Dans le domaine des mesures électriques, les mesures d'impédance jouent un rôle très important puisqu'elles sont largement utilisées dans différents domaines de la science et de l’ingénierie. Le rôle principal de la métrologie des impédances est la réalisation des unités d'impédance : l'ohm (Ω), le farad (F), le henry (H) et leurs échelles associées. Ces trois unités sont reliées les unes aux autres par l’intermédiaire de la seconde (s) : 1 Ω = 1 H/s = 1 s/F. Par conséquent, une unité peut être utilisée pour réaliser les deux autres en utilisant différents ponts de comparaison fonctionnant en courant alternatif. Les chaînes de traçabilité des mesures d’impédance, reliant l’étalon calculable de capacité ou l’étalon quantique de résistance, mettent en jeu une succession de comparaisons d’impédance réalisées actuellement au LNE à l’aide de ponts analogiques. Ce projet vise à simplifier ces longues chaînes de comparaison, à améliorer les incertitudes de mesure et à élargir les possibilités de mesure d’impédance en mettant en œuvre des ponts numériques de comparaison.

Objectifs

Développer des ponts d'impédance numériques pour réaliser et automatiser les mesures d'impédance sur l'ensemble du plan complexe, dans la gamme de fréquences comprise entre 60 Hz et 20 kHz et avec des incertitudes jamais atteintes pour ces mesures.

Dresser un état de l’art des ponts Josephson et tester la faisabilité d’un type d’architecture de pont numérique intégrant des dispositifs Josephson pour générer des rapports de tension.

Développer des étalons de capacité ultra stables à diélectrique en silice fondue de 1 pF à 1 000 pF.

Résumé et résultats

Les méthodes employées aujourd’hui au LNE pour assurer la traçabilité des mesures d’impédance au SI mettent en œuvre des ponts de comparaison à transformateurs. Ces systèmes sont complexes et ne permettent d’obtenir les meilleures incertitudes que pour un nombre restreint de valeurs et de natures d’impédance. Le développement de ponts numériques pour réaliser des échelles d'impédance utilisant comme point de départ l’impédance d’une résistance déterminée à partir d’une résistance étalonnée à partir de l’effet Hall quantique ou d’un condensateur dont la capacité aura été déterminée au moyen d’un condensateur calculable améliorera la chaîne de traçabilité, en termes d’accessibilité, de ressources et permettra d’élargir la gamme des impédances mesurées.

Ce projet vise à développer des ponts de comparaison en deux et quatre paires de bornes en collaboration avec le CMI (laboratoire national de métrologie de la République Tchèque), permettant de réaliser une chaine de traçabilité au SI des mesures d’impédance sur une bande de fréquence allant de quelques dizaines de Hz à quelques dizaines de kHz, pour tout type d’impédance. Ces nouveaux systèmes permettraient d’assurer la traçabilité des impédances au SI avec des incertitudes comparables voire meilleures dans certaines conditions que celles atteignables aujourd’hui avec les ponts à transformateur. Ces ponts numériques contenant la plupart des briques élémentaires d'un pont d'impédance quantique conçu sur la base de l’étalon de tension de Josephson, le projet permettra aussi de concevoir une architecture de pont quantique.

Par ailleurs, fort de l’expérience acquise dans la fabrication de condensateurs de très faibles valeurs de capacité, développés dans le cadre du projet européen Euramet/EMRP AimQuTE, de nouveaux étalons ultra stables à diélectrique en silice fondue de capacité de 10 pF à 1 nF vont être développés au cours de ce projet RNMF, en collaboration avec le BIPM, pour améliorer la chaîne de mesure permettant de relier le farad à l’ohm.

Impacts scientifiques et industriels

  • Existence d’une chaîne de traçabilité au SI de la mesure d’impédance à partir de l’effet Hall quantique sur une bande de fréquence allant de quelques dizaines de hertz à quelques dizaines de kilohertz ;
  • Réponse aux attentes des utilisateurs en matière de traçabilité des inductances, pour des valeurs de 1 µH à 1 mH de 40 Hz à 20 kHz (mesures limitées à 1 kHz actuellement) et ceci au meilleur niveau métrologique ;
  • Possibilité d’effectuer des étalonnages au LNE d’impédances électriques sur tout le plan complexe ;
  • Mise à disposition de condensateurs étalons ultra stables pour répondre aux besoins exprimés par de nombreux laboratoires nationaux de métrologie ;
  • Participation à plus long terme à la réalisation du multimètre quantique en disposant d’un pont quantique d’impédance conduisant au développement d’un étalon quantique d’impédance en synergie avec d’autres projets menés en métrologique électrique quantique comme le projet visant à exploiter les propriétés du graphène pour réaliser des étalons quantiques (cf projet du RNMF « Effet Hall quantique dans le graphène pour la métrologie »).

Publications et communications

Ralph SINDJUI, « Réalisation et caractérisation de dispositifs de mesure associés à la détermination de la constante de von Klitzing à partir d’un condensateur calculable étalon dit de Thompson-Lampard », Thèse de doctorat de sciences de l’Université Paris-Saclay, Versailles, Génie électrique et métrologie, soutenue le 1er juillet 2016, TEL-01480637v1.

