Représentation et identification des hypersurfaces

L’objectif à moyen terme de ce travail est d’explorer quelques formulations des problèmes d’identification de forme et de reconnaissance de surface à partir de mesures ponctuelles. Ces problèmes ont plusieurs applications importantes dans les domaines de l’imagerie médicale, de la biométrie, de la sécurité des accès automatiques et dans l’identification de structures cohérentes lagrangiennes en mécanique des fluides. Par exemple, le problème d’identification des différentes caractéristiques de la main droite ou du visage d’une population à l’autre ou le suivi d’une chirurgie à partir des données générées par un numériseur. L’objectif de ce mémoire est de préparer le terrain en passant en revue les différents outils mathématiques disponibles pour appréhender la géométrie comme variable d’optimisation ou d’identification. Pour l’identification des surfaces, on explore l’utilisation de fonctions distance ou distance orientée, et d’ensembles de niveau comme chez S. Osher et R. Fedkiw ; pour la comparaison de surfaces, on présente les constructions des métriques de Courant par A. M. Micheletti en 1972 et le point de vue de R. Azencott et A. Trouvé en 1995 qui consistent à générer des déformations d’une surface de référence via une famille de difféomorphismes. L’accent est mis sur les fondations mathématiques sous-jacentes que l’on a essayé de clarifier lorsque nécessaire, et, le cas échéant, sur l’exploration d’autres avenues.The mid-term objective of this work is to explore some formulations of shape identification and surface recognition problems from point measurements. Those problems have important applications in medical imaging, biometrics, security of the automatic access, and in the identification of Lagrangian Coherent Structures in Fluid Mechanics. For instance, the problem of identifying the different characteristics of the right hand or the face from a population to another or the follow-up after surgery from data generated by a scanner. The objective of this mémoire is to prepare the ground by reviewing the different mathematical tools available to apprehend the geometry as an identification or optimization variable. For surface identification it explores the use of distance functions, oriented distance functions, and level sets as in S. Osher and R. Fedkiw ; for surface recognition it emphasizes the construction of Courant metrics by A. M. Micheletti in 1972 and the point of view of R. Azencott and A. Trouvé in 1995 which consists in generating deformations of a reference surface via a family of diffeomorphisms. The accent will be put on the underlying mathematical foundations that it will attempt to clarify as necessary, and, if need be, on exploring new avenues

Self-oscillations in field emission nanowire mechanical resonators: a nanometric DC-AC conversion

We report the observation of self-oscillations in a bottom-up nanoelectromechanical system (NEMS) during field emission driven by a constant applied voltage. An electromechanical model is explored that explains the phenomenon and that can be directly used to develop integrated devices. In this first study we have already achieved ~50% DC/AC (direct to alternative current) conversion. Electrical self-oscillations in NEMS open up a new path for the development of high speed, autonomous nanoresonators, and signal generators and show that field emission (FE) is a powerful tool for building new nano-components

Current Saturation in Field Emission from H-Passivated Si Nanowires

International audienceThis paper explores the field emission (FE) properties of highly crystalline Si nanowires (NWs) with controlled surface passivation. The NWs were batch-grown by the vapor_liquid_solid process using Au catalysts with no intentional doping. The FE current_voltage characteristics showed quasi-ideal current saturation that resembles those predicted by the basic theory for emission from semiconductors, even at room temperature. In the saturation region, the currents were extremely sensitive to temperature and also increased linearly with voltage drop along the nanowire. The latter permits the estimation of the doping concentration and the carrier lifetime, which is limited by surface recombination. The conductivity could be tuned over 2 orders of magnitude by in situ hydrogen passivation/desorption cycles. This work highlights the role of dangling bonds in surface leakage currents and demonstrates the use of hydrogen passivation for optimizing the FE characteristics of Si NWs

Field emission measure of the time response of individual semiconducting nanowires to laser excitation

