Caractéristiques électriques non-linéaires de la transition isolant-métal du dioxyde de vanadium (VO2) : application à la conception de métamatériaux accordables dans le domaine térahertz

Non-linear electrical characteristics of the metal-insulator transition in vanadium dioxide (VO2) : Application towards the fabrication of tunable terahertz metamaterials

• Auteur / Autrice : Jonathan Leroy
• Direction : Aurelian Crunteanu-Stànescu, Pierre Blondy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique des Hautes Fréquences, Photoniques et Systèmes
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie pour l'information, mathématiques (Limoges2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Limoges. Faculté des sciences et techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique

Spectroscopie terahertz

Métamatériaux

Vanadium

Transitions métal-isolant

Mots clés libres

Dispositifs accordables

Résumé

Les travaux de recherche présentés dans ce manuscrit visent l’étude des caractéristiques électriques non-linéaires de la transition isolant-métal (MIT) du dioxyde de vanadium (VO2) et leurs applications à la réalisation de métamatériaux térahertz (THz) accordables. Cette transition MIT peut être initiée dans le matériau VO2 de différentes manières (thermiques, électriques et optiques) et entraîne différentes variations de propriétés du matériau (conductivité, constantes optiques et diélectriques). Dans un premier temps, nous étudions les non-linéarités électriques présentes dans les caractéristiques courant-tension (I-V) de dispositifs à base de VO2 lors de la transition MIT déclenchée électriquement. Cette étude met en évidence une transition MIT percolative avec un mécanisme d'origine thermique. Dans un deuxième temps, nous étudions l’application du changement des propriétés du matériau VO2 à la réalisation de métamatériaux THz accordables à base de VO2. L'intégration hybride du VO2 dans ces structures artificielles permet de leur conférer des réponses THz accordables, déclenchées thermiquement et électriquement. Nos travaux constituent une ouverture vers la réalisation de systèmes d'imagerie THz et de dispositifs accordables dans le domaine de l’infrarouge et de l’optique visible à base de métamatériaux accordables.

The research presented in this manuscript focus on studying the non-linear electrical characteristics of the metal-insulator transition (MIT) in vanadium dioxide (VO2) and their applications towards the fabrication of tunable terahertz (THz) metamaterials. The MIT transition in VO2 can be triggered in different ways (thermal, electrical and optical) and is accompanied by different changes in material properties (conductivity, optical and dielectric properties). We studied the electrical non-linearities of the current-voltage (I-V) characteristics of VO2 based devices during the electrically triggering of the MIT transition. This study highlights a percolative-type MIT transition based on a thermal mechanism. Based on these findings, we design, fabricate and characterize tunable THz metamaterials (0. 1 – 1 THz) integrating VO2 films and patterns. The THz frequency response of the hybrid metamaterials is significantly changing as the VO2 material is performing a reversible thermally or electrically-driven MIT. Our research is opening new, interesting concepts towards the THz tunable and active systems and can be easily transposed for realizing active metamaterial-based devices in the infrared and visible optical domains.