G. Trapon, O. Thévenot, J.-C. Lacueille et W. Poirier, “Determination of the von Klitzing constant RK in terms of the BNM calculable capacitor - Fifteen years of investigations”, Metrologia, 2003, 40, 4, 159–171, DOI: 10.1088/0026-1394/40/4/304.

F. Delahaye, A. Fau, D. Dominguez et M. Bellon, “Absolute determination of the Farad and the Ohm, and measurement of the quantized Hall resistance RH(2) at LCIE”, IEEE Trans. Instrum. Meas., 1987, vol. IM–36, 2, 205–207.

Partenaires

  • CMI, Institut national de métrologie de la République Tchèque)
  • Partenaires du projet européen JRP GIQS (Graphene Impedance Quantum Standard, 2019-2022).
  • BIPM

Projets connexes

  • EURAMET/EMPIR GIQS, Graphene Impedance Quantum Standards (JRP GIQS)
  • Projet RNMF « Étalon calculable de Thompson-Lampard »

Ce projet fait suite à la révision de 2018 du Système international d’unités (SI) qui favorise l’exploitation d’étalons quantiques pour la mise en pratique des unités et la dissémination des références de métrologie. Il s’inscrit dans le cadre des recherches menées au LNE sur le développement de l’étalon quantique de résistance électrique sur la base de l’effet Hall quantique (EHQ). Précisément il vise à fiabiliser les dispositifs en graphène pour la réalisation de cet étalon, après que la faisabilité a été démontrée au LNE en 2015. Les conditions expérimentales de mise en œuvre des dispositifs sont particulièrement étudiées, ainsi que leur stabilité et le contrôle de leurs propriétés en vue de faciliter leur utilisation en dehors des laboratoires de métrologie, d’étendre leur application à d’autres étalons électriques, notamment en courant alternatif, ou encore de les intégrer dans de nouveaux systèmes de mesure.

Ce projet concoure également aux recherches de nouvelles applications du graphène promises à d’importants développements industriels et à l’essor des technologies quantiques par le développement d’outils, fondés sur la mise en œuvre de l’effet Hall quantique dans des nanodispositifs, pour les mesures électriques ultimes (mesures de haute exactitude ou mesures d’électrons uniques, par exemple).

Objectifs

Poursuivre les études de l’effet Hall quantique dans le graphène pour fiabiliser les étalons quantiques de résistance électrique ;

Augmenter les connaissances fondamentales pour l’obtention de l’EHQ dans le graphène afin de faciliter encore davantage les conditions de mise en œuvre des étalons quantiques de résistance ;

Mettre en œuvre l’effet Hall quantique dans le graphène en régime de courant alternatif (AC) pour réaliser un étalon quantique d’impédance

Explorer la faisabilité de détecteurs d’électrons uniques sur la base de l’EHQ dans le graphène.

Résumé et résultats

La CGPM (Conférence générale des poids et mesures) a adopté, lors de sa 26e réunion, en novembre 2018, une révision majeure du Système international d’unités (SI), entrée en vigueur le 20 mai 2019. Cette révision renforce la position de la mécanique quantique parmi les fondements du système avec, notamment, la redéfinition du kilogramme à partir d’une valeur fixée de la constante de Planck et la redéfinition de l’ampère à partir d’une valeur fixée de la charge élémentaire. L’effet Hall quantique se trouve dès lors recommandé pour contribuer à la réalisation d’un certain nombre d’unités du SI (A, Ω, F, H, kg, par exemple). Par ailleurs, cette révision du SI intervient alors que les technologies quantiques, au sens large, connaissent un essor important. De nouvelles perspectives s’ouvrent donc et la métrologie, jusqu’à présent utilisatrice de technologies quantiques, pourrait apporter un soutien plus spécifique au développement de nouvelles technologies quantiques.

C’est dans ce contexte que ce projet a été élaboré avec l’objectif général de poursuivre l’exploitation de l’effet Hall quantique dans le graphène pour développer des outils de mesure : étalon quantique « pratique » pour la dissémination des unités du SI au meilleur niveau d’exactitude et détecteur d’électrons uniques pour les technologies quantiques.

Structure couche de graphène
Fig.1 - Représentation de la structure moléculaire d’une couche de graphène.

Le graphène 2D est une monocouche d’atomes de carbone structurés en réseau cristallin hexagonal (en forme de nid d’abeille) qui présente en effet des propriétés physiques très avantageuses pour la simplification de la mise en œuvre de l’effet Hall quantique et pour la réalisation de circuits électroniques quantiques.

Ainsi, le LNE a pu démontrer en 2015, en étudiant des dispositifs en graphène de haute qualité, qu’il était possible de mettre en œuvre l’étalon de résistance à effet Hall quantique dans des conditions expérimentales significativement simplifiées (champ magnétique aussi faible que 3,5 T, température de 10 K ou encore courant de mesure de 0,5 mA) par rapport à celles requises par GaAs/AlGaAs (10 T, 1,5 K, 50 µA), tout en conservant une exactitude à 1×10-9 près (Nature Nanotechnology, 10, 965, 2015, 10.1038/nnano.2015.192).