International audienceA simple technique is explored to determine the temporal photo-response, s, of individual semiconducting SiC and Si nanowires (NWs), with a high time resolution. Laser-assisted field emission (LAFE) from the NWs is first shown to be highly sensitive to continuous laser illumination. Pulsed illumination is then combined with measurements of the total energy distributions to determine s which were rather large, 4-200 ls. The time response scaled roughly with the square of the NWs length and could be attributed to laser-induced heating. LAFE is thus a new tool for quantifying rapid thermo-optical effects in such nano-objects

Direct growth of carbon nanotubes on new high-density 3D pyramid-shaped microelectrode arrays for brain-machine interfaces

Silicon micromachined, high-density, pyramid-shaped neural microelectrode arrays (MEAs) have been designed and fabricated for intracortical 3D recording and stimulation. The novel architecture of this MEA has made it unique among the currently available micromachined electrode arrays, as it has provided higher density contacts between the electrodes and targeted neural tissue facilitating recording from different depths of the brain. Our novel masking technique enhances uniform tip-exposure for variable-height electrodes and improves process time and cost significantly. The tips of the electrodes have been coated with platinum (Pt). We have reported for the first time a selective direct growth of carbon nanotubes (CNTs) on the tips of 3D MEAs using the Pt coating as a catalyzer. The average impedance of the CNT-coated electrodes at 1 kHz is 14 k. The CNT coating led to a 5-fold decrease of the impedance and a 600-fold increase in charge transfer compared with the Pt electrode

Performance of field-emitting resonating carbon nanotubes as radio-frequency demodulators

International audienceWe report on a systematic study of the use of resonating nanotubes in a field emission (FE) configuration to demodulate radio frequency signals. We particularly concentrate on how the demodulation depends on the variation of the field amplification factor during resonance. Analytical formulas describing the demodulation are derived as functions of the system parameters. Experiments using AM and FM demodulations in a transmission electron microscope are also presented with a determination of all the pertinent experimental parameters. Finally we discuss the use of CNTs undergoing FE as nanoantennae and the different geometries that could be used for optimization and implementation. © 2011 American Physical Society

Studies of the physical properties of individual silicon carbide nanowires by field emission

Ce travail s’inscrit dans le cadre de la caractérisation physique de nanofils (NF) semiconducteurs (SC) qui est un domaine en plein essor ces dernières années. Plus précisément, nous explorons l’émission de champ (EC) de NFs individuels de Carbure de Silicium (SiC) pour leur potentialité comme source d'électrons, mais surtout pour étudier leurs propriétés de transport électrique, optiques et mécaniques.Le rôle important joué par la surface dans ces NFs a été prouvé par des traitements in situ qui ont eu des conséquences radicales sur l’EC dévoilant ainsi des propriétés d’émission propres aux SCs. En particulier, un régime de saturation, en accord avec la théorie d’EC des SCs, associé à une forte dépendance de l'émission à la température et à l’illumination laser a été révélé pour la première fois pour un NF. Ces mesures ouvrent des perspectives importantes tant pour la recherche fondamentale que pour les applications telles que la réalisation de photocathodes et de sources d’électrons pilotées optiquement ou par la température. Les caractéristiques courant-tension-température associées à l’analyse en énergie des électrons émis nous ont permis de déterminer le mécanisme de transport dans ces NFs, qui est limité par le nombre de porteurs dans le volume et contrôlé par les pièges présents dans la bande interdite par l’effet Poole-Frenkel. Finalement, la caractérisation mécanique a révélé des valeurs du facteur de qualité élevé (160000) et du module de Young allant jusqu’à 700GPa. Ces valeurs sont très prometteuses pour l’utilisation de ces NFs dans les systèmes nano-électro-mécaniques et dans les composites.We use field emission (FE) from individual silicon carbide nanowires (NWs) to explore their potential as electron sources, and especially as a versatile tool for studying transport, optical and mechanical properties of NWs. These studies fall within the larger framework of the physics of semiconducting (SC) nanowires, which is presently a large and rapidly expanding domain. The important role played by the surface in the transport and optical properties of NWs was clearly demonstrated by the radical consequences induced by in situ treatments on the FE properties. This permitted the observation of the specific behavior expected for SCs, particularly, a current saturation regime in agreement with the theory of FE for SCs. We found that the saturation was concomitant with a strong dependence of the emission on temperature and laser illumination, revealed for the first time for a NF. These measurements open important perspectives for both fundamental research and applications such as the realization of optically or thermally controlled FE electron sources. The current-voltage-temperature characteristics were carried out in parallel with measurement of the energy distributions of the emitted electrons, thus permitting the determination of the transport mechanism in the NWs. We found that the transport was limited by the carrier density in the volume and by the traps in the gap that generate current through the Poole-Frenkel effect. Finally, the mechanical characterization revealed high quality factors, as high as 160,000, and a Young’s modulus up to 700 GPa. These values are very promising for the use of these NWs in nano-electro-mechanical systems (NEMS) and composites

