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1
Matriaux transparents
et conducteurs,
Matriaux composites et
Oxydes ferrolectriques :
des matriaux innovants
pour
de nouvelles applications
en hyperfrquences
Xavier CASTEL
2
Saint MaloSaint Brieuc
Lannion
NantesAngers
La Roche / Yon
CotquidanRennes
2007
2012
2002
2004
IETR: Institut multi-sites et multi-tutelles
2013
3
Structuration de lIETR (2012)
5 Dpartements
10 Equipes de Recherche
IETR : 365 personnes (2014)
Recherche domaine Matriaux : 46 Chercheurs et E-C : 24 Biats : 4 Doctorants et Post-docs : 18
4
Dpt. Antennes & Dispositifs Hyperfrquences
Antennes & Dispositifs hyperfrquences(P. Besnier R. Sauleau)
EquipeSystmes Rayonnants Complexes
(R. Gillard A. Sharaiha)
EquipeMatriaux Fonctionnels
(X. Castel H. Gundel)
Plates-formes(L. Le Coq)
1. Interactions des ondes EM avec les environnements complexes (CEM, bioEM, ...) 2. Du millimtrique au sub-millimtrique et loptique3. Minuaturisation & Reconfigurabilit4. Surfaces multifonctionnelles (antennes transparentes, structures porteuses composites,)5. Procds innovants et modlisations (synthse, intgration, structuration 2D & 3D,)
88 personnes 22 personnes
6 personnes
116 personnes
5
Objectifs
Dveloppement et tude de matriaux proprit(s) spcifique(s) pour applications en hyperfrquences
Modlisation (multi-chelle) de proprits des matriaux Proposition de solution(s) originale(s) pour la
fonctionnalisation de dispositifs lectroniques Ralisation de dmonstrateurs Conception
Synthse
Caractrisation
Modlisation
Moyens mis en uvre
Comptences pluridisciplinaires :- Physique des Matriaux (28ime)- Chimie des matriaux (33ime)- lectronique (63ime)
Collaboration troite entre les diffrentschercheurs en lectronique, en hyperfrquences,et en lectro-optique
Plates-formes Matriaux Saint-Brieuc et Nantes
Dmarche de la Recherche
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Matriaux transparents et conducteurs,matriaux composites et oxydes ferrolectriques :
des matriaux innovants pour de nouvellesapplications en hyperfrquences
Matriaux transparents et conducteurs pour vitrages communicants
Matriaux composites pour panneaux structuraux communicants
Oxydes ferrolectriques pour dispositifs reconfigurables
Plan de lexpos
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Matriaux transparents et conducteurs,matriaux composites et oxydes ferrolectriques :
des matriaux innovants pour de nouvellesapplications en hyperfrquences
Matriaux transparents et conducteurs pour vitrages communicants
Matriaux composites pour panneaux structuraux communicants
Oxydes ferrolectriques pour dispositifs reconfigurables
Plan de lexpos
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transparent domaine visible
conducteur R = /e < 10 /Antenne ralise partir dun matriau
en couche mince
Antenne planaire transparente fonctionnant dans la bande centimtrique
4 solutions dveloppes :
Film ITO
Film mtallique ultramince Htrostructure ITO/mtal/ITO Film mtallique maill
Substrat verre
Couche mince
Antennes faible impact visuel
9
Ag Cu
ITO
0
20
40
60
80
100
0 200 400 600 800 1000 1200 (nm)
T (
%)
Corning
R = 8,6 /(d = 1010 nm)
R = 26,2 /(d = 190 nm)
Couches minces dITODpt par pulvrisation RF
temp. ambiante
Antennes faible impact visuel
In2O3 : Sn matriau semiconducteur
par dopage : Sn4+ en substitution In3+
par cration de lacunes doxygne : VO V + 2 + O2(g)
ITO 0,5 m.cm (Cu massif = 1,7 .cm @20C)
Transparent dans le visible (Eg 3,8 eV)Dpt sur verre Corning 1737
r = 5,7 ; tg = 0,006
10
R = 8,6 /
Tmax = 86,1%
R = 8,3 /
Tmax = 64,3%
R = 4,7 /
Tmax = 60,0%
Film ITO (1,01 m)[1] Couche Cu ultramince (10 nm)[1]
Multicouche ITO/Cu/ITO (183 nm)[1] Film Ag maill (6 m)[2,3]
R = 0,054 / Tmax = 81,3%
[1] F. Colombel, X. Castel, M. Himdi, G. Legeay, S. Vigneron, E. Motta-Cruz- IET Sci. Meas. Technol. Vol.3 (2009) pp.229-234
[2] J. Hautcoeur, X. Castel, F. Colombel, R. Benzerga, M. Himdi, G. Legeay,E. Motta-Cruz - Thin Solid Films, Vol.519 (2011) pp.3851-3858
[3] X. Castel, G. Legeay, J. Pinel - Patent WO2009/000747
Antennes faible impact visuel
11
Film Epaisseur Gain (dBi)
Ag/Ti [rfrence] 6 m 2,29
Cu 10 nm -4,80
ITO 1,01 m -4,10
ITO/Cu/ITO 183 nm -1,96
Ag/Ti maill 6 m 2,24
Profondeur de peau
relation de Poynting
df/ R (/)
2,84 0,0025
210-3 8,30,02 8,6
0,01 4,7
2,84 0,054 2
0
=
