5 THz)/ Filters and tunable devices based on 2D and 3D hybrid metamaterials in the THz domain (100 GHz – 1.5 THz)

Sujets de thèse 2013

Intitulé de la thèse
Filtres et composants accordables à métamatériaux hybrides 2D et 3D dans le domaine THz (100 GHz – 1.5 THz)/
Filters and tunable devices based on 2D and 3D hybrid metamaterials in the THz domain (100 GHz – 1.5 THz)
Publication du sujet sur le site de l’ABG : OUI
Nature du financement : Non connu à ce jour
Domaine de compétences principal (pour l’ABG) : Sciences pour l’Ingénieur
Domaine de compétences secondaire (pour l’ABG) : Informatique, électronique
Spécialité de doctorat : Electronique des hautes fréquences, Photonique et Systèmes

Lieu de travail
Laboratoire Xlim – UMR CNRS 7252 – 123 Av Albert Thomas, 87060 LIMOGES, France
Date Limite de candidature : 15/06/2013
Laboratoire d’accueil : XLIM/MINACOM

Présentation de l’équipe de recherche
Les travaux se dérouleront dans l’équipe MIcro et Nano structures pour les Télécoms (MINT) du département XLIM-MINACOM (31 permanents et 45 doctorants) qui développe de nouvelles technologies permettant la micro fabrication de composants comme les MEMS et l’intégration de matériaux innovants pour des applications dans le domaine des microondes, de l’optique et de la biologie. Le sujet est également construit à l’interface avec un groupe de recherche du département XLIM-PHOTONIQUE dont les activités ciblent le développement de nouvelles fibres optiques, de l’instrumentation (mesures et techniques d’imageries) pour le THz, ainsi que de nouveaux composants et systèmes optiques.

Résumé de la thèse en français
Le sujet de thèse que nous proposons vise l’étude et la réalisation de dispositifs à base de métamatériaux 2D et 3D (MM) permettant le contrôle dynamique de la propagation des ondes hautes fréquences (submillimétriques à THz). Cela permettra la réalisation de fonctions spécifiques comme le filtrage, la commutation ou la modulation du signal incident dans ces domaines de fréquences. La fonction d’accordablilité que nous développerons, sera assurée par l’introduction dans la structure métamatériaux d’éléments à propriétés variables. L’approche que nous proposons est d’utiliser des matériaux à transition de phase (ex.dioxyde de vanadium- VO2 ou d’autres matériaux à changement de phase) qui ont la particularité unique et remarquable, selon les besoins de l’utilisateur, de se transformer d’isolant en conducteur sous l’action des différents excitations externes (température, tension/ courant etc.)

Résumé de la thèse en anglais
The subject we propose imply the design and the fabrication of devices based on 2D and 3D metamaterials (MM) to dynamically control the propagation of high frequency radiation (submillimeter to THz). We intend to realize specific functions such as filtering, switching or modulation of the incident signal in these frequency domains. The tunable properties of the devices will be ensured by the introduction into the metamaterial’s structure of elements with variable properties (hybrid metamaterials design). The approach we propose is to use phase transition materials (e.g. vanadium dioxide- VO2 or other phase-change materials), which can transform from a conducting to an insulating state depending on the different external applied stimuli (temperature, voltage or current etc.).

