Piezoelectricity in single III-Nitride nanowires for nanopiezotronics : a scanning force microscopy investigation

La nanopiézotronique est un nouveau domaine de recherche qui contribue au progrès croissant des récupérateurs d’énergie et de l’électronique intelligente. Ces applications bénéficient désormais de sa possibilité de conversion de petits mouvements mécaniques en énergie électrique. Les fondements de la nanopiézotronique reposent sur la coexistence de propriétés piézoélectriques et semi-conductrices de nano-objets ayant une structure cristalline non centrosymétriques tels que les semi-conducteurs III-N ou II-V. Les nanofils III-N avec leur aspect de forme élevé ont en particulier été proposés comme une brique élémentaire prometteuse pour cette recherche émergente.Néanmoins, le mécanisme qui régit la conversion d'énergie mécanique en électricité doit être clarifié dans le cas de la nanopiézotronique. L'origine du signal électrique de nanofils isolés détecté par la microscopie à balayage de force en mode conducteur était encore sujette à débat: s'agissait-il d'un effet piézoélectrique ou plutôt d'artefacts de mesure ? De plus, l’existence de coefficients piézoélectriques pour les nanofils de GaN ayant des valeurs supérieures à celles du massif était à vérifier, cette piezoélectricité géante pouvant résulter d'une mauvaise interprétation de la mesure.Ce travail de thèse est centré sur une compréhension approfondie de l’effet piézoélectrique dans les nanofils III-N.Cette compréhension demeure essentiel pour la nanopiézotronique. Dans ce but, plusieurs modes de la microscopie en champ proche tels que la microscopie à force de Kelvin (KPFM), la microscopie à force piézoélectrique (PFM) et la microscopie à balayage de force en mode conducteur (C-SFM) ont été utilisés pour sonder localement la piézoélectricité directe et inverse, ainsi que d’autres paramètres jouant un rôle important sur le potentiel piézoélectrique dans les nanofils III-N. Différentes configurations de dispositifs et plusieurs types d’électronique ont aussi été appliqués.Nos mesures, associées à des simulations par éléments finis, révèlent que les coefficients piézoélectriques dans les nanofils de III-N sont similaires à ceux des massifs et qu’aucun effet piézoélectrique géant n’a été observé.Les analyses des charges libres et des charges liées suggèrent aussi que l’effet des charges piézo-électriques devrait être indétectable, même avec les électroniques les plus sensibles. Enfin, il s'avère que le signal électrique obtenu par C-SFM sur des nanofils uniques de III-N est plutôt lié au courant traversant le nanofil et celui-ci est souvent généré par une mauvaise référence de masse du dispositif instrumental. Les résultats de ce travail mettent ainsi en évidence les divers paramètres dont il faut tenir compte dans les semi-conducteurs de III-N avant d'attribuer leur réponse mécanique ou électrique à un effet piézoélectrique. Ces signaux peuvent être potentiellement causés par le système de détection, des artefacts de mesure et l’environnement, conduisant facilement à leur mauvaise interprétation.Nanopiezotronics is a recent field which has increasingly contributed to a progress of smart electronics and energy harvesters that benefits from a conversion of small mechanical movements into electrical energy. Its foundation relies on the coexisting of piezoelectric and semiconducting properties in nano-objects based on non-centrosymmetric semiconductors such as III-N or II-V. Lately, III-N nanowires with their high aspect ratio have been proposed as a promising building block for this emerging research.Nevertheless, the key mechanism in nanopiezotronics that governs a mechanical-to-electrical energy conversion must be clarified. The origin of the electrical signal from single nanowires detected by conductive scanning force microscopy was still under debate, whether it originates from piezoelectric effect or rather measurement artefacts.In addition, the reports of larger piezo-coefficients than bulk values in GaN nanowires need to be verified as it possibly results from the measurement misinterpretation.This PhD work is focused on in-depth understanding of the piezoelectric effect in III-N nanowires which is a critical issue for nanopiezotronics. For this purpose, several scanning force microscopy modes such as Kelvin probe force microscopy, piezoresponse force microscopy, conducting scanning force microscopy were performedto locally probe direct and reverse piezoelectricity including other parameters that play an important role on the piezo-potential generation. Various device configurations and different electronic setups were applied.The experimental results together with finite element simulations, reveal that the piezo-coefficients of III-N nanowires are similar to those of bulk, and no giant piezoelectric effect was observed. The analyses of free and bound charges suggest that the effect of the piezo-charges should be undetectable even with highest sensitive electronics. Besides, the electrical signal found in single nanowires by conductive-scanning force microscopy is rather related to the current passing through the nanowires which is often generated by an unappropriated grounded setup. The outcome of this work point out various parameters in piezoelectric semiconductor nanowires that must be taken into account before attributing their mechanical or electrical response to the piezoelectric effect. Those signals can be potentially caused by the detection setup itself, the measurement artefacts and the environments, resulting in the misinterpretations of the signal origins