Barre de Hall lithographiée dans graphène sur SiC
Fig.2 - Image, obtenue par microscopie optique, d’une barre de Hall (de largeur 100 micromètres) lithographiée dans une couche de graphène sur SiC et munie de contacts métalliques à base d’or.

Sur la base de cet état de l’art, le projet a plusieurs objectifs spécifiques autour de l’étalon à effet Hall quantique. Il s’agit d’abord d’évaluer la possibilité de fiabiliser la technologie qui a permis d’atteindre les performances démontrées en 2015, en collaboration étroite avec les partenaires qui en sont à l’origine : le CRHEA pour la croissance de graphène par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) de propane/hydrogène sur SiC et le C2N pour la nanofabrication des dispositifs. Le premier objectif est donc de permettre la production d’un nombre suffisant de dispositifs avec des performances répétables (quantification de la résistance de Hall à 1×10-9 près, à 5 T, 4 K, 50 µA), propres à une large dissémination de l’unité de résistance, l’ohm (Ω). Les principaux défis technologiques déjà identifiés sont le contrôle de la densité de porteurs, l’homogénéité de celle-ci et la mobilité des porteurs. Un second objectif concerne l’exploration de l’effet Hall quantique dans le graphène, au-delà de l’état de l’art, et notamment à très bas champ magnétique (1 T), pour une simplification encore plus grande de la mise en œuvre de l’étalon à effet Hall quantique. Des dispositifs en graphène encapsulé dans h-BN seront aussi étudiés à cette occasion. Un troisième objectif porte sur l’étude de l’effet Hall quantique dans le graphène en régime de courant alternatif AC, jusqu’à des fréquences de l’ordre du kHz, en vue d’améliorer la dissémination des unités d’impédance, à commencer par le farad (F).

Ces objectifs concourent à étendre l’utilisation de l’étalon à effet Hall quantique en facilitant sa mise en œuvre afin de le rendre accessible à un plus grand nombre d’utilisateurs et en l’intégrant dans des systèmes de mesure compacts afin d’élargir ses d’applications.

Partant de son expérience sur l’effet Hall quantique dans le graphène, le LNE étudiera aussi, dans le cadre de ce projet, le développement d’un détecteur d’électrons uniques fondé sur la rupture de l’effet Hall quantique. Ce détecteur est destiné à être intégré dans des circuits quantiques en graphène, développés par ailleurs, dans le cadre d’un projet européen. Ces circuits sont conçus pour la manipulation d’électrons uniques avec des techniques d’optique quantique électronique, dans la perspective du développement de différentes applications dans le domaine des technologies quantiques.

L’ensemble des développements technologiques prévus dans ce projet participeront aussi à l’effort global de recherche et d’innovation sur le matériau graphène.

Impacts scientifiques et industriels

  • Amélioration des performances de l’étalon quantique de résistance électrique et généralisation des étalons quantiques en métrologie électrique pour la mise en pratique du SI-2018, par une exploitation large de l’effet Hall quantique, notamment dans le graphène ;
  • Contribution au développement de techniques quantiques pour la métrologie et les capteurs de mesure ;
  • Soutien au développement de technologies émergentes exploitant les propriétés exceptionnelles du matériau graphène.

Publications et communications

POIRIER W., DJORDJEVIC S., SCHOPFER F. and THÉVENOT O., “The ampere and the electrical units in the quantum era”, Comptes Rendus de l’Académie des sciences - Physique, 2019, 20, 1-2, 92-128, DOI: 10.1016/j.crhy.2019.02.003.

JOUAULT B., SCHOPFER F. and POIRIER W., “Beauty of quantum transport in Graphene”, in Epitaxial Graphene on Silicon Carbide - Modeling, Characterization And Applications (Chapitre 7), Gemma Rius et Philippe Godignon, Jenny Stanford Publishing, 2018, ISBN 9789814774208.

SCHOPFER F., “Graphene for quantum electrical metrology and the revised International System of units SI”, ImagineNano/GraphIn 2018, Bilbao, Spain, 13-15 March 2018.

BRUN-PICARD J., DAGHER R., MAILLY D., NACHAWATY A., JOUAULT B., MICHON A., POIRIER W. and SCHOPFER F., “Quantum Hall resistance standard in Graphene grown by CVD on SiC: State-of-the-Art of the Experimental Mastery”, Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2018), Paris, France, 8-13 juillet 2018, DOI: 10.1109/CPEM.2018.8501087.

LAFONT F., RIBEIRO-PALAU R., KAZAZIS D., MICHON A., COUTURAUD O., CONSEJO C., CHASSAGNE T., ZIELINSKI M., PORTAIL M., JOUAULT B., SCHOPFER F. et POIRIER W., “Quantum Hall resistance standards from graphene grown by chemical vapour deposition on silicon carbide”, Nature Communications, 6, 6806, 20 avril 2015, DOI: 10.1038/ncomms7806.

Ribeiro-Palau R., Lafont F., Brun-Picard J., Kazazis D., Michon A., Cheynis F., Couturaud O., Consejo C., Jouault B., Poirier W. et Schopfer F., “Quantum Hall resistance standard in graphene devices under relaxed experimental conditions”, Nature Nanotechnology, 10, 965-974, 7 sept. 2015, DOI: 10.1038/nnano.2015.192.

