Journée Dispositifs Térahertz : simulations, réalisations et applications

le vendredi 24 mars 2017 au Laboratoire Central de l’IEMN, Villeneuve d’Ascq

THZ Near-Field Microscopy (Equipex ExCELSior)

La thématique « térahertz » est pour nombre d’entre nous au cœur de nos activités. Cependant, ce mot-clef recouvre des thèmes très variés relevant parfois de cultures différentes (Pour ne citer qu’un exemple emblématique, ce domaine peut être approché aussi bien avec les outils de l’électronique que de la photonique).

Les lasers à cascade quantique ont permis des succès remarquables pour couvrir le gap térahertz. Cependant, la réalisation de sources compactes et puissantes fonctionnant à température ambiante reste un challenge et les sources électroniques constituent une alternative sérieuse.
Aussi, pour faire un tour d’horizon de l’actualité de cette thématique au sein du laboratoire et plus largement dans la communauté, un journée thématique sur les différentes activités de simulation, mais aussi sur les travaux expérimentaux et technologiques est organisée . Outre les sources et détecteurs, les dispositifs et applications les plus variées seront envisagés.
Programme de la journée :
  • 8h45. Accueil. Introduction
  • 9h00. Abdelouahab Hamadou (LESIMS, Sétif ) « Modélisation des dispositifs à base de lasers à cascade quantique pour l’émission térahertz à température ambiante »
  • 9h55. Christophe Palermo (IES, Montpellier) « Modélisation et simulation numérique des composants électroniques pour le térahertz, sources et détecteurs »
  • 10h50. Pause
  • 11h05. Alain Maestrini (LERMA, Observatoire de Paris) : « Electronique THz pour l’observation de l’Univers à très haute résolution spectrale – missions actuelles et perspectives»
  • 12h00. Pause
  • 13h20. Emilien Peytavit (IEMN) « Génération et Détection d’ondes THz par voie Optoélectronique: Potentiel et limites »
  • 14h00. Guillaume Ducournau et Mohamed Zaknoune (IEMN) « Composants et Télécoms sans fils THz »
  • 14h40.  S. Venkatachalam, G. Ducournau, J.-F. Lampin, D. Hourlier (IEMN) « Blackglass materials for THz applications»
  • 15h00. Pause
  • 15h15. Christophe Dalle (IEMN) « Modélisation d’oscillateur THz à diode Gunn GaN distribuée »
  • 15h35. Tahsin Akalin (IEMN) « Mesures sous pointes jusqu’à 750GHz de lignes de Goubau planaires et résultats expérimentaux sur les métasurfaces et les antennes Terahertz »
  • 15h55. Ludovic Burgnies, Eric Lheurette (IEMN) « Textiles métamatériaux pour les spectres millimétrique et térahertz »
  • 16h15. Nicolas Fernez (IEMN) « Métasurfaces absorbantes désordonnées à 200 GHz » 16h35 Tomas Horak, Oleksandr Stepanenko : « Effets non-réciproques aux fréquences THz»
  • 16h55. Clôture

Pour tout renseignement complémentaire :
Jean-Luc.Thobel@iemn.univ-lille1.fr

SON ET LUMIÈRE 2017, Combiner son et lumière à l’échelle des nanos

du 17 avril au 28 avril 2017 aux Houches

Durant presque 2 semaines se retrouveront jeunes chercheurs et experts issus de différents domaines qu’il s’agisse d’acoustique, d’optique, d’opto-mécanique, de nanothermique. Tous ont en commun de s’intéresser aux phénomènes physiques mêlant phonon et photon à l’échelle nanométrique.
Cette école internationale s’adresse aux jeunes chercheurs, ingénieurs, doctorants et post-doctorants. C’est une formation doctorale. Elle est également soutenue par le CNRS au titre de la formation continue.

Le programme de l’école est construit pour d’abord offrir un savoir de base dispensé par les plus grands noms du domaine : H.J. Maris, B. Perrin, D.G. Cahill, G. Fytas, C.K. Sun, E. Weig, etc… L’accent est également mis sur les applications les plus récentes en lien avec ces sujets, domaines de recherche émergents et applications industrielles des techniques expérimentales.