Piézoélectricité dans des nanofils uniques de III-N pour la nanopiézotronique : analyse par microscopies à sonde locale

Nanopiezotronics is a recent field which has increasingly contributed to a progress of smart electronics and energy harvesters that benefits from a conversion of small mechanical movements into electrical energy. Its foundation relies on the coexisting of piezoelectric and semiconducting properties in nano-objects based on non-centrosymmetric semiconductors such as III-N or II-V. Lately, III-N nanowires with their high aspect ratio have been proposed as a promising building block for this emerging research.Nevertheless, the key mechanism in nanopiezotronics that governs a mechanical-to-electrical energy conversion must be clarified. The origin of the electrical signal from single nanowires detected by conductive scanning force microscopy was still under debate, whether it originates from piezoelectric effect or rather measurement artefacts.In addition, the reports of larger piezo-coefficients than bulk values in GaN nanowires need to be verified as it possibly results from the measurement misinterpretation.This PhD work is focused on in-depth understanding of the piezoelectric effect in III-N nanowires which is a critical issue for nanopiezotronics. For this purpose, several scanning force microscopy modes such as Kelvin probe force microscopy, piezoresponse force microscopy, conducting scanning force microscopy were performedto locally probe direct and reverse piezoelectricity including other parameters that play an important role on the piezo-potential generation. Various device configurations and different electronic setups were applied.The experimental results together with finite element simulations, reveal that the piezo-coefficients of III-N nanowires are similar to those of bulk, and no giant piezoelectric effect was observed. The analyses of free and bound charges suggest that the effect of the piezo-charges should be undetectable even with highest sensitive electronics. Besides, the electrical signal found in single nanowires by conductive-scanning force microscopy is rather related to the current passing through the nanowires which is often generated by an unappropriated grounded setup. The outcome of this work point out various parameters in piezoelectric semiconductor nanowires that must be taken into account before attributing their mechanical or electrical response to the piezoelectric effect. Those signals can be potentially caused by the detection setup itself, the measurement artefacts and the environments, resulting in the misinterpretations of the signal origins.La nanopiézotronique est un nouveau domaine de recherche qui contribue au progrès croissant des récupérateurs d’énergie et de l’électronique intelligente. Ces applications bénéficient désormais de sa possibilité de conversion de petits mouvements mécaniques en énergie électrique. Les fondements de la nanopiézotronique reposent sur la coexistence de propriétés piézoélectriques et semi-conductrices de nano-objets ayant une structure cristalline non centrosymétriques tels que les semi-conducteurs III-N ou II-V. Les nanofils III-N avec leur aspect de forme élevé ont en particulier été proposés comme une brique élémentaire prometteuse pour cette recherche émergente.Néanmoins, le mécanisme qui régit la conversion d'énergie mécanique en électricité doit être clarifié dans le cas de la nanopiézotronique. L'origine du signal électrique de nanofils isolés détecté par la microscopie à balayage de force en mode conducteur était encore sujette à débat: s'agissait-il d'un effet piézoélectrique ou plutôt d'artefacts de mesure ? De plus, l’existence de coefficients piézoélectriques pour les nanofils de GaN ayant des valeurs supérieures à celles du massif était à vérifier, cette piezoélectricité géante pouvant résulter d'une mauvaise interprétation de la mesure.Ce travail de thèse est centré sur une compréhension approfondie de l’effet piézoélectrique dans les nanofils III-N.Cette compréhension demeure essentiel pour la nanopiézotronique. Dans ce but, plusieurs modes de la microscopie en champ proche tels que la microscopie à force de Kelvin (KPFM), la microscopie à force piézoélectrique (PFM) et la microscopie à balayage de force en mode conducteur (C-SFM) ont été utilisés pour sonder localement la piézoélectricité directe et inverse, ainsi que d’autres paramètres jouant un rôle important sur le potentiel piézoélectrique dans les nanofils III-N. Différentes configurations de dispositifs et plusieurs types d’électronique ont aussi été appliqués.Nos mesures, associées à des simulations par éléments finis, révèlent que les coefficients piézoélectriques dans les nanofils de III-N sont similaires à ceux des massifs et qu’aucun effet piézoélectrique géant n’a été observé.Les analyses des charges libres et des charges liées suggèrent aussi que l’effet des charges piézo-électriques devrait être indétectable, même avec les électroniques les plus sensibles. Enfin, il s'avère que le signal électrique obtenu par C-SFM sur des nanofils uniques de III-N est plutôt lié au courant traversant le nanofil et celui-ci est souvent généré par une mauvaise référence de masse du dispositif instrumental. Les résultats de ce travail mettent ainsi en évidence les divers paramètres dont il faut tenir compte dans les semi-conducteurs de III-N avant d'attribuer leur réponse mécanique ou électrique à un effet piézoélectrique. Ces signaux peuvent être potentiellement causés par le système de détection, des artefacts de mesure et l’environnement, conduisant facilement à leur mauvaise interprétation