Partenaires/Collaborations

  • CNRS/C2N, CRHEA, L2C, Institut Néel, LPENS
  • CEA/SPEC, IRIG
  • Partenaires du projet français ANR GraphMet
  • Partenaires des projets européens EURAMET/EMPIR SEQUOIA et GIQS

Projets connexes

  • JRP EURAMET/EMRP-2012 GraphOhm, Quantum resistance metrology based on graphene
  • EURAMET/EMPIR-2017 SEQUOIA, Single electron quantum optics for for quantum-enhanced measurements
  • EURAMET/EMPIR-2018 GIQS, Graphene Impedance Quantum Standards
  • ANR 16-CE09-0016 GraphMet, Étalons quantiques en graphène pour les unités électriques du SI
  • European FET Flagships/ Graphene Flagship (2013-2023)

Ce projet porte sur les mesures de puissance moyenne de signaux électriques de haute fréquence (RF et micro-onde). Il vise à consolider et étendre la traçabilité des mesures de puissance jusqu’à la bande de fréquences terahertz (170 GHz dans ce projet). Compte tenu de la raréfaction des sondes de puissance bolométriques et de la difficulté d’approvisionner des sondes thermoélectriques compatibles avec la référence primaire française (microcalorimètre), le LNE souhaite développer des sondes de puissance HF, de technologie thermoélectrique, pour les intégrer dans de nouveaux bancs de référence primaire (microcalorimètre) et secondaire (bancs d’étalonnage en puissance HF) qui sont développés également dans le cadre de ce projet.

Objectifs

Concevoir et mettre en œuvre de nouvelles sondes thermoélectriques de puissance adaptées aux connecteurs 1,85 mm [DC – 67 GHz] et aux guides d’onde rectangulaires [50 GHz – 170 GHz] ;

Concevoir et mettre en œuvre de nouveaux étalons primaires (microcalorimètres) ;

Concevoir et mettre en œuvre de nouveaux bancs de transfert de puissance HF (coaxial et guide d’onde rectangulaire) pour l’étalonnage sur la bande de fréquences du DC à 170 GHz ;

Améliorer les incertitudes de mesure de puissance HF et étendre les capacités de mesure sur un très large domaine de fréquence allant jusqu’à la bande térahertz.

Résumé et résultats

De nombreuses applications utilisent aujourd’hui des ondes électromagnétiques dans le domaine millimétrique du spectre (typiquement jusqu’à 100 GHz) et, de plus en plus, dans la bande térahertz des fréquences (typiquement de 100 GHz à 30 THz), par exemple le nouveau format de communication 5G en cours de déploiement, les portiques de sécurité mis en œuvre dans les gares ou les aéroports, les véhicules autonomes en phase de test ou les mesures de radiométrie spatiale.

Le niveau de puissance du signal de sortie d’un système ou d’un composant radiofréquence (RF) est un paramètre critique pour la phase de conception des équipements de communication et constitue un critère important pour la performance de ces équipements RF.

Pour mesurer cette puissance RF ou microonde, différents instruments sont employés : un analyseur vectoriel ou un wattmètre et sa sonde. Le wattmètre associé à sa sonde de puissance est l’instrument le plus exact utilisé dans l’industrie. Les sondes de puissance utilisées jusqu’à présent par les industriels ou organismes de recherche sont des sondes à diode, à thermocouple ou à thermistance qui transforment l’énergie RF en une tension DC mesurable avec les meilleures incertitudes.

Les laboratoires nationaux de métrologie étalonnent ces wattmètres et ces sondes qui permettent de mesurer la puissance moyenne du signal RF ; cette puissance mesurée inclut la puissance de la porteuse et des harmoniques. Actuellement les aptitudes de mesure et d’étalonnage ne s’étendent pas au-delà de 110 GHz en Europe, c’est-à-dire au tout début de la bande térahertz des fréquences. Cela est devenu insuffisant pour répondre aux besoins correspondant aux nouveaux usages des signaux HF en pleine expansion.

Microcalorimètre, étalon de puissance HF
Fig.1 - Schéma d’un microcalorimètre, étalon primaire pour la mesure de puissance HF (la cuve d’eau n’est pas représentée).

Pour la mesure primaire de la puissance, le LNE a développé un microcalorimètre. C’est une enceinte thermique, isolée de l’extérieur, qui permet de mesurer des variations de température de l’ordre du millième de kelvin. Il est constitué, d’une cuve d’eau (tampon thermique, température stable et homogène), d’une ogive (protection des sondes de l’eau), thermocouples ou thermopile (pour mesurer l’échauffement entre la monture à étalonner et la tare), guide à parois minces (isolation thermique entre la sonde et les guides de liaison), guides de liaison (pour l’injection du signal HF).

Ce projet de recherche en métrologie vise donc à consolider et étendre la traçabilité des mesures de puissance moyenne jusqu’à des fréquences térahertz (170 GHz). Et, compte tenu de la raréfaction des sondes de puissance bolométriques et de la difficulté d’approvisionner des sondes de puissance thermoélectriques compatibles avec la référence primaire française (microcalorimètre), ce projet implique la réalisation de nouvelles sondes de puissance HF fondée sur la technologie thermoélectrique pour les intégrer dans de nouveaux bancs de référence primaire (microcalorimètre) et secondaire (bancs de transfert de puissance HF).