Comité scientifique :

  • Natalia Del Fatti, Université Lyon 1, France
  • Barham Djafari-Rouhani, Université de Lille, France
  • Alexandro Fainstein, Centro Atomicho Bariloche, Argentina
  • Vitaly Gusev, Université du Maine, France
  • Antony Kent, University of Nottingham, United Kingdom
  • Humphrey Maris, Brown University, USA
  • Adnen Mlayah, CNRS- Université Paul Sabatier, Toulouse, France
  • Bernard Perrin, INSP Univ Pierre et Marie Curie, France
  • Pascal Ruello, Université du Maine, France
  • Alexey Sherbakov, Ioffe Institute, St.Petersbourg, Russie
  • Clivia Sotomayor-Torres, Université de Barcelone, Espagne
  • Chi Khuang. Sun, National Taiwan University, Taipei, Taiwan
  • Eva Weig, Konstanz University, Allemagne
  • Oliver Wright, University of Sapporo, Japon
  • Arnaud Devos, IEMN, Lille, France

Comité d’organisation :

  • A. Devos, Institut d’Electronique, de Microelectronique et de Nanotechnologie, Lille, France
  • C. Rossignol, Institut de Mecanique et d’Ingenierie, Bordeaux, France
  • P.-A. Mante, Lund University, Lund, Sweden
  • S. Bossut, Institut d’Electronique, de Microelectronique et de Nanotechnologie, Lille, France

Public(s) ciblé(s) :

  • Prioritairement : Les doctorants et post-doctorants, des jeunes chercheurs et des ingénieurs, débutant dans des activités de recherche en relation avec l’une des thématiques de l’école. Notons que de nombreuses équipes de recherche travaillent en France dans le domaine de l’acoustique picoseconde, la nanothermique, l’optomécanique. Cette activité est également très forte dans d’autres pays européens dont l’Allemagne.

Les dispositifs pour la santé développés au CEA-LETI

Vendredi 3 mars 2017 à 15h30, dans l’amphithéâtre du LCI.

Dans le cadre des séminaires du département MNMB, Nicolas Verplanck, project manager au CEA-LETI, viendra présenter les dispositifs pour la santé développés au CEA-LETI

*Le séminaire sera en français.

Les ondes térahertz au secours de l’Internet sans fil

Malgré l’extension du réseau 4G, l’Internet sans fil a encore besoin de nombreuses innovations pour atteindre les mêmes débits que les fibres optiques. Une équipe internationale, basée notamment à l’Institut d’Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie, a montré que les ondes dans les environs des fréquences térahertz pouvaient prendre le relais des réseaux câblés. Ces travaux sont publiés dans Nature Photonics.

© IEMN (A. Duchêne) – Visuel qui illustre le composant principal, à savoir le composant qui permet de « passer » du monde des fibres optiques (en bas à gauche) au monde des térahertz (la spirale) pour les télécoms (petites formes en haut à droite).

En 2018, Internet représentera plus de 130 milliards de milliards d’octets de données échangés par mois. Comme la majeure partie de cette croissance est attendue sur les canaux sans fil, les infrastructures de transport ultra haut débit doivent considérablement évoluer. Cela demande des composants plus rapides, car la hausse du débit ne sera absorbée qu’avec une montée en fréquence des ondes vers le début de la bande THz (entre 220 et 350 GHz). Des chercheurs de l’Institut d’électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (IEMN, CNRS/Université Lille-1/ISEN Lille/Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis/École centrale de Lille) ont pu mettre en place un premier démonstrateur, sur la base de dispositifs optoélectroniques qui transforment les signaux des fibres optiques en signaux radio.