Une technique de dénombrement et d'étude d'une rookerie de Manchots Adélie par la photographie systématique

Sapin-Jaloustre Jean, Cendron Jean. Une technique de dénombrement et d'étude d'une rookerie de Manchots Adélie par la photographie systématique. In: La Terre et La Vie, Revue d'Histoire naturelle, tome 7, n°1, 1953. pp. 1-25

Quantitative risk assessment for assessment of control measures in a food chain. Application to Clostridium perfringens in an hospital kitchen

Dans ce travail, un modèle d'appréciation quantitative des risques microbiens a été développé pour proposer des mesures de maitrise sanitaire et les relier à des métriques du risque. A partir d'observations réalisées dans un hôpital, nous avons pu caractériser le procédé de fabrication et de distribution de deux plats de boeuf en sauce, de manière à prédire l'évolution du danger Clostridium perfringens tout au long de ce procédé en utilisant les outils de la microbiologie prévisionnelle. Dans le modèle d'exposition, nous avons construit un modèle décrivant la germination puis la croissance de Clostri- dium perfringens pendant deux étapes du procédé, et un modèle décrivant la destruction thermique finale des cellules végétatives de Clostridium perfrin- gens. Ensuite, pour estimer un risque de diarrhée lié à la consommation de ces plats, nous avons construit un modèle dose réponse. De manière à pouvoir prédire la gamme des situations possibles, nous avons cherché à décrire, dans chacun des modèles, la variabilité de la réponse biologique modélisée en utilisant des données issues de méta analyse, obtenues dans des conditions variées. L'utilisation de l'inférence bayésienne sur des données issues de méta analyse nous a permis de décrire séparément variabilité et incertitude, suivant les recommandations des instances internationales. Des simulations de Monte Carlo à deux dimensions sur l'ensemble du procédé nous ont ensuite permis d'estimer le risque moyen de maladie lié à la consommation des plats et d'estimer l'incertitude sur ce risque moyen. Ces simulations nous ont aussi permis d'identifier deux étapes importantes pour la maitrise du risque et de proposer, pour chacune de ces étapes, des mesures de maitrise sanitaire, dont nous avons ensuite mesuré l'efficacité.In this study, a quantitative risk assessment model was developed in order to propose control measures making it possible to reach some `risk based' targets. A survey, carried out in an hospital, made it possible to describe a food chain, from raw material until consumption, of two beef-in-sauce products, such as to predict the evolution of Clostridium perfringens along the whole process using predictive microbiology tools. In the exposure assessment model, we described Clostridium perfringens germination, outgrowth and growth in a first model, applied on two process steps, and final thermal inactivation of Clostridium perfringens vegetative cells in a second model. Then, in order to estimate the risk of diarrhea after the consumption of the two products, we established a dose response model. In order to predict in our model the full range of possible outcomes, we aimed at describing, in each proposed model, the variability on the modelled biological response using meta analysis data, obtained on various experimental conditions. Performing Bayesian inference on these published data, we separated variability and uncertainty, according to recommendations of international organizations. Second order Monte Carlo simulations on the whole process made it possible to estimate the mean risk of diarrhea after to the consumption of the products and to estimate the uncertainty on this median risk. Based on these simulations, two key steps for food safety were then identified in the process, leading us to propose, for each step, control measures and to measure their efficacy

