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Contrôle optique du Découplage d’Antennes

Supraconductrices pour l’IRM haute Sensibilité

CODASIS

Colloque du Défi Instrumentation aux limites • Paris • 9 avril 2015

Sylvia Matzen (IEF)

Equipes partenaires:

UMR 8622 – Institut d’Electronique Fondamentale

Equipe: Couches minces, Transport et Magnétisme (P. Lecoeur, S. Matzen)

UMR 8081 - Imagerie par Résonance Magnétique Médicale et Multi-Modalités

Equipe: Développements méthodologiques et instrumentaux (J.-C. Ginefri, M. Poirier-Quinot)

Oxydes

O

Mn A

B

Même structure cristalline → Large gamme de propriétés physiques

Oxydes de structure pérovskite ABO3

2

Oxydes fonctionnels structurés - dispositifs électroniques innovants Equipe: Couches minces, Transport et Magnétisme (P. Lecoeur, S. Matzen)

Hétérostructures multifonctionnelles

Métaux

Substrat: Si, oxyde,

GaAs

Semi-conducteurs

Micro-nano-

structuration

Développement de dispositifs innovants

- Electronique

- Optique

Capteurs et MEMS (microsystèmes électromécaniques)

Activités de l’équipe

Piézoélectricité Pb(Zr,Ti)O3

Haute permittivité SrTiO3, BaTiO3

Ferromagnétisme (La0,66Sr0,33)MnO3

Supraconducteur YBa2Cu3O7-δ

Optique non linéaire KNbO3

…

Enjeux technologiques:

- croissance épitaxiale

- micro-nano-structuration

- mesures physiques

Enjeux scientifiques:

- contrôle des propriétés

- étude des mécanismes physiques

200 µm

Nouvel axe de recherche: Oxydes photostrictifs - commande optique de MEMS

3

mécanisme physique original et peu exploré

Photostriction: induction de déformations géantes par illumination optique

Lumière

Objectif: développer une commande optique efficace de l’actionnement de MEMS par photostriction

Ultrarapide

À distance

Sans introduire de source de bruit

→ Mieux comprendre la physique de la photostriction

→ Développer des dispositifs innovants

Oxydes fonctionnels structurés - dispositifs électroniques innovants Equipe: Couches minces, Transport et Magnétisme (P. Lecoeur, S. Matzen)

4

Antennes RF à haute sensibilité pour la micro-IRM Equipe: Développements méthodologiques et instrumentaux (J.-C. Ginefri, M. Poirier-Quinot)

Enjeux actuels en imagerie IRM: quantification et haute sensibilité

- Haute sensibilité de détection à champ clinique: antennes de surface RF en matériau supraconducteur

- Quantification en imagerie: champ magnétique d’excitation homogène (antenne volumique)

Objectif: découplage des antennes émettrice et réceptrice

Défi scientifique et technologique:

commutation hors résonance (<1msec)

des antennes supraconductrices dans la phase d’émission

Contexte: Améliorer la sensibilité de détection en IRM à champ clinique

-miniaturisation des antennes de détection (réduire le bruit échantillon)

-refroidissement et utilisation d’antennes supraconductrices (réduire le bruit antenne)

-développement de réseau d’antennes

12 mm

Antenne RF de réception

f résonance Phase d’émission

f découplée

Phase de réception

Commutation

hors résonance

! Techniques habituelles de découplage

d’antennes non transposables

sur matériaux supraconducteurs

Antenne

supraconductrice

active

Antenne

supraconductrice

inactive

5

Projet interdisciplinaire:

Contrôle optique du Découplage d’Antennes Supraconductrices pour l’IRM haute Sensibilité Equipes partenaires IEF et IR4M


Approche photostrictive: commutation optique hors résonance

(<1msec) des antennes supraconductrices dans la phase d’émission

Antenne en résonance:

haute sensibilité en phase de détection

Antenne hors-résonance:

inactive en phase d’émission

Temps de réponse compatible avec une séquence IRM

Sans source de bruit supplémentaire

12 mm

MEMS commandé optiquement Antenne RF de réception Contrôle rapide et à distance

de l’actionnement

Lumière

f résonance Phase d’émission

f découplée

Phase de réception

Commutation

hors résonance

Antenne

supraconductrice

active

Antenne

supraconductrice

inactive

photostriction

6



Antenne en résonance:

haute sensibilité en phase de détection

Antenne hors-résonance:

inactive en phase d’émission

12 mm

MEMS commandé optiquement Antenne RF de réception Contrôle rapide et à distance

de l’actionnement

Lumière

• Projet exploratoire

• Interface physique expérimentale/

applications biomédicales

• Equipes complémentaires

Physique & ingénierie

de matériaux multifonctionnels

Procédés de microtechnologie

Caractérisation d’antennes

RF supraconductrices

Instrumentation en IRM


Approche photostrictive: commutation optique hors résonance

(<1msec) des antennes supraconductrices dans la phase d’émission

Enjeux et verrous

Mieux comprendre la physique de la photostriction

Explorer les mécanismes à l’échelle de films minces

Intégrer les oxydes dans des micro-

systèmes sur silicium

Concevoir les dispositifs

{antenne RF + actionneur}

Modifier et contrôler les propriétés

des antennes RF supraconductrices

Etapes

1) Optimisation des matériaux photostrictifs en films minces

2) Conception et caractérisation d’un dispositif photostrictif modèle

3) Intégration des actionneurs photostrictifs aux antennes RF

4) Etude de la commutation hors résonance

pilotée optiquement sur banc de mesures

f résonance

f découplée

Commutation

hors résonance

7

Substrat



DEFI Instrumentation aux limites:

Financement d’un système de chauffage,

pour le dépôt de films minces par ablation laser

→ Optimisation des matériaux sur des surfaces

compatibles avec leur future intégration

sur des antennes en imagerie IRM

8

Oxydes aux

propriétés

photovoltaïques

+ ferroélectriques

+ piézoélectriques

Etat de l’art

Références Matériau Structure Taux de

déformation

Temps de

réponse

P. Poosanaas, et al. Mechatronics

10, 467 (2000)

(Pb, La)(Zr, Ti)O3

(PLZT)

Céramique ~10-5 à λ=365 nm ~1 sec

B. Kundys, et al.

Nature Mater. 9, 803 (2010)

BiFeO3

(BFO)

Monocristal ~10-5, maximal à

λ=365 nm

~0.1 sec

Optimisation des matériaux photostrictifs en films minces

Photostriction – mécanismes physiques

massif

→ manipuler les

mécanismes physiques

en micro-nanosystèmes

2 matériaux

trop long

9

Mécanisme

Génération de porteurs électrons-trous

sous illumination optique (effet photovoltaïque)

→ Séparation spontanée liée à la polarisation

électrique (matériau ferroélectrique)

→ Modification du champ électrique interne: Eph

→ Déformation

(effet piézoélectrique inverse)

Contrainte photoinduite

xph=dij Eph

Champ électrique interne : polarisation + effets d’interface (barrières de Schottky, écrantage de surface)

Courant photoinduit

Multiples

paramètres physiques

Taux de génération

/recombinaison g/R

Durée de vie des porteurs τc

Profil de polarisation P(z)

Longueur d’écrantage ls et

constante diélectrique εe

des électrodes

Absorption optique α

Rendement quantique β

Coef. piézoélectriques dij

Films minces

• Réduction de taille

• Effets d’interface

• Défauts

(lacunes d’oxygène…)

• Contraintes épitaxiales

• Structure en domaines

ferroélectriques

• Directions

cristallographiques

Effets complexes et peu étudiés


Photostriction – mécanismes physiques

10

Références Matériau Structure Taux de

déformation

Temps de

réponse

P. Poosanaas, et al. Mechatronics

10, 467 (2000)

(Pb, La)(Zr, Ti)O3

(PLZT)

Céramique ~10-5 à λ=365 nm ~1 sec

B. Kundys, et al.

Nature Mater. 9, 803 (2010)

BiFeO3

(BFO)

Monocristal ~10-5, maximal à

λ=365 nm

~0.1 sec

Films minces

épitaxiés structurés

? ? Objectif:

défauts

interfaces

dimensionnement

ingénierie des contraintes

domaines ferroélectriques

structures suspendues

→ micro-dispositifs

photostrictifs


Photostriction en films minces structurés

• Maîtrise de la croissance épitaxiale d’oxydes complexes en films minces sur silicium

dépôt par ablation laser (PLD), caractérisation structurale (XRD)

• Optimisation des propriétés ferroélectriques, piézoélectriques et photovoltaïques (en cours)

mesures électriques (C(V), P(E), I(V) sous illumination UV), microscopie PFM Caractérisations photovoltaïques (λ accordable) Collaboration: Equipe Nanophotonique (F. Julien, IEF)

20.5 21.0 21.5 22.0 22.5 23.0

0

100

200

300

400

500

Inte

nsity (

a. u.)

