide slightly coupled to a photoconductiveabsorbing material and velocity matched with a low loss THz coplanar waveguide (CPW) on amembrane formed by the photoconductive material. The metallic stripes of the CPW patterned on thephotoconductive material serve in the same time as guide of the THz wave and as bias electrodes of the89

photoconductor. An output power of around 10 mW at 300 GHz and 1 mW at 1 THz is expected withsuch a wide band CW THz source.90

Titre : Microscopie champ proche aux fréquences térahertzFinancement prévu : INSIS ou Université Lille1Cofinancement éventuel : Région Nord-Pas de Calais(Co) Directeur de thèse : Jean-François LAMPINE-mail : jean-francois.lampin@isen.iemn.univ-lille1.frCo-directeur de thèse :E-mail :Laboratoire : IEMN UMR8520Groupe de recherche : Photonique TerahertzDescriptif :La diminution des dimensions des composants microélectroniques a été la base de l’industrie dessemiconducteurs depuis environ 40 ans. Aujourd’hui, de nouveaux procédés permettent la fabricationde nano-objets aux formes et aux propriétées variées. Le développement de méthodes de mesuresprécises des dimensions, des compositions et des propriétés électriques à l’échelle nanométriquedevient essentiel pour les nanosciences et le développement de futurs nano-composants.La microscopie en champ proche dans les gammes de fréquence infra-rouge et térahertz (THz) est unetechnique émergente qui présente des caractéristiques intéressantes pour la caractérisation de nanoobjetset de nanostructures. Cette gamme de fréquences électromagnétiques interagit fortement avec lamatière via les vibrations/rotations moléculaires, les phonons, les oscillations plasma. Ces interactionssont des sources de contraste intéressantes caractéristiques de matériaux et de propriétés électriques.Les instruments standards ne donnent des informations que sur des échelles de dimensions de quelquesdizaines ou centaines de micromètres, la microscopie en champ proche permet en théorie de réaliser desimages à l’échelle de quelques nanomètres.Le but de la thèse est de développer et d’améliorer un tel microscope champ proche THz. Cedéveloppement concernera les sources, les sondes et les détecteurs. Les paramètres importants àaméliorer seront le rapport signal/bruit et l’accordabilité. Des démonstrations seront faites sur deséchantillons types. Ce travail nécessitera d’effectuer des simulations, du développement expérimental etdes étapes technologiques en salle blanche.Ce sujet de thèse s’effectuera dans le cadre de la plateforme Equipex EXCELSIOR.Abstract :Scaling of microelectronic device dimensions has been the basis of the semiconductor industry fornearly 40 years. Today new process allows the fabrication of nano-objects of various forms andproperties. The development of new accurate dimensions, composition and electric propertiesmeasuring methods becomes essential for nanosciences and the creation of future nano-devices.The near-field microscopy in the infra-red and THz frequency range is an emerging technique whichdemonstrates interesting characteristics for the characterization of nano-objects and nanostructures.This electromagnetic frequency range interacts strongly with matter via molecular vibrations/rotations,91

phonons, plasma oscillations. These interactions produce characteristic material and electricalproperties contrast. Standard instruments give informations only at the micrometer scale, while nearfieldallows to image at the nanometer scale in theory.The goal of this thesis is to develop and improve such a near-field THz microscope. This developmentwill concern sources, probes and detectors. The important parameters that will be improved will be thesignal/noise ratio and the tunability. Demonstrations will be done on typical samples. This work willneed simulations, experimental development and technological steps in clean room.This thesis will be done in the framework of the Equipex EXCELSIOR platform.92

Titre : Memristors organiques pour architectures de calcul neuro-inspiréesFinancement prévu :Cofinancement éventuel :(Co) Directeur de thèse : Kamal LMIMOUNIE-mail : kamal.lmimouni@iemn.univ-lille1.frCo-directeur de thèse :E-mail :Laboratoire : IEMNGroupe de recherche : Nanostructures & Composants Moléculaires (NCM)Descriptif :Les Memristors sont des composants dans lesquels la conductance varie en fonction des sollicitationsantérieures dans les processus de transmission du signal. Ils combinent de ce fait les propriétés deconduction et de mémorisation. Bien que le concept théorique de ces composants ait été connu depuisles années 70 (1), le domaine connaît un développement important depuis 2008 suite à ladémonstration de ce comportement memristif dans des films minces d'oxydes métalliques (2). Diversesapplications sont envisageables en nanoélectronique, comme composants logiques pour le calcul ouencore dans les nouvelles architectures de calcul bio-inspirées. Ils se comportent en plus comme dessynapses artificielles.Notre équipe NCM (Nanostructures et Composants Moléculaires) à l’IEMN a proposé et démontré leconcept de synapstor (synapse-transistor) organique en 2010 (3). Ce dispositif, qui imite le comportantdynamique d’une synapse biologique a été utilisé dans la réalisation de circuits neuro-inspiré (4). Ilappartient également à la famille des memristors. Toutefois, mixant une fonction transistor et mémoire,sa configuration « 3 électrodes » et sa fabrication limitent ses performances, et il est souhaitable dedévelopper des structures plus simples. Le projet proposé dans ce sujet de thèse est l'exploration denouveaux composants de types mémristors organiques. L'élément actif sera basé sur des polymèresconducteurs/semiconducteurs ioniques (e.g. PEDOT :PSS etc…) dont les propriétés de conduction vontchanger en fonction du nombre de porteurs de charges (dopage ionique) et leur répartition entre lesélectrodes de contact (zones dopées et non dopées). Les composants pourront être réalisés aussi biensur des substrats solides que sur des supports flexibles pour des applications en électronique souple. Unpremier travail consistera à élucider le comportement physique des mémristors à base de polymèresconducteurs ioniques, d'étudier les cinétiques de variation de la conductivité dans le processusd'apprentissage et d'en étudier les performances ainsi que la robustesse pour des applications dans lesréseaux matériels de neurones (où les mémristors joueront le rôle des synapses). La réalisation d'unsystème ou prototype constitué d'un nombre limité de mémristors organiques fera l'objet de la deuxièmepartie de ce travail de thèse avec le souci de miniaturisation (échelles nanométriques) pour mettre enévidence la possibilité d'intégration d'un grand nombre de composants à l'image des réseaux deneurones. Pour cela, des techniques d'assemblage moléculaire seront préférées pour la réalisation des93

zones actives des mémristors organiques à l'instar des autres techniques déjà utilisées dans la littératureen électronique organique et moléculaire (Langmuir Blodgett, auto-assemblage,...).Ce projet de thèse s'articulera donc aussi bien autour des aspects technologiques des mémristorsorganiques, de l'architecture et des applications qu'autour de la compréhension physique et lamodélisation de ce type de systèmes. Il bénéficiera de l'environnement de l'équipe NCM déjà investiedans des projets autour du développement de composants organiques et non organiques pour desapplications en bio-électronique ou en architectures de calcul bio-inspirées.Ce projet se déroulera en collaboration avec le département de bioélectronique organique du CPM-Gardanne (EMSE). Des résultats préliminaires encourageant ont été récemment obtenus.1. L.O. Chua, IEEE Trans on Circuit Theory 18, 507 (1971).2. D.M. Strukov et al., Nature, 453(7191), 80 (2008).3. F. Alibart et al. Adv. Func. Mater. 20, 330 (2010) ; F. Alibart et al., Adv. Func. Mater. 22, 609(2012).4. O. Bichler et al., Neural Computation 25(2), 549 (2013).94