Ces démonstrations utilisent des composants optoélectroniques qui réalisent un «?photomélange?». Dans ce procédé, deux lasers sont envoyés sur une même photodiode, qui les transforme en un signal qui correspond à la différence de leurs longueurs d’onde. Cela convertit des signaux optiques de l’ordre de la centaine de THz, typiques des fibres optiques, en un signal radio autour de 300 GHz. À l’IEMN, un débit de 32 Gbit/s en mode sans fil a été transmis sur plusieurs dizaines de mètres grâce à une fréquence d’environ 400 GHz. Ces fréquences permettent un très bon compromis entre les capacités des composants et l’atténuation des ondes dans l’air, ce qui permettra à terme d’atteindre la portée requise pour un usage urbain. Cette étape permet d’avancer vers les prochains défis : une vitesse de transfert supérieure à 100 Gbit/s et des transmissions sur plus d’un kilomètre.

La technologie associée à ces travaux a été développée grâce au réseau des grandes centrales de technologie RENATECH, à l’aide des laboratoires PhLAM et IRCICA et au soutien des programmes ANR COM’TONIQ, les Equipex FLUX, Excelsior et le CPER Photonics for society.

Références :

Advances in terahertz communications accelerated by photonics,
T. Nagatsuma, G. Ducournau and C.C. Renaud
Nature Photonics – 10, 371-379 (2016)
DOI: 10.1038/NPHOTON.2016.65

Contacts chercheurs :
Guillaume Ducournau – IEMN
Contact communication INSIS :
insis.communication@cnrs.fr

Productions, activités et usages des « Nanos » : Les conditions de la confiance

Vendredi 10 mars, le Lilliad Learning Center Innovation de Villeneuve d’Ascq (situé sur le campus Cité Scientifique à Villeneuve-d’Ascq au sein de la Métropole Européenne de Lille) accueillera la journée NanoLille.

Cette journée de discussion s’adresse à tous les acteurs engagés dans les nanotechnologies ou intéressés par leurs développements et leurs implications sociales et économiques. Elle vise à fournir un état des lieux particulièrement informé des connaissances disponibles et des lacunes dans chacun des domaines concernés par le développement des nanomatériaux et nanotechnologies, et à promouvoir une réflexion collective apte à baliser les prérequis d’un développement durable et responsable de ces nouvelles technologies.

Programme, tarifs et inscription : http://www.nanoresp.fr/evenements/nano-lille/

Contact : forum@nanoresp.fr

Les organisateurs

Le Forum NanoRESP (www.nanoresp.fr) est une dynamique de dialogue multi-acteurs (industriels, académiques, associatifs, pouvoirs publics) sur les nanotechnologies initiée en 2013. Soutenu par une alliance public-privé, il permet de développer une vigilance coopérative à propos des controverses et de rechercher les pratiques responsables en régime d’incertitude.

Le projet Nanoscoope (http://nanoscoope.iemn.univ-lille1.fr/) est un projet chercheurs-citoyens financé par la Région Hauts-de-France. Il organise depuis 2013 des ateliers de concertation multi-acteurs et transdisciplinaires autour des différents enjeux du développement des nanotechnologies. Nanoscoope s’est associé à d’autres partenaires pour organiser cet événement du 10 mars, qui en constitue la clôture sous cette forme.

Le Laboratoire national de métrologie et d’essais (LNE, http://www.lne.fr/), établissement public à caractère industriel et commercial (EPIC), est le laboratoire national de référence, pour l’industrie, en matière de mesures (métrologie). Il est rattaché au ministère de l’industrie.

La Direction générale des entreprises (DGE) du ministère de l’économie, de l’industrie et du numérique (http://www.entreprises.gouv.fr/) a pour mission de développer la compétitivité et la croissance des entreprises de l’industrie et des services, notamment par le soutien et la diffusion de l’innovation dans un objectif de croissance durable et d’emploi.

Séminaire : Nanostructuration at two scales in III V semiconductors to control both electronic states and photonic states: photonic crystal quantum cascade laser

04 april At 11h00 – Amphiteather IEMN-LCI Villeneuve d’Ascq
Dr. Romain Peretti, IEMN

On one hand, periodically repeated change of refractive index at the wavelength scale known as photonic crystal (PhC) affects the motion of photons in much the same way that ionic lattices affect electrons in solids. This means photons now can be depicted by Bloch modes and the well know band diagram to describe their motion in the material. Such PhC when unidimensional can be used for instance as antireflective coating when the 2 dimensional counterpart is used in solar cells or micro laser.