(°)

543210

5

4

3

2

1

0

X[µm]

Y[µ

m]

6.13 nm

0.00 nm



11

Etat d’avancement:


Substrat

Haute qualité cristalline, orientation (001), sans phase parasite

(diffraction de rayons X – XRD)

Si/SrTiO3/(La,Sr)MnO3/(Pb1-3/2yLay)(Zr1-xTix)O3 (x=48, y=3)

Bonne morphologie de surface, faible rugosité

(microscopie à force atomique – AFM)

Epaisseur=100nm

Rugosité rms=0.6nm

PLZT(002)

FWHM

Δω=0.6°

Electrode 1 PLZT

Substrat

Electrode 2

Etude des mécanismes de transport -rôle des électrodes, barrières Schottky,

-lacunes d’oxygène,

-domaines ferroélectriques

→ maximisation du champ électrique interne

pour la réponse photostrictive

20 40 60 80 1001

10

100

1000

10000

100000

Inte

nsity (

a. u.)

2(°)

PLZT(001)

LSMO (001)

PLZT(002) LSMO (002)

PLZT

(004)

LSMO

(004)

STO

(004)

LSMO

(003)

Si (004)

-4 -2 0 2 4-30

-20

-10

0

10

20

30

P (

µC

/cm

²)

Bias voltage (V)-1 0 1

2E-9

2.5E-9

3E-9

3.5E-9

Ca

pa

cita

nce

(F

)

Bias (V)

Einterne

k k0

q qx

qz

qy

Ghkl

k-k0



12



• Etude de la structure des films en domaines ferroélectriques

Bragg Coherent X-ray diffraction using synchrotron radiation

3D imaging by X-ray Bragg Ptychography

Substrat

Collaboration: Edwin Fohtung

Advanced Photon Source, Argonne, USA

50 nm

0.3

- 0.3

Pz (C/m2)

y

x

Présentation des résultats

-congrès international IWOE

Sept. 2014, Bolton-NY, USA

-article en cours de rédaction

Formation de domaines

ferroélectriques périodiques :

écrantage incomplet du champ

dépolarisant par les électrodes



13


2) Conception et caractérisation d’un dispositif photostrictif modèle

• Contrôle de la structuration des oxydes en micro-poutres

lithographie, gravure d’oxydes et silicium (centrale CTU-Minerve)

A venir:

• Caractérisations opto-électro-mécaniques des micro-poutres (vs. films minces) : réponse piézoélectrique exacerbée

• Etude de la photostriction : déformation et temps de réponse

profilométrie optique (plateforme de caractérisation MEMS)

• Dimensionnement des micro-poutres : optimisation des déformations photo-induites

simulations multiphysiques

(collaboration: Laboratoire Structures, Propriétés et Modélisation des Solides (SPMS), UMR8580 CNRS & Centrale Supélec)

Résultats préliminaires:

déformations des micro-poutres induites

par contraintes épitaxiales et thermiques

Microscopie MEB Profilométrie optique

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Conclusions

Perspectives

intégration technologique de dispositifs photostrictifs dans de nombreuses applications potentielles

→ Développement d’un réseau de partenaires - plateau de Saclay et région IdF: communauté scientifique dynamique « électronique tout oxyde »

(UMφ CNRS/Thales, GEMaC, INSP, etc.)

- mise en synergie avec d’autres communautés scientifiques nationales

(physiciens et chimistes des matériaux, technologues, chercheurs et ingénieurs en électronique, optique,

microfluidique, biomédical, etc.)



•Mise en place d’un axe de recherche prometteur: physique & applications de la photostriction en films minces

Enjeux: mieux comprendre les mécanismes physiques à l’origine de la photostriction

explorer la photostriction à l’échelle de films minces

intégrer les oxydes photostrictifs dans des micro-dispositifs sur silicium

•Projet interdisciplinaire: IEF et IR4M

Enjeu: développer un dispositif original pour contrôler optiquement la commutation hors résonance d’antennes

supraconductrices en IRM à haute sensibilité

•Soutien au développement de cette thématique de recherche:

- Financement équipement (U. P Sud – AAP « Attractivité 2015 »)

- Demandes de bourses d’allocations de recherche en cours (Région – DIM Oxymore, ED EOBE)

Contrôle optique du Découplage d’Antennes

Supraconductrices pour l’IRM haute Sensibilité

CODASIS

Colloque du Défi Instrumentation aux limites • Paris • 9 avril 2015

Sylvia Matzen (IEF)

Equipes partenaires:

UMR 8622 – Institut d’Electronique Fondamentale

Equipe: Couches minces, Transport et Magnétisme (P. Lecoeur, S. Matzen)

UMR 8081 - Imagerie par Résonance Magnétique Médicale et Multi-Modalités

Equipe: Développements méthodologiques et instrumentaux (J.-C. Ginefri, M. Poirier-Quinot)

Merci de votre attention!

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