Description complète du sujet de thèse
Les métamatériaux sont des structures artificielles (agencement périodique de résonateurs métalliques sub-longueur d’onde) qui présentent des propriétés électromagnétiques que l’on ne trouve pas dans la nature (permittivité et/ ou perméabilité négatives). Cela offre de nouvelles solutions très performantes pour une large gamme d’applications (filtres, antennes, surfaces sélectives en fréquence, modulateurs haute fréquence, absorbants…) dans des domaines aussi variés que le spatial, la défense, les télécommunications ou l’imagerie biomédicale, 1, 2].
Pour améliorer les performances actuelles des métamatériaux un des objectifs majeurs est de les rendre accordables en fréquence. Les premières démonstrations de structures reconfigurables en micro-ondes, ont été principalement basées sur la modification des propriétés électriques de résonateurs SRR (en utilisant des diodes à capacité variable, des matériaux ferroélectriques, des cristaux liquides ou des structures micro fluidiques).
La fonction d’accordablilité que nous développerons, sera assurée par l’introduction dans la structure métamatériaux d’éléments à propriétés variables. L’approche que nous proposons est d’utiliser un matériau à transition de phase ou à changement de phase (ex. dioxyde de vanadium- VO2 ou d’autres matériaux qui sont actuellement à l’étude) qui a la particularité unique et remarquable, selon les besoins de l’utilisateur, de se transformer d’isolant en conducteur.
Lors de la thèse, les dispositifs suivants seront principalement étudiés:
• Métamatériaux 2D (MM 2D) à base des matrices planaires de résonateurs sub-longueur d’onde (split-ring resonators (SRR) intégrant des motifs à base des matériaux accordables). La modification des propriétés du matériau VO2 (résistivité, permittivité), soumis à des stimuli externes (température, champ électrique…), permettra d’obtenir l’accord fréquentiel.
• Métamatériaux 3D: plusieurs couches de MM 2D seront superposées. Les influences du nombre des couches superposées et de leur design seront étudiées pour améliorer les dispositifs. Des filtres à bandes étroites ou à larges bandes passantes seront également conçus et fabriqués.
La caractérisation et la mesure des dispositifs simulés et fabriqués permettront d’étudier l’accordabilité et la réponse globale des dispositifs 2D et 3D.
Pendant la thèse, l’étudiant(e) aura en charge principalement:
• La conception des dispositifs, en utilisant le logiciel d’éléments finis HFSS
• La fabrication des dispositifs en salle blanche
• La mesure des dispositifs sur un banc de spectroscopie THz
Le sujet pluridisciplinaire proposé est construit à l’interface de deux départements: Minacom (simulation, fabrication, caractérisation) et Photonique (mesures/ caractérisations banc THz).
Le développement des éléments d’accordabilité (matériaux à changement de phase) sera également effectuée en collaboration avec le laboratoire SPCTS de l’université de Limoges et pourra s’inscrire dans le cadre du Laboratoire d’excellence SigmaLIM.
L’ intérêt de cette technologie est qu’elle est l’une des seules capables de faire la jonction entre le domaine micro-ondes et le domaine optique. Ainsi de très nombreux débouchés et perspectives découleront de ces travaux.

[1] Mendhe, S.E.; Kosta, Y.P., «Metamaterial properties and applications», IJITKM, 4, pp. 85–89 (2011)
[2] H. T. Chen, W. J. Padilla, J. M.O. Zide, A. C. Gossard, A. J. Taylor, and R. D. Averitt, “Active terahertz metamaterial devices,” Nature vol. 444, pp. 597–600, 2006.

Objectifs scientifiques de la thèse
Lors de la thèse, les dispositifs suivants seront principalement étudiés:
• Métamatériaux 2D (MM 2D) à base des matrices planaires de résonateurs sub-longueur d’onde (split-ring resonators (SRR) intégrant des motifs à base des matériaux accordables). La modification des propriétés du matériau VO2 (résistivité, permittivité), soumis à des stimuli externes (température, champ électrique…), permettra d’obtenir l’accord fréquentiel.
• Métamatériaux 3D: plusieurs couches de MM 2D seront superposées. Les influences du nombre des couches superposées et de leur design seront étudiées pour améliorer les dispositifs. Des filtres à bandes étroites ou à larges bandes passantes seront également conçus et fabriqués.
La caractérisation et la mesure des dispositifs simulés et fabriqués permettront d’étudier l’accordabilité et la réponse globale des dispositifs 2D et 3D.

Compétences à l’issue de la thèse
A l’issue de la thèse, le docteur formé aura des compétences en conception FEM de structures metamatériaux et composants/ systèmes associés (filtres, polarizeurs etc.), en techniques de fabrication de composants en salle blanche et en mesure et caracterisation de dispositifs passifs dans le domaine micro-ondes/ THz.

Mots clés (séparés par des virgules)
métamatériaux THZ, matériaux à transition/changement de phase, conception et simulation électromagnétique FEM, filtres haute fréquence, fabrication salle blanche, mesures spectroscopie THZ-TDS, télécommunications
Conditions restrictive de candidature (nationalité, âge, …) : NON

Expérience/profil souhaité(e)
bac+5 (Master 2 ou ingénieur) en électronique des hautes fréquences, simulation FEM (HFSS, ADS)

Modalité de dépôt des candidatures
CV+ lettre de candidature

Directeur de thèse
Matthieu CHATRAS
Adresse mail du directeur de thèse : [matthieu.chatras@unilim.fr

Téléphone Directeur de thèse : 0587506734

Co-directeur de thèse
Aurelian CRUNTEANU
Georges HUMBERT
Adresse mail du co-directeur de thèse : aurelian.crunteanu@xlim.fr, georges.humbert@xlim.fr
Téléphone co-Directeur de thèse : 0587506741
Cofinancement LABEX SigmaLIM demandé : OUI

Justification du cofinancement LABEX
Collaboration étroite avec le laboratoire SPCTS pour le développement des matériaux à propriétés accordables.
Thématique LABEX concernée :

  • Thème 1: Matériaux
  • Thème 2: Composants

Thèse pour Action transverse : NON

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