Mesure optique intradermique via des microaiguilles instrumentées
Le cortisol, joue un rôle central dans la régulation du cycle circadien et dans de nombreux processus physiologiques essentiels tels que le métabolisme énergétique et la réponse immunitaire. La surveillance conventionnelle du cortisol repose sur des prélèvements sanguins ou salivaires ponctuels, qui ne reflètent pas fidèlement la dynamique temporelle de sa sécrétion. Il devient donc nécessaire de développer des approches innovantes permettant une mesure continue, peu invasive et fiable de la concentration de cortisol chez les patients.
Le projet doctoral vise à développer une instrumentation originale optique couplée à des microaiguilles fonctionnalisées avec des aptamères fluorescents pour le suivi de cortisol intradermique, de manière continue, minimalement invasive et sans prélèvement. Dans ce cadre, le doctorant aura pour mission de concevoir et de dimensionner les futures microaiguilles optiques destinées à la détection du cortisol. De mettre en place des dispositifs expérimentaux nécessaires à la caractérisation des microaiguilles optiques fabriquées au sein du département et de tester les performances des microaiguilles dans un environnement représentatif. Enfin, le doctorant développera une méthodologie complète de traitement et d’analyse des données afin d’identifier les paramètres clés permettant d’établir un lien quantitatif entre les signaux collectés et la concentration en cortisol. L’ensemble de ces travaux contribuera à la mise au point d’un dispositif de mesure innovant basé sur les technologies de rupture d’émission et de détection optiques disponibles au CEA-LETI, combinant précision, sensibilité, compacité et donc compatibilité avec une utilisation in vivo.
Développement de sources de photons multiplexées pour les technologies quantiques
Les technologies de l’information quantique offrent de nombreuses promesses notamment dans le domaine du calcul et des communications sécurisées. Les qubits photoniques, du fait de leur excellente robustesse à la décohérence sont particulièrement intéressants pour les communications quantiques, y compris à température ambiante. Ils offrent également une alternative à d’autres technologies de qubits dans le cadre du calcul quantique. Afin de déployer à grande échelle ces applications, il est nécessaire de disposer de dispositifs compacts, bon marché, en grand nombre. La photonique sur silicium est une plate-forme attractive pour parvenir à cet objectif, en implémentant différents composants clé de génération, manipulation et détection de qubits photoniques. Sur silicium, la génération de qubits photoniques repose sur la génération de paires de photons par effet non-linéaire dans le silicium, présentant différents attraits tels que le fonctionnement à température ambiante, la possibilité d’utiliser la paire de photons comme source de photons uniques annoncés, et la possibilité de générer des photons indiscernables à partir de deux sources spatialement distinctes.
L’objectif de cette thèse est de travailler au développement, au suivi de fabrication et à la caractérisation en laboratoire de sources de paires de photons multiplexées sur puce silicium afin de surpasser les limites inhérentes au processus physique de génération de paires de photons. Dans l’objectif d’une intégration complète sur une puce unique, il sera également essentiel de pouvoir filtrer efficacement la lumière indésirable, afin de ne garder que les photons d’intérêt. C’est pourquoi un accent particulier sera également mis sur le développement de filtres intégrés à très fort taux de réjection.
Suivi en ligne des procédés de bio-production par imagerie holographique 3D
La culture des cellules adhérentes est un moyen prometteur pour différentes applications en bioproduction, comme la fabrication et l'administration de biomédicaments, la médecine régénérative, ou le suivi de la différenciation cellulaire. Cependant, elle pose des défis majeurs pour l’analyse des cellules sans affecter l’intégrité du substrat. L’imagerie holographique sans lentille se présente comme une solution prometteuse, capable de capturer des images de cellules sur un grand champ de vue sans aucune étape biochimique supplémentaire.