Impacts scientifiques et industriels

  • Réponses aux demandes croissantes d’étalonnage en puissance HF large bande en connecteur coaxial et globalement d’étalonnages dans la bande térahertz des fréquences ;
  • Réduction de la durée d’étalonnage des montures coaxiales large bande [DC - 67 GHz] ;

  • Extension des possibilités d’étalonnage en puissance HF en connectique coaxiale à 67 GHz (actuellement limitées à 50 GHz), en France et en Europe ;

  • Existence de nouveaux étalons primaires de puissances HF (microcalorimètres) et extension des possibilités d’étalonnage en guide d’onde à 170 GHz (actuellement 110 GHz), en France et en Europe ;

  • Amélioration des incertitudes d’étalonnage au plus haut niveau métrologique des montures en guide d’onde au-delà de 75 GHz ;

  • Simplification de la chaîne d’étalonnages avec une réduction du nombre annuel d’étalonnages nécessaires pour les montures coaxiales et du temps de mesure par fréquence avec le microcalorimètre, conduisant à une forte réduction du temps global d’étalonnage au plus haut niveau métrologique ;

  • De répondre à des demandes clients d’étalonnage en puissance dans le domaine térahertz.

Publications et communications

AHMAD S., CHARLES M., ALLAL D., NEGI P.S. and OJHA V.N., “Realization of 2.4mm coaxial microcalorimeter system as national standard of microwave power from 1 MHz to 50 GHz”, Measurement, 2018, 116, 106-113, DOI: 10.1016/j.measurement.2017.10.063.

ALLAL D., BELIÈRES D., LITWIN A. et CHARLES M., « Développement d’un microcalorimètre sur ligne coaxiale de 2,4 mm et des sondes de puissance associées », Revue française de métrologie, 2014, 33, 3-8, DOI: 10.1051/rfm/2014001.

CHARLES M., LITWIN L., POLETAEFF A. et ALLAL D., « Étalon de puissance radiofréquence pour les basses fréquences de 100 kHz à 1 GHz », Revue française de métrologie, 2012, 29, 25–30, DOI: 10.1051/rfm/2012001.

KAZEMIPOUR A. ZIADÉ F., ALLAL D., JENU M.Z.M. et BERGEAULT E., “Non-linear modeling of RF thermistor: application to bolometer mount calibration”, IEEE Trans. on Instrumentation and measurement, 2011, 60, 7, 2445-2448, DOI:10.1016/j.measurement.2017.10.063.

ZIADE F., BERGEAULT E., HUYART B. et KAZEMIPOUR A., “Realization of a calculable RF power standard in coplanar technology on Alumina substrate”, IEEE Trans. On Microwave Theory and Techniques, 2010, 58, 6, 1592-1598, DOI: 10.1109/TMTT.2010.2048256.

ZIADÉ F., BOURGHES M., KAZEMIPOUR A., BERGEAULT E. et ALLAL D., « Étalon calculable de puissance radiofréquence », Revue française de métrologie, 2009, 20, 3-8, RFM-20-Ziade.

Partenaires/Collaborations

  • PTB, Institut national de métrologie d’Allemagne
  • METAS, Institut national de métrologie de Suisse
  • Laboratoire GeePs de l’Ecole CentraleSupélec, Gif-sur-Yvette, France

  • Institut d'Électronique de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN) de Lille

Résumé de la Thèse

Le sujet de thèse s'inscrit dans le cadre du projet de détermination de la constante de von Klitzing RK débuté il y a quelques années au LNE et dont l'aboutissement est prévu pour 2020. À ce jour, la mesure la plus exacte de cette constante traçable au Système international d’unités (SI) est obtenue via le raccordement de l'ohm produit par l'effet Hall quantique au farad, matérialisé à l'aide d'un condensateur calculable dit de Thompson-Lampard. Afin d'améliorer sa précédente détermination (en 2000) obtenue avec une incertitude relative de 5×10-8, le LNE construit un nouvel étalon calculable de Thompson-Lampard et améliore l'exactitude de l'ensemble des dispositifs de mesure associés. L’objectif de ce vaste projet est de réduire l’incertitude globale sur la détermination de RK à une valeur proche de 10–8. Le travail de thèse porte sur la réalisation, la caractérisation et/ou l’automatisation de la chaîne de mesure associée à cette détermination.

Texte intégral

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01480637v1

Mots Clés

ponts de comparaison d'impédances coaxiaux, transformateurs étalons, métrologie, électricité, instrumentation

Résumé de la thèse

L’architecture des cellules solaires multi-jonction permet d’obtenir des records de rendement de conversion photovoltaïque, pouvant aller jusqu’à 46 %. Leurs sous-cellules sont chacune conçues pour absorber une partie bien définie et complémentaire du spectre solaire, et sont connectées en série par des jonctions tunnel. La fabrication de cellules solaires tandem InGaP/GaAs d’énergies de bande interdite (band gap) 1,87 eV/1,42 eV accordées en maille sur substrat GaAs est bien maîtrisée, et de très hauts rendements peuvent être obtenus en ajoutant une ou deux sous-cellules de plus petit « gap » (1 eV et 0,7 eV). Pour cela, les matériaux « petits gaps » fabriqués par Epitaxie par Jets Moléculaires (EJM) doivent être développés ainsi que des jonctions tunnel présentant une faible résistivité électrique, une haute transparence optique et de bonnes propriétés structurales.