 

On the other hand, periodically repeated stack of semiconductor multiple quantum well heterostructures allows achieving intersuband transition in III-V semiconductors. This idea was first proposed in R.F. Kazarinov and R.A. Suris in 1971 with in mind the idea of creating a new kind of laser. Such quantum cascade laser (QCL) where then demonstrated by Faist et al. in 1994. QCLs are unipolar and laser emission coming from this intersuband transition. Since then, QCL’s made huge progresses and are now reaching more than one watt of power in the mid infrared range of the spectrum (3- 12µm), at room temperature. Still these high power lasers are multimode and all the designs aiming at single mode operation suffer from additional modes apparition when scaling up the device to reach high power. However, several applications such as military countermeasure, or laser surgeries needs high power single mode operation. Pulled by this demand, we combined QCL and PhC adopting an innovative regrowth approach to enhance even more the thermal dissipation needed by the device.

Séminaire : Nanostructured GaN devices for power applications and beyond – Pr. Elison Matioli

Dans le cadre du thème GaN, l’IEMN accueille :

Lundi 27 Mars 2017 – IEMN LCI Villeneuve d’Ascq, Salle du conseil – 10:30
Nanostructured GaN devices for power applications and beyond
Elison Matioli, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)

In this talk, I will present some of the nanowire-based technologies developed in our group to significantly enhance the performance of high-voltage GaN power devices, such as Schottky barrier diodes (SBDs) and high electron mobility transistors (HEMTs). This presentation will cover high-performance AlGaN/GaN HEMTs on silicon substrate based on nanowire tri-gate architectures. The optimized tri-gate geometry led to reduced off-state leakage current (Ioff) and sub-threshold slope (SS), increased on/off ratio, and improved breakdown voltage (Vbr) of the device. With a gate-to-drain separation (LGD) of 15 μm, hard Vbr up to 1755 V at Ioff of 45 μA/mm with high soft Vbr of 1370 V at Ioff = 1 μA/mm were achieved, rendering an excellent high-power figure of merit (FOM) up to 1.25 GW/cm2.

These nanowire-based technologies were also applied for AlGaN/GaN SBDs on silicon substrates. An optimized hybrid of tri-anode and tri-gate architectures led to SBDs exhibiting high Vbr, low reverse leakage current (IR), and small turn-on voltage (VON) of 0.76 ± 0.05 V since the tri-anode architecture formed a direct Schottky contact to the 2D electron gas (2DEG). The reverse characteristics were controlled electrostatically by an embedded tri-gate transistor, instead of relying only on the Schottky barrier, which resulted in low IR below 10 nA/mm at large reverse biases up to 500 V. In addition, these devices exhibited record Vbr up to 1325 V at IR of 1 μA/mm, rendering an excellent high-power FOM of 939 MW/cm2. These results unveil the significant potential of nanostructured GaN transistors for future power applications.

Finally, I will discuss the application of these nanostructures to better understand the electron transport in GaN-based heterostructures, which was exploited to demonstrate new ballistic devices operating at room temperature. The fast transport of ballistic electrons could offer a pathway for future room-temperature high-frequency ballistic devices.

Biography: Elison Matioli is an assistant professor in the institute of electrical engineering at Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL). He received a B.Sc. degree in applied physics and applied mathematics from Ecole Polytechnique (Palaiseau, France) in 2006 and a Ph.D. degree from the Materials Department at the University of California, Santa Barbara (UCSB) in 2010. He was a post-doctoral fellow in the Department of Electrical Engineering and Computer Science at the Massachusetts Institute of Technology (MIT) until 2014. His expertise is in semiconductor and nanostructure growth by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD), device fabrication and development of advanced numerical models to simulate device properties. He has received the Outstanding Graduate Student – Scientific Achievement Award for his Ph.D. thesis, the IEEE Electron Devices Society George Smith Award for his demonstration of high-efficiency nanostructured power electronic devices and the ERC Starting Grant in 2015.