Cette thèse propose de développer un système d’imagerie holographique 3D pour le suivi des cellules adhérentes en temps quasi-réel, avec des algorithmes avancés pour la reconstruction et l’analyse d’images. Le système testé en terme de précision et robustesse sur des cultures biologiques variées. L’utilisation de l’apprentissage profond permettra la segmentation et l'analyse des cellules en temps quasi-réel, facilitant ainsi le suivi des dynamiques cellulaires. Ce projet innovant promet d'optimiser les procédés biologiques en offrant une vision non invasive des échantillons multicellulaires en 3D, avec des applications potentielles comme le suivi d’organes-sur-puce et de systèmes cellulaires complexes.
Développement et monitoring multiparamétrique d’un modèle microfluidique sur puce de la barrière hémato-encéphalique
La barrière hémato-encéphalique (BHE) assure la protection du cerveau en contrôlant les échanges entre le sang et le tissu nerveux. Cependant, les modèles actuels peinent à reproduire fidèlement sa complexité. Cette thèse vise à développer puis à évaluer un nouveau modèle microfluidique de BHE sur puce intégrant un système de monitoring en temps réel combinant mesures optiques et électriques en simultané. Le dispositif permettra d’étudier la perméabilité, la résistance transendothéliale et la réponse cellulaire à divers stimuli pharmacologiques ou toxiques. En combinant microtechnologies, co-cultures cellulaires et capteurs intégrés, cet avatar biologique offrira une approche plus physiologique et dynamique que les systèmes in vitro classiques permettant d’améliorer la compréhension des phénomènes de diffusion/perméation des molécules thérapeutiques. Ce projet contribuera au développement d’outils prédictifs pour la neuropharmacologie, la toxicologie et la recherche sur les maladies neurodégénératives.
Réseaux neuronaux liquides à base d’oscillateurs verrouillés par injection pour une intelligence embarquée générative
Les architectures neuromorphiques actuelles, bien que plus efficaces grâce au in-memory computing, restent limitées par la densité extrême en poids et interconnexions, rendant leur implémentation matérielle complexe et coûteuse. Les Liquid Neural Networks (LNN), introduits par le MIT au niveau algorithmique, offrent une rupture : des neurones dynamiques à temps continu capables d’ajuster leurs constantes internes selon le signal reçu, réduisant drastiquement le nombre de paramètres nécessaires.
L’objectif de la thèse est de transposer les algorithmes des LNN au niveau circuit, en développant des cellules analogiques très faible consommation à base d’oscillateurs, réalisant le calcul neuronal dans le domaine temporel et reproduisant la dynamique liquide, puis en les interconnectant dans une architecture stable et récurrente afin de viser des applications d’IA générative. Un démonstrateur silicium sera conçu et validé, ouvrant la voie à une nouvelle génération de systèmes neuromorphiques liquides pour l’Edge AI.
Intelligence Artificielle pour la Modélisation et l'Analyse Topographique des Puces Électroniques
L’inspection des surfaces de wafers est cruciale en microélectronique pour détecter les défauts affectant la qualité des puces. Les méthodes traditionnelles, basées sur des modèles physiques, sont limitées en précision et en temps de calcul. Cette thèse propose d’utiliser l’intelligence artificielle (IA) pour caractériser et modéliser la topographie des wafers, en exploitant des techniques d’interférométrie optique et des modèles avancés.
L’objectif est de développer des algorithmes d’IA capables de prédire les défauts topographiques (érosion, dishing) avec une haute précision, en s’appuyant sur des architectures comme les réseaux de neurones convolutifs (CNN), les modèles génératifs ou les approches hybrides. Les travaux incluront l’optimisation des modèles pour une inférence rapide et une généralisation robuste, tout en réduisant les coûts de fabrication.
Ce projet s’inscrit dans une démarche d’amélioration des procédés de microfabrication, avec des applications potentielles dans l’industrie des semi-conducteurs. Les résultats attendus contribueront à une meilleure compréhension des défauts de surface et à l’optimisation des processus de production.