La croissance EJM et la modélisation de jonctions tunnel GaAs nous a permis d’identifier le mécanisme d’effet tunnel interbande plutôt que le mécanisme d’effet tunnel assisté par les défauts comme mécanisme dominant du transport dans ces structures. Nous avons exploité l’hétérostructure de type II fondée sur le système GaAsSb/InGaAs pour favoriser ce mécanisme d’effet tunnel interbande, et donc obtenir des jonctions tunnel de très faible résistivité tout en limitant la dégradation des propriétés optiques et structurales des composants inhérente à l’utilisation de matériaux « petits gaps »et désaccordés en maille GaAsSb et InGaAs.

De plus, nous avons conçu une structure innovante d’hétérojonction tunnel de type II AlGaInAs/AlGaAsSb sous la forme de tampon graduel pour l’incorporation d’une sous-cellule métamorphique à 1 eV. Plusieurs candidats pour le matériau absorbeur à 1 eV à base de nitrure dilué InGaAsN(Bi) ont alors été développés et caractérisés, le contrôle de l’accord de maille étant assuré par un suivi en temps réel de la courbure de l’échantillon pendant la

croissance EJM.

Des premières cellules solaires III-V à base de GaAs, de nitrure dilué à 1 eV et de GaInAs métamorphique ont été fabriquées afin de valider les architectures développées de jonctions tunnel. Ce travail a permis de démontrer le potentiel de l’hétérostructure de type II GaAsSb/InGaAs pour répondre aux principaux défis de conception et de fabrication des cellules solaires multi-jonction sur substrat GaAs, que ce soit au niveau de la jonction tunnel ou au niveau de l’incorporation des sous-cellules de gap 1 eV.

Mots Clés

photovoltaïque, épitaxie, cellules solaires multi-jonction, semiconducteurs III-V, jonction tunnel.

Texte intégral

Consultez la thèse : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-02016465v2

Résumé de la thèse

Le Système international d'unités (SI), fondé sur des constantes fondamentales, va permettre de profiter pleinement des étalons quantiques de résistance, de courant et de tension qui sont reliés à la constante de planck et à la charge élémentaire. Dans cette thèse, nous avons développé et étudié un étalon de résistance fondé sur l'effet Hall quantique (EHQ) dans du graphène obtenu par dépôt chimique en phase vapeur (propane/hydrogène) sur substrat de carbure de silicium. Nous avons réussi à montrer, pour la première fois, qu'un étalon de résistance en graphène pouvait fonctionner à des conditions expérimentales plus pratiques que son homologue en GaAs/AlGaAs, c'est-à-dire à des températures plus élevées (T = 10 K), des champs magnétiques plus faibles (B = 3,5 T) et des courants de mesures plus importants (I = 500 μA). Dans une optique de compréhension et d'amélioration, nous avons analysé la reproductibilité du processus de fabrication de barres de Hall, testé une méthode de modification de la densité électronique et étudié les mécanismes de dissipation en régime d'EHQ. Dans une seconde partie, nous avons démontré qu'il était possible de réaliser une source de courant quantique programmable et versatile, directement reliée à la charge élémentaire, en combinant les deux étalons quantiques de tension et de résistance dans un circuit quantique intégrant un comparateur cryogénique de courant. Des courants ont ainsi pu être générés dans une gamme allant de 1 μA jusqu'à 5 mA avec une incertitude relative jamais atteinte de 10⁻⁸. Nous avons également prouvé que cet étalon de courant, réalisant la nouvelle définition de l'ampère, pouvait être utilisé pour étalonner un ampèremètre.

Mots Clés

graphène, effet hall quantique, métrologie

Texte intégral

Consultez la thèse : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01973021v1

Résumé de la thèse

Des circuits différentiels sont largement utilisés pour la conception de composants hyperfréquences principalement en raison de leur meilleure immunité au bruit. Ces circuits doivent être caractérisés au moyen de paramètres S en mode mixte (mode différentiel, mode commun et conversion entre les deux modes). De plus, la tendance à la miniaturisation et à l’intégration des dispositifs hyperfréquences conduit à l’utilisation de structures planaires ou coplanaires telles que les lignes micro-ruban ou les lignes coplanaires. La structure coplanaire avec les conducteurs déposés à la surface supérieure du substrat évite de réaliser des trous métallisés, et donc simplifie la fabrication et empêche l’apparition d’éléments parasites. Du point de vue de la métrologie électrique, il est nécessaire d’établir la traçabilité des mesures de paramètres S en mode mixte au Système international d’unités (SI). La méthode d’étalonnage Multimode Thru – Reflect – Line (TRL), dérivée de l’étalonnage TRL couramment utilisée pour les mesures de paramètres S de circuits asymétriques, est bien adaptée à cette problématique. En effet, l’impédance caractéristique, qui définit l’impédance de référence du système de mesure, peut être obtenue à partir des constantes de propagation déterminées lors de la procédure Multimode TRL et des capacités linéiques en DC.