Pertes dans les couches minces :
Antennes monoples losanges 850 MHz[4]
2hfss H R 2
1 P =
Pertes ohmiques
Pertes par effet de peau
df/ 3 (optimal)
plan de masse
antenne monople
connecteur coaxial
plan de masse
antenne monople
connecteur coaxial
[4] E. Motta-Cruz, J. Hautcoeur, M. Himdi, F. Colombel, X. CastelPatent EP2011/050828
Antennes faible impact visuel
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ULB-1 ULB-2 ULB-3 Multicouche
Maillage 20/80
R = 0,018 /
T = 54,5 %
pAg = 6 m
Maillage 20/180
R = 0,022 /
T = 73,4 %
pAg = 6 m
Maillage 20/280
R = 0,052 /
T = 80,3 %
pAg = 6 m
ITO/Ag/ITO
R = 5,0 /
37%
13
2
3
4
5
6
7
2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0
Frquences (GHz)
Gai
n (d
Bi)
Simulation antenne de rfrence
Mesure antenne multicouche
Mesure antenne de rfrence
Mesure antenne ULB-1
AccordThorie-Mesures
Gain antenne de rfrence = Gain antennes mailles
Gain des antennes entre 2 GHz et 6 GHz[5]
[5] J. Hautcoeur, F. Colombel, X. Castel, M. Himdi, E. Motta Cruz, Progress in Electromagnetics Research (PIER) C, Vol.22 (2011) pp.259-271
Antennes transparentes ultra large bande
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Matriaux transparents et conducteurs,matriaux composites et oxydes ferrolectriques :
des matriaux innovants pour de nouvellesapplications en hyperfrquences
Matriaux transparents et conducteurs pour vitrages communicants
Matriaux composites pour panneaux structuraux communicants
Oxydes ferrolectriques pour dispositifs reconfigurables
Plan de lexpos
15
Problmatique Antennes fixes la surface de panneaux en matriaux composites ; Elment rayonnant mtallique insr dans la structure composite ;
Impacte les proprits mcaniques (dlaminage)
Contexte et problmatique
Airbus A350
Rushcutter (Australia)
PA
NN
EA
U C
OM
PO
SIT
E
ANTENNE
Antenne monopole losange en cuivredans composite verre E + polyester
16
Problmatique Antennes fixes la surface de panneaux en matriaux composites ; Elment rayonnant mtallique insr dans la structure composite ;
Impacte les proprits mcaniques (dlaminage)
Alternatives : Remplacer le mtal par des matriaux conducteurs adapts :
polymres conducteurs [6]
encres conductrices [7]
textiles traits avec nanotubes de carbone [8]
[6] H. Rmili, J.-L. Miane, H. Zangar, T. Olinga, Microwave and Optical Technology Letters, Vol.48 (2006) pp.655-660[7] L. Yang, A. Rida, R. Vyas, M.M. Tentzeris, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,Vol.55 (2007) pp.2894-2901[8] Y. Bayram, Y. Zhou, J.L. Volakis, B.-S. Shim, N.A. Kotov, Proceedings of Antennas and Propagation Society International Symposium,
San-Diego, USA (2008) pp.1-4
PA
NN
EA
U C
OM
PO
SIT
E
ANTENNE
Contexte et problmatique
17
Notre dmarche
Utiliser le tissu de fibres de carbone en substitution au mtal :
antennes tout composite [9]
Conservation de lintgrit mcanique des panneaux composites
Quelles performances pour de telles antennes ?
antenne de rfrence
lment rayonnant clinquant de cuivre
insertion dans une mme structure sandwich composite
Comparaison des performances microondes des deux antennes
Contexte et problmatique
[9] L. Manach, X. Castel, M. Himdi, Progress in Electromagnetics Research Letters, Vol.35 (2012) pp.115-123
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Structure de lantenne
Design de lantenne
Antenne patch alimente par fente. Pourquoi ?
lment rayonnant un simple carr
Pas de contact direct entre le systme dalimentation et lecarbone de llment rayonnant
Structure de base [10] en mtal
[10] D. Pozar, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, AP-34 (1986) pp.1439-1446
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Structure de lantenne en matriaux composites : Antenne patch alimente par fente
Dimensions du patch rayonnant = 35 mm 35 mm frquence de travail ~ 2,5 GHz
10 mm
Structure de lantenne
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Caractristiques lectriques
Caractristiques lectriques du tissu de carbone dpendent de :
Qualit de la fibre de carbone (HR, HM)
Nombre de fibres par mche (nombre de K)
(1000 fibres = 1 K)
Type de tissage (armure)
Grammage (g/m2)
Tissu de carbone slectionn
Carbone Haut Module (HM)
12 K (ou 12 000 fibres/mche)
Serg 2/2
Grammage = 385 g/m2
Tenue mcanique leve
Proprits lectriques intressantes
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