InP optical switching matrixes based on carrier injection

Partant d'une structure de commutateur électro-optique sur InP de type DOS (Digital Optical Switch) fonctionnant par injection des porteurs, de faible diaphotie (-40dB) à la longueur d'onde 1.55µm, le but de ce travail de thèse a été d'étudier la possibilité de réaliser en optique intégrée sur InP des matrices de commutation à 2 entrées et 2 sorties conservant les mêmes performances en diaphotie. Pour atteindre cet objectif, nous avons tout d'abord optimisé la géométrie d'une matrice purement passive à l'aide de la méthode des faisceaux propagés (BPM) 2D ou 3D. Nous avons ainsi défini sept matrices 2X2 passives que nous avons réalisées et caractérisées dont certaines atteignent une diaphotie d'environ -40dB. Nous avons ensuite adapté ces matrices passives à une nouvelle géométrie de commutateur compatible avec les courbes de forme sinusoïdale de nos matrices, dont nous prévoyons pour certaines une diaphotie avoisinant -40dB. Les cinq matrices actives optimisées ont été réalisées et caractérisées en terme de pertes, consommation et diaphotie, Nous obtenons une forte sensibilité à la polarisation optique avec une diaphotie qui peut atteindre presque -30dB pour la matrice la plus performante.Starting from a Digital Optical Switch based on carrier injection and InP optical integrated circuit techniques, which achieved high crosstalk performance (around -40dB), the aim of this thesis is to design and fabricate 2X2 optical switching matrixes keeping the same crosstalk performance. To reach such a goal, we first analyzed and designed, thanks to 2D and 3D Beam Propagation Method, passive matrixes that we fabricated and characterized. We obtained crosstalk close to -40dB in agreement with our theoretical predictions. We then matched our passive matrixes to a new structure of DOS which geometry fits better withsinusoidal shape of our matrix waveguides. We optimized five active matrixes that we fabricated and characterized to deduce the propagation and coupling losses, the consumption and the crosstalk. Which were found as a low as -30dB for the best matrix with the good optical polarization state

Étude des propriétés physiques de nanofils individuels de carbure de silicium par émission de champ