Nous présentons la première conception et la réalisation d’un kit d’étalonnage Multimode TRL et d’un kit de vérification à base des lignes coplanaires couplées en configuration « Ground – Signal – Ground – Signal – Ground » sur un substrat de quartz (SiO2) à faibles pertes diélectriques pour des mesures de paramètres S en mode mixte sur wafer de 1 GHz à 40 GHz.

Les mesures sont effectuées à l’aide de deux méthodes : l’approche « one-tier » basée sur la procédure d’étalonnage Multimode TRL afin de déterminer et de corriger l’ensemble des erreurs systématiques ou bien l’approche « two-tier » qui fractionne la détermination et la correction des termes d’erreur en deux étapes dont la deuxième est associée à la méthode Multimode TRL. La faisabilité et la validation de ces techniques sont démontrées par des mesures d’éléments de vérification, constitués de lignes (adaptées, désadaptées et déséquilibrées) et d’atténuateurs en T, qui montrent un très bon accord entre les valeurs mesurées et simulées.

La propagation des incertitudes est évaluée soit à partir du calcul des dérivées partielles à l’aide de l’outil Metas.Unclib ou bien par simulation numérique basée sur la méthode de Monte Carlo. La précision des mesures de paramètres S sous pointes dépend des sources d’influence attribuées aux mesures et aux imperfections des étalons telles que le bruit et la non-linéarité de l’analyseur de réseaux vectoriel, la stabilité des câbles, la répétabilité des mesures et la sensibilité dans la réalisation des étalons. Faute de temps, nous nous limitons à estimer la propagation d’incertitudes liées à la répétabilité de mesure des étalons et du dispositif sous test (DST) aux valeurs des paramètres S corrigés de la ligne désadaptée. Les résultats montrent que l’approche des dérivées partielles basée sur une approximation de la série de Taylor au premier ordre ne peut pas être utilisée avec précision à cause de l’influence significative de la non-linéarité des fonctions mathématiques de l’algorithme Multimode TRL. La méthode Monte Carlo s’avère alors plus précise bien qu’elle nécessite des temps de calcul très longs.

Mots clés

analyseur de réseau vectoriel 4-ports, circuit différentiel, étalonnage multimode TRL, ligne coplanaire couplée, paramètres S en mode mixte, incertitude de mesure

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Résumé de la thèse

Mesurer des forts courants alternatifs sur une large bande de fréquences est primordial pour de nombreuses applications dont la surveillance du réseau de distribution électrique et le développement des véhicules électriques.

Dans le premier cas, la mesure du courant est nécessaire pour quantifier la qualité du réseau en présence d’harmoniques provenant des énergies renouvelables intermittentes dont le spectre en fréquences est assez large (plusieurs centaines de kilohertz). Dans le second cas, la mesure du courant (jusqu’à plusieurs dizaines d’ampères) intervient dans la quantification du rendement de la chaîne de traction d’un moteur électrique : dans la mesure du courant la prise en compte d’un grand nombre d’harmoniques (jusqu’à 1 MHz) est indispensable pour garantir une connaissance précise du rendement du moteur. Des résistances de faibles valeurs, appelées « shunt », sont alors indispensables pour mesurer des forts courants. Les shunts sont largement utilisés comme étalon de résistance dans les laboratoires de métrologie et les instruments de précision. Leur utilisation nécessite la connaissance préliminaire en fonction de la fréquence des deux paramètres suivants : déphasage de l’impédance du shunt ; variation relative du module de l’impédance du shunt par rapport à la sa valeur de sa résistance en courant continu, ce paramètre est appelé “écart de transposition”. Pour un niveau de courant de 10 A, l’impédance des shunts existants présente de fortes variations en module et phase pour les fréquences supérieures à 100 kHz. De plus, actuellement dans les laboratoires nationaux de métrologie, pour étalonner les shunts au-delà de 1 A les méthodes de mesure utilisées sont, d’une part, limitées en module à 100 kHz et en phase à 200 kHz, et d’autre part, elles donnent accès uniquement à un des deux paramètres : module ou phase de l’impédance du shunt.

Ce travail de thèse a pour objectif d’étendre jusqu’à 10 A et 1 MHz les possibilités d’étalonnage des capteurs de forts courant et d’améliorer ainsi la traçabilité des mesures en courant alternatif. Nous avons dans un premier temps développé un shunt étalon de 10 A dont la réponse électromagnétique (jusqu’à 10 MHz) et la réponse thermique sont entièrement calculables : à 1 MHz le déphasage et l’écart de transposition sont respectivement de -0,01 mrad et 15 ppm. Dans un second temps, nous avons mis au point une méthode d'étalonnage traçable permettant de mesurer les shunts jusqu’à 10 MHz. La méthode de mesure, basée sur l'utilisation d'un analyseur de réseau vectoriel, permet de mesurer simultanément l’écart de transposition et la phase de l'impédance d'un shunt avec des incertitudes relatives inférieures à 1×10⁻³ à 1 MHz.