 

Les offres de sujets de thèse 2017 sont en ligne …

Le Doctorat : Un passeport pour l’avenir

  • Le Doctorat permet d’approfondir des méthodes de recherche acquises pendant les premiers cycles de l’enseignement supérieur, mais aussi d’apporter un autre regard sur ces méthodes et éventuellement de coopérer à leur amélioration.
  • Le Doctorat est un diplôme requis pour passer les concours d’entrée de presque tous les organismes de recherche nationaux et internationaux
  • En France, le Doctorat est nécessaire pour accéder au concours de Maître de Conférences puis de Professeur des Universités.
  • Le Doctorat est également le vecteur pour accéder aux plus hautes fonctions de la plus grande partie des établissements de recherche nationaux/internationaux qu’ils soient publics ou privés

Consulter les sujets 2017 (PDF)

 

Batteries miniatures nomades : nouveau design 3D

DES SCIENTIFIQUES FRANÇAIS PROPOSENT UN NOUVEAU DESIGN DE MICRO-BATTERIES POUR OBJETS CONNECTÉS

Le développement des objets intelligents et connectés requiert des sources d’énergies autonomes, décentralisées et souvent miniatures, par exemple pour alimenter des micro-capteurs. La question de leur design est cruciale : chaque µm² gagné permettant d’augmenter la densité d’énergie de la batterie.

Des chercheurs français des laboratoires IMN, IEMN, UCCS et du LRCS, en partenariat avec un laboratoire américain (Argonne National Lab, ligne synchrotron APS), essaient de développer des micro-batteries lithium-ion « tout solide » capables d’alimenter ces objets afin de les rendre autonomes. Rassemblés autour d’un chercheur de l’IEMN, ils proposent une architecture performante permettant de répondre à de nombreux problèmes souvent rencontrés dans la création de batteries miniatures.

Cette architecture est construite à partir de wafer de silicium, matériau de choix dans l’industrie de la microélectronique. Le wafer est ensuite usiné pour fabriquer une structure 3D originale et robuste à base de micro-tubes simple ou double qui servira d’encrage à la micro-batterie. Cette gravure permet d’atteindre un gain de surface proche de 50 sans dénaturer son empreinte surfacique : une micro-batterie présentant une empreinte surfacique de 1 mm2 développe donc une surface spécifique de 50 mm2. Cette structuration 3D à base de micro-tubes est protégée par un brevet.

Cette architecture 3D a pour originalité d’être à une échelle micrométrique et non nanométrique. Les chercheurs ont fait ce choix car les approches nanométriques (avec des nanotubes de carbone ou des nanofils de silicium) ont le défaut d’être plus fragiles et flexibles. Par ailleurs, la faible distance entre 2 nanostructures limite drastiquement l’épaisseur de matériaux actifs déposables et donc les performances en densité d’énergie.

L’avantage de ce travail réalisé par deux doctorants (Manon Létiche – thèse IEMN/UCCS et Jeremy Freixas  – thèse IEMN/IMN) à l’échelle du micromètre est donc double. D’abord, il confère au substrat micro-structuré une robustesse permettant le dépôt de toutes les couches nécessaires (et d’épaisseur suffisante) pour produire des micro-batteries 3D de haute performance. Cette robustesse permet en outre de pouvoir manipuler les wafers de silicium sans craindre de briser les structures 3D qui résisteront ainsi à l’enduction centrifuge de résine photosensible visqueuse classiquement utilisée en microélectronique… Le tout présentant des gains de surface finalement comparables, voire meilleurs, que celui des nanostructures 3D.

Une fois ce substrat 3D de qualité créé, les chercheurs ont dû déposer dessus les matériaux nécessaires pour donne vie à la micro-batterie Li-ion. Leur travail étant une première preuve de concept et ayant pour but la finalisation d’un prototype, ils ont développé 4 des 6 couches de matériaux nécessaires à l’obtention d’une batterie complète.