Appréciation quantitative des risques pour l'évaluation de mesures de maîtrise sanitaire dans une filière agro-alimentaire. Application à Clostridium perfringens en restauration hospitalière

In this study, a quantitative risk assessment model was developed in order to propose control measures making it possible to reach some `risk based' targets. A survey, carried out in an hospital, made it possible to describe a food chain, from raw material until consumption, of two beef-in-sauce products, such as to predict the evolution of Clostridium perfringens along the whole process using predictive microbiology tools. In the exposure assessment model, we described Clostridium perfringens germination, outgrowth and growth in a first model, applied on two process steps, and final thermal inactivation of Clostridium perfringens vegetative cells in a second model. Then, in order to estimate the risk of diarrhea after the consumption of the two products, we established a dose response model. In order to predict in our model the full range of possible outcomes, we aimed at describing, in each proposed model, the variability on the modelled biological response using meta analysis data, obtained on various experimental conditions. Performing Bayesian inference on these published data, we separated variability and uncertainty, according to recommendations of international organizations. Second order Monte Carlo simulations on the whole process made it possible to estimate the mean risk of diarrhea after to the consumption of the products and to estimate the uncertainty on this median risk. Based on these simulations, two key steps for food safety were then identified in the process, leading us to propose, for each step, control measures and to measure their efficacy.Dans ce travail, un modèle d'appréciation quantitative des risques microbiens a été développé pour proposer des mesures de maitrise sanitaire et les relier à des métriques du risque. A partir d'observations réalisées dans un hôpital, nous avons pu caractériser le procédé de fabrication et de distribution de deux plats de boeuf en sauce, de manière à prédire l'évolution du danger Clostridium perfringens tout au long de ce procédé en utilisant les outils de la microbiologie prévisionnelle. Dans le modèle d'exposition, nous avons construit un modèle décrivant la germination puis la croissance de Clostri- dium perfringens pendant deux étapes du procédé, et un modèle décrivant la destruction thermique finale des cellules végétatives de Clostridium perfrin- gens. Ensuite, pour estimer un risque de diarrhée lié à la consommation de ces plats, nous avons construit un modèle dose réponse. De manière à pouvoir prédire la gamme des situations possibles, nous avons cherché à décrire, dans chacun des modèles, la variabilité de la réponse biologique modélisée en utilisant des données issues de méta analyse, obtenues dans des conditions variées. L'utilisation de l'inférence bayésienne sur des données issues de méta analyse nous a permis de décrire séparément variabilité et incertitude, suivant les recommandations des instances internationales. Des simulations de Monte Carlo à deux dimensions sur l'ensemble du procédé nous ont ensuite permis d'estimer le risque moyen de maladie lié à la consommation des plats et d'estimer l'incertitude sur ce risque moyen. Ces simulations nous ont aussi permis d'identifier deux étapes importantes pour la maitrise du risque et de proposer, pour chacune de ces étapes, des mesures de maitrise sanitaire, dont nous avons ensuite mesuré l'efficacité

SPIRou: synthèse de paysages en infrarouge basé sur la modélisation physique des échanges à la surface

Signal coming from the ground and gathered by a sensor, undergoes lot of perturbations and processes to be transformed in an image. All those processes can be modeled by a simulator of an earth observation system which is composed of four main parts: lands cape, atmosphere, on board and ground segments. This thesis consists in synthesizing the landscape part of the observation system in the infrared spectral band with variable meteorological and acquisition conditions. Synthesis needs several models to compute fluxes, temperature and radiance at ground level. It concerns, for instance, the solar and atmospheric fluxes, the in-depth heat conduction, the water evaporation heat flux, etc. As we find in literature