Sujet 1 - Ecole Doctorale STIM

IETR UMR CNRS 6164
ED STIM
ALLOC RECH 2014/2015
Sujet 5
Titre : Etude d’un radôme actif, accordable en fréquence, par variation sous
champ électrique de la permittivité d’une couche mince ferroélectrique
Résumé du sujet de la thèse
L’objectif de thèse est l’étude d’un radôme actif, accordable en fréquence en
exploitant la propriété de variation de la permittivité diélectrique sous champs
électrique de matériaux ferroélectriques. Ce projet à caractère pluridisciplinaire
fédère des compétences dans les domaines des matériaux, de la simulation
électromagnétique, de la caractérisation diélectrique en hyperfréquences et de la
réalisation de dispositifs.
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IETR UMR CNRS 6164
ED STIM
ALLOC RECH 2014/2015
Descriptif du sujet de thèse
Contexte scientifique et économique
Les progrès technologiques réalisés dans le domaine des télécommunications, et
plus particulièrement sur les terminaux mobiles, depuis ces deux dernières
décennies ont favorisé des applications de plus en plus gourmandes en bande
passante et en débit. Toutes ces fonctionnalités nécessitent des équipements
multinormes et/ou multistandards. Ainsi, l’utilisation de composants reconfigurables
en fréquence est devenue indispensable pour des raisons de coût, d’encombrement
et d’autonomie d’énergie de ces dispositifs.
A l’heure actuelle, des composants à semi-conducteurs tels que des diodes PIN, des
varactors ou des transistors à effet de champ permettent de réaliser des fonctions
agiles, mais sont parfois limités en fréquence et/ou en puissance. La technologie
MEMS (Micro-Electrical Mechanical Systems) a apporté un essor considérable à la
réalisation de dispositifs reconfigurables miniatures. Toutefois, ses limites en termes
de temps de commutation et de fiabilité à long terme motivent la recherche à
envisager de nouvelles solutions. Vient alors les matériaux dits agiles dont les
propriétés peuvent être modifiées sous l’action d’une commande externe : les
cristaux liquides, les ferromagnétiques et les ferroélectriques. C’est sur ces deniers
que l’étude du radôme actif est basée dont la fréquence de travail se trouve dans la
bande X (8-12 GHz) voire Ku (12-18 GHz).
Positionnement du sujet dans le contexte du laboratoire
L’Institut d’Electronique et des Télécommunications de Rennes (IETR UMR 6164)
comprend actuellement environ 400 personnes, dont 140 enseignants-chercheurs et
chercheurs permanents, qui développent leurs compétences dans 10 équipes de
recherche thématiques, regroupés en 5 départements. Des expertises de haut
niveau en hyperfréquences, en matériaux, communications, images et automatique,
microélectronique, capteurs, propagation, localisation et télédétection sont fédérées
afin de créer une stratégie d’interdisciplinarité avec vocation de visibilité
internationale.
L’équipe « Matériaux Fonctionnels » (MF) de l’IETR sur son site de Nantes, lieu de
travaux de thèse, est reconnue pour ses compétences dans la synthèse par voie
chimique d’oxydes complexes couches minces, dans la caractérisation de leurs
propriétés diélectriques, ainsi que dans des modélisations et interprétations
fondamentales sur le matériau. Elle dispose d’une Salle Blanche équipée pour
l’élaboration et l’intégration de matériaux fonctionnels en couches minces, permettant
la réalisation de dispositifs « démonstrateurs ». Il s’agit plus particulièrement de
couches minces ferroélectriques de type perovskite (PZT, BST), dont les paramètres
du procédé d’élaboration ainsi qu’un dopage éventuel, permettent d’influencer sur les
propriétés diélectriques de ces films.
Un des objectifs générales de l’équipe est l’élargissement de sa compétence vers la
connaissance et maîtrise de propriétés diélectriques à plus hautes fréquences des
matériaux fonctionnels en couches minces.
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Description de travaux de thèse
Les travaux de thèse comportent un fort aspect interdisciplinaire de co-coception
matériau-hyperfréquences. De spécialistes de chaque domaine assurent un
encadrement efficace de la thèse qui s’entend sur les 4 volets suivants :
- Modélisation de la surface sélective en fréquence
De modélisations via l’utilisation de logiciels commerciaux de simulation électromagnétique permettront la conception et la simulation du radôme accordable. On
réalisera alors un filtre fréquentiel plan, constitué de la couche mince ferroélectrique
sur laquelle est déposé une surface métallique sélective en fréquence, cette
dernière faisant office d’électrode pour l’application du champ électrique de
command pour la variation de la permittivité du matériau.
- Réalisation de couches minces
De couches minces ferroélectriques de BaxSr1-XTiO3 (BST) seront réalisées en
Salle Blanche par voie chimique selon un protocole déjà établi au laboratoire.
L’optimisation de ces films se fait par variation du rapport Ba/Sr, dopage et dépôt
multicouche éventuel. Objective sera l’obtention de faibles pertes diélectriques, une
permittivité modérée, tout en conservant une accordabilité élevée.
- Caractérisations diélectriques en hyperfréquences
Une méthode de caractérisation diélectrique en topologie CoPlanar Waveguide
(CPW) pour une étude continue en fréquence de couches minces ferroélectriques a
été mise au point au laboratoire pour de fréquences inférieures à 10 GHz. Un
redimensionnement de cette topologie permettra une caractérisation jusqu’aux
bandes de fréquence X et Ku.
- Réalisation et caractérisation d’un dispositif « démonstrateur »
A l’issus des modélisations du radôme actif et de l’optimisation du matériau actif, la
réalisation en Salle Blanche d’un dispositif « démonstrateur » et la caractérisation
hyperfréquence de celui-ci seront prévues aussi permettant d’évaluer la validité du
concept proposé.
Les travaux de ces 4 volets seront traités en interaction les uns avec les autres en
accord avec un plan de travail qui sera établi en début de la thèse. Des réunions
mensuelles de suivi entre le doctorant et l’équipe encadrante sont prévues. Celles-ci
donneront occasion d’actualiser et, le cas échéant, de faire évoluer ce plan de travail.
Le doctorant sera soumise aux règles de l’Ecole Doctorale STIM et participera
également aux différentes journées organisées par le laboratoire.
Compétences requises :
Compte tenu du caractère interdisciplinaire du sujet proposé, le candidat aura une
formation en hyperfréquence et (ou) en sciences de matériaux, la volonté forte de
compléter, le cas échéant, ses compétences dans le deuxième domaine, ainsi que
de travailler à l’interface de ces disciplines. Une partie des travaux de thèse sera
effectuée en Salle Blanche.
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