La technique utilisée pour le dépôt de ces 4 premières couches et celle du dépôt par couche atomique (ALD), technique déjà utilisée à l’échelle industrielle, par exemple dans le cas du photovoltaïque, de la fabrication de transistor ou de mémoire vive dynamique (DRAM). Elle leur a permis de créer une couche isolante (Al2O3), un collecteur de courant (Pt), une électrode négative (TiO2) et un électrolyte  (Li3PO4)

microtubes_s

Contrairement à beaucoup de confrères et à ce qui se fait classiquement dans la fabrication de batterie, l’électrolyte est sous forme solide et non liquide. Ainsi, ces micro-batteries ne souffrent pas des limites des électrolytes liquides : inflammabilité, évaporation des solvants, fuite potentielle. Les dépôts de ces 4 couches épousent parfaitement les formes complexes des microstructures 3D (on parle de conformité) et l’électrolyte solide Li3PO4 fabriqué par ALD combine une fenêtre de stabilité électrochimique élevée (4.2 V), une haute conductivité ionique et une faible épaisseur (10 à 50 nm) générant une faible résistance surfacique.

L’ALD permet, en plus, une très bonne qualité des dépôts comme ont pu le vérifier les chercheurs par plusieurs techniques de caractérisations avancées (FIB TEM, EDX STEM, tomographie TXM synchrotron) : conformité proche de 100 %, pas d’inter-diffusion entre les couches ALD et absence de trous/fissures/craquelures.

Au final, l’équipe a montré un design attractif en regard du cahier des charges des objets connectés/miniaturisés (Internet of Things). Ces résultats découlent du travail collaboratif entre 5 laboratoires aux compétences complémentaires. A court terme, l’équipe de chercheurs va travailler sur la mise au point de films minces de matériaux d’électrode positive par ALD afin de pouvoir créer des prototypes de micro-batteries 3D fonctionnels dont les performances en densité d’énergie dépasse celles des micro-batteries planaires.

wileyAtomic layer deposition of functional layers for on Chip 3D Li-ion all solid state microbattery.
M. Létiche, E. Eustache, J. Freixas, A. Demortière, V. De Andrade, L. Morgenroth, P. Tilmant, F. Vaurette, D. Troadec, P. Roussel, T. Brousse, C. Lethien. Advanced Energy Materials, le 11 octobre 2016.
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  • IEMN CNRS UMR 8520 – Université de Lille Sciences et Technologies
  • UCCS CNRS UMR 8181 – Université Lille 1 Sciences et Technologies
  • IMN CNRS UMR 6502 – Université de Nantes
  • LRCS CNRS UMR 7314 – Université de Picardie Jules Verne

Contact chercheur : christophe.lethien@iemn.univ-lille1.fr

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La photonique et les communications sans fil térahertz

« Les communications sans fil térahertz: état de l’art des performances et intérêt des dispositifs issus de la photonique pour le développement des démonstrateurs amont: cet article présente le rôle clé qu’a joué et que joue encore la photonique pour l’avancée dans ce domaine de recherche. Quelques développements récents effectués à l’IEMN y sont présentés »

nature_photonicsAdvances in terahertz communications accelerated by photonics

Tadao Nagatsuma, Guillaume Ducournau & Cyril C. Renaud

Nature Photonics 10, 371–379 (2016) │ Published online 31 May 2016

Abstract:

Almost 15 years have passed since the initial demonstrations of terahertz (THz) wireless communications were made using both pulsed and continuous waves. THz technologies are attracting great interest and are expected to meet the ever-increasing demand for high-capacity wireless communications. Here, we review the latest trends in THz communications research, focusing on how photonics technologies have played a key role in the development of first-age THz communication systems. We also provide a comparison with other competitive technologies, such as THz transceivers enabled by electronic devices as well as free-space lightwave communications.

Examples of THz links using photonics-based transmitters.

IEMN

Enabling technologies based on photonics and new materials for future THz communications.
 IEMN

 

 

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