Mots clés

shunts de courant, étalonnage, mesure de courant, modélisation, incertitude

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Résumé de la thèse

Alors que la préoccupation mondiale pour le changement climatique et ses effets se multiplient, les gouvernements sont forcés de prendre des décisions fermes en faveur de la mise en place des réseaux électriques intelligents. Toutefois, le succès de ces actions dépend fortement de la satisfaction de certaines exigences du réseau électrique soulevées par la qualité de l’énergie fournie et les moyens de l’évaluer. Les réseaux électriques intelligents doivent relever les défis posés par l’utilisation croissante des sources d’énergie renouvelables, telles que le photovoltaïque (PV), le vent, etc. et les équipements, tels que les onduleurs photovoltaïques (PVI), les chargeurs de véhicules électriques (EVC), etc. Cela introduit un environnement opérationnel de dynamique complexe pour le système de distribution. Les distorsions provenant d’équipement de nouvelle génération et de charge sont généralement plus importantes et moins régulières que celles dues à l’équipement de génération traditionnelle et de charge, rendant les mesures de puissance et d’énergie difficiles à effectuer.

Dans ce contexte, la thèse vise à quantifier et reproduire les émissions supra-harmoniques pour des fréquences de 2 kHz à 150 kHz. Par conséquent, la littérature existante sur les émissions supra-harmoniques pour des fréquences de 2 kHz à 150 kHz est étudiée. Le système de mesure à 4 voies est conçu et mis en œuvre pour la mesure des composantes fondamentales et supra-harmoniques des formes d’onde de tension et de courant pour des fréquences de 2 kHz à 150 kHz dans le réseau électrique. Les mesures sont effectuées dans la plateforme Concept Grid d’EDF. La caractérisation des équipements individuels et les tests du réseau électrique sont effectués ici. Les formes d’onde acquises durant les campagnes de mesure sont traitées mathématiquement à l’aide de l’algorithme de transformation rapide de Fourier (FFT) et statistiquement à l’aide de l’algorithme d’analyse de variance (ANOVA). Le traitement mathématique et statistique des formes d’onde acquises permet de déterminer les effets individuels et les interactions des différents paramètres dans la génération des émissions supra-harmoniques dans le réseau électrique. Les différents paramètres, tels que les émissions primaires et secondaires, les effets de la longueur du câble, les effets de l’ajout soudain et l’enlèvement de l’équipement de charge sont également étudiés.

La thèse décrit la conception de la plateforme complexe d’onde, qui peut être utilisée pour des essais en laboratoire et la caractérisation des analyseurs de qualité de puissance (PQA) pour des fréquences de 2 kHz à 150 kHz. Dans les réseaux électriques, la plateforme d’onde peut être utilisée pour mesurer les émissions supra-harmoniques pour des fréquences de 2 kHz à 150 kHz. L’architecture logicielle de la plateforme d’onde est décrite ici. De plus, le document explique la conception matérielle de la plateforme d’onde. Il comprend également les applications de la plateforme d’onde du laboratoire et du réseau électrique. La configuration au laboratoire pour la caractérisation du PQA et le schéma de mesure pour les formes d’onde du réseau électrique sont également représentés ici. Le bilan d’incertitude pour la plateforme d’onde est calculé en tenant compte des différents facteurs, tels que la longueur du câble, le bruit, etc., sont discutés dans la thèse. Enfin, le PQA est caractérisé dans des fréquences de 2 kHz à 150 kHz par rapport à la plateforme d’onde pour des amplitudes d’émission variables.

Mot clés

qualité de l'énergie, sources d'énergie renouvelables, réseaux intelligents, émissions supra-harmoniques, plateforme d’onde, réseaux électriques intelligents, énergies renouvelables.

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Résumé HDR

L’effet Hall quantique (EHQ) et l’effet Josephson, effets quantiques macroscopiques de l’état solide, ont révolutionné la métrologie électrique en fournissant des étalons universels et reproductibles de résistance et de tension, uniquement liés à la charge élémentaire e et à la constante de Planck h. À l’issue de nombreux travaux de recherche, ils vont être consacrés par le futur Système International d’unités (SI) fondé sur des valeurs exactes de constantes, dont e et h. Dans ce manuscrit, je présente les travaux de recherche que j’ai menés, d’abord au Laboratoire central des industries électriques (LCIE) puis au Laboratoire national de métrologie et d’essais (LNE), visant au développement d’étalons quantiques de résistance et de courant plus performants et pratiques exploitant ces deux effets. Ils concernent, entre autres, les réseaux de Hall, les tests d’universalité de l’EHQ, la physique de la quantification de Hall dans les « graphènes » et la réalisation pratique et quantique de l’ampère mais également l’instrumentation nécessaire à tous ces enjeux de recherche. Je conclus ce manuscrit en abordant quelques perspectives d’avenir, dont le calibrateur universel quantique qui s’impose dans le contexte du nouveau SI.

Texte intégral

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01709975v3

Mots Clés

Système international d’unités, constantes fondamentales, étalons électriques quantiques, ohm, ampère, résistance, courant, instrumentation, effet Hall quantique, graphène, métrologie, SQUID, comparateur de courant cryogénique