We use field emission (FE) from individual silicon carbide nanowires (NWs) to explore their potential as electron sources, and especially as a versatile tool for studying transport, optical and mechanical properties of NWs. These studies fall within the larger framework of the physics of semiconducting (SC) nanowires, which is presently a large and rapidly expanding domain. The important role played by the surface in the transport and optical properties of NWs was clearly demonstrated by the radical consequences induced by in situ treatments on the FE properties. This permitted the observation of the specific behavior expected for SCs, particularly, a current saturation regime in agreement with the theory of FE for SCs. We found that the saturation was concomitant with a strong dependence of the emission on temperature and laser illumination, revealed for the first time for a NF. These measurements open important perspectives for both fundamental research and applications such as the realization of optically or thermally controlled FE electron sources. The current-voltage-temperature characteristics were carried out in parallel with measurement of the energy distributions of the emitted electrons, thus permitting the determination of the transport mechanism in the NWs. We found that the transport was limited by the carrier density in the volume and by the traps in the gap that generate current through the Poole-Frenkel effect. Finally, the mechanical characterization revealed high quality factors, as high as 160,000, and a Young’s modulus up to 700 GPa. These values are very promising for the use of these NWs in nano-electro-mechanical systems (NEMS) and composites.Ce travail s’inscrit dans le cadre de la caractérisation physique de nanofils (NF) semiconducteurs (SC) qui est un domaine en plein essor ces dernières années. Plus précisément, nous explorons l’émission de champ (EC) de NFs individuels de Carbure de Silicium (SiC) pour leur potentialité comme source d'électrons, mais surtout pour étudier leurs propriétés de transport électrique, optiques et mécaniques.Le rôle important joué par la surface dans ces NFs a été prouvé par des traitements in situ qui ont eu des conséquences radicales sur l’EC dévoilant ainsi des propriétés d’émission propres aux SCs. En particulier, un régime de saturation, en accord avec la théorie d’EC des SCs, associé à une forte dépendance de l'émission à la température et à l’illumination laser a été révélé pour la première fois pour un NF. Ces mesures ouvrent des perspectives importantes tant pour la recherche fondamentale que pour les applications telles que la réalisation de photocathodes et de sources d’électrons pilotées optiquement ou par la température. Les caractéristiques courant-tension-température associées à l’analyse en énergie des électrons émis nous ont permis de déterminer le mécanisme de transport dans ces NFs, qui est limité par le nombre de porteurs dans le volume et contrôlé par les pièges présents dans la bande interdite par l’effet Poole-Frenkel. Finalement, la caractérisation mécanique a révélé des valeurs du facteur de qualité élevé (160000) et du module de Young allant jusqu’à 700GPa. Ces valeurs sont très prometteuses pour l’utilisation de ces NFs dans les systèmes nano-électro-mécaniques et dans les composites

Matrices de commutation par effets d'injection de porteurs sur InP

Partant d'une structure de commutateur électro-optique sur InP de type DOS (Digital Optical Switch) fonctionnant par injection des porteurs, de faible diaphotie (-40dB) à la longueur d'onde 1.55 m, le but de ce travail de thèse a été d'étudier la possibilité de réaliser en optique intégrée sur InP des matrices de commutation à 2 entrées et 2 sorties conservant les mêmes performances en diaphotie. Pour atteindre cet objectif, nous avons tout d'abord optimisé la géométrie d'une matrice purement passive à l'aide de la méthode des faisceaux propagés (BPM) 2D ou 3D. Nous avons ainsi défini sept matrices 2X2 passives que nous avons réalisées et caractérisées dont certaines atteignent une diaphotie d'environ -40dB. Nous avons ensuite adapté ces matrices passives à une nouvelle géométrie de commutateur compatible avec les courbes de forme sinusoïdale de nos matrices, dont nous prévoyons pour certaines une diaphotie avoisinant -40dB. Les cinq matrices actives optimisées ont été réalisées et caractérisées en terme de pertes, consommation et diaphotie, Nous obtenons une forte sensibilité à la polarisation optique avec une diaphotie qui peut atteindre presque -30dB pour la matrice la plus performante.Starting from a Digital Optical Switch based on carrier injection and InP optical integrated circuit techniques, which achieved high crosstalk performance (around -40dB), the aim of this thesis is to design and fabricate 2X2 optical switching matrixes keeping the same crosstalk performance. To reach such a goal, we first analyzed and designed, thanks to 2D and 3D Beam Propagation Method, passive matrixes that we fabricated and characterized. We obtained crosstalk close to -40dB in agreement with our theoretical predictions. We then matched our passive matrixes to a new structure of DOS which geometry fits better withsinusoidal shape of our matrix waveguides. We optimized five active matrixes that we fabricated and characterized to deduce the propagation and coupling losses, the consumption and the crosstalk. Which were found as a low as -30dB for the best matrix with the good optical polarization state.LILLE1-Bib. Electronique (590099901) / SudocSudocFranceF