Analyse et conception de surfaces à impédance à dispersion contrôlée
L'ingénierie de la dispersion (DE) désigne le contrôle de la propagation des ondes électromagnétiques dans une structure en modulant la relation entre la fréquence et la vitesse de phase. Grâce à des matériaux et des surfaces artificiellement conçus, il est possible d’ajuster cette relation afin d’obtenir des comportements de propagation non conventionnels, permettant ainsi un contrôle précis des effets dispersifs du système. Dans le domaine des antennes, le DE peut améliorer plusieurs aspects essentiels des performances en rayonnement, notamment la largeur de bande en gain, la précision de balayage du faisceau et, plus généralement, la réduction des distorsions inhérentes aux variations de fréquence. Il peut également permettre des fonctionnalités supplémentaires, telles que le fonctionnement multibande ou le comportement multifocal dans des antennes à lentilles ou réflecteurs.
Cette thèse vise à étudier les phénomènes physiques régissant le contrôle des vitesses de phase et de groupe dans des surfaces artificielles bidimensionnelles présentant des impédances effectives dépendantes de la fréquence. Une attention particulière sera portée aux architectures à alimentation spatiale, telles que les réseaux transmetteurs et réflecteurs, où la dispersion joue un rôle déterminant. L’objectif est d’établir des formulations analytiques permettant de contrôler simultanément le retard de groupe et le retard de phase, de développer des modèles généraux et d’évaluer les limites fondamentales de ces systèmes en termes de performances en rayonnement. Ce travail est particulièrement pertinent pour les antennes à très fort gain, domaine dans lequel l’état de l’art reste limité. Les conceptions actuelles basées sur le DE présentent généralement une bande passante étroite, et aucune solution compacte à très fort gain (> 35 dBi) ne parvient encore à surmonter les dégradations liées à la dispersion, telles que la baisse de gain ou le dépointage du faisceau.
Le doctorant développera des outils théoriques et numériques, étudiera de nouveaux concepts de cellules unitaires périodiques pour les surfaces d’impédance, et concevra des architectures d’antennes avancées exploitant des principes tels que le délai de temps réel, le fonctionnement multibande à ouverture partagée ou la focalisation en champ proche avec minimisation des aberrations chromatiques. Le projet explorera également des technologies de fabrication alternatives afin de dépasser les contraintes des procédés classiques de PCB et de libérer de nouvelles capacités de contrôle de la dispersion.
Étude et modélisation des dynamiques de domaines ferroélectriques et antiferroélectriques dans les condensateurs à base d’oxyde d’hafnium
Le contexte de la thèse s’inscrit dans l’exploration de nouvelles technologies de supercondensateurs et de dispositifs hybrides de stockage d’énergie, visant à concilier miniaturisation, forte densité de puissance et compatibilité avec les procédés microélectroniques. L’expertise du laboratoire d’accueil (LTEI/DCOS/LCRE) en intégration de couches minces et en ingénierie de matériaux diélectriques ouvre aujourd’hui des perspectives inédites pour l’étude des comportements ferroélectriques et antiferroélectriques dans les oxydes d’hafnium dopés.
La thèse portera plus particulièrement sur l’étude expérimentale et la modélisation physique de condensateurs à couches minces d’oxyde d’hafnium (HfO2), dopés de manière à présenter des propriétés ferroélectriques (FE) ou antiferroélectriques (AFE) selon la composition et les conditions de dépôt, par exemple à travers l’incorporation de ZrO2 ou de SiO2. Ces matériaux présentent un fort potentiel pour la réalisation de dispositifs combinant fonctions de mémoire non-volatile et de stockage d’énergie sur une même plateforme CMOS-compatible, ouvrant ainsi la voie à des systèmes autonomes à très faible consommation, tels que les architectures d’edge computing, les capteurs environnementaux ou les objets connectés intelligents.
Le travail de recherche consistera à fabriquer et caractériser des condensateurs métal–isolant–métal (MIM) à base d’HfO2 dopé, intégrés sur substrats silicium, puis à étudier expérimentalement les mécanismes de relaxation des domaines ferroélectriques et antiferroélectriques à partir de mesures courant–tension (I–V) et polarisation–champ électrique (P–E), réalisées sous différentes fréquences, amplitudes et conditions de cyclage. L’analyse des boucles d’hystérésis mineures permettra d’extraire la distribution des énergies d’activation et de modéliser la dynamique de relaxation des domaines ferroélectriques. Un modèle physique sera ensuite élaboré ou adapté afin de décrire les transitions FE/AFE sous excitation électrique cyclique, en tenant compte des phénomènes de piégeage de charges, des contraintes mécaniques et des effets de nucléation et de croissance des domaines.
L’ensemble de ces travaux visera à optimiser la densité d’énergie récupérable et le rendement énergétique global des dispositifs, tout en établissant des critères de conception pour des composants de stockage d’énergie compacts, efficaces et pleinement intégrables dans les technologies silicium. Les connaissances acquises contribueront à une meilleure compréhension des mécanismes dynamiques régissant le comportement FE/AFE de l’HfO2 dopé et bénéficieront potentiellement à d’autres domaines tels que les mémoires ferroélectriques, la récupération d’énergie et les architectures neuromorphiques à basse consommation.
Matériaux d'électrode avancées par ALD pour les composants ioniques
L’objectif principal des travaux de thèse est de développer des couches conductrices par la technique ALD (Atomic Layer Deposition) à très faible épaisseur (<10nm) avec des fonctionnalités d’électrodes (très faible résistivité 100). L’autre challenge vise à réduire l’épaisseur des couches à moins de 5nm tout en préservant les propriétés électriques très avancées (résistivité de quelques mOhm). Le travail de thèse comporte plusieurs aspects incluant le procédé et les précurseurs ALD, la caractérisation des couches intrinsèques (physico-chimiques, électrochimique et morphologique) ainsi que l’intégration en dispositif 3D.
Développement et validation d’algorithmes d’intelligence artificielle, appliqués à l’haptique surfacique, pour l’évaluation des troubles neurodéveloppementaux à travers le toucher et la dextérité
L'objectif de cette thèse est de développer de nouvelles méthodes d'évaluation clinique utilisant des technologies haptique surfaciques, développées au CEA List, et des algorithmes de machine learning pour tester et mesurer l'intégration tactile-motrice. En particulier, la thèse investiguera et validera le développement d'un pipeline d'analyse multimodale qui convertit les signaux haptique et les données des exercices de dextérité (c'est-à-dire les événements de stimulation tactile, la cinématique des doigts, les forces de contact et le timing en millisecondes) en biomarqueurs fiables et interprétables de la perception tactile et du couplage sensorimoteur, puis classera les schémas d'intégration normatifs par rapport aux schémas atypiques avec une fidélité clinique pour l'évaluation.
Résultats attendus : une nouvelle technologie et des modèles pour la mesure rapide et réalisable des déficits tactuo-moteurs en milieu clinique, avec une validation initiale pour différents troubles du neurodéveloppement (c'est-à-dire la psychose, le trouble du spectre autistique et la dyspraxie). Les méthodes développées et les données collectées fourniront :
(1) une bibliothèque de caractéristiques ouverte et versionnée pour l'évaluation tactuo-motrice ;
(2) des classifieurs avec des points de fonctionnement prédéfinis (sensibilité/spécificité) ;
(3) et une pipeline « edge-ready » sur le dispositif, c'est-à-dire capable de fonctionner localement sur une tablette tout en respectant les contraintes de latence, de calcul et de confidentialité des données. Le succès sera mesuré par la reproductibilité des caractéristiques, des tailles d'effet cliniquement significatives et une logique de décision interprétable qui se rapporte à la neurophysiologie connue plutôt qu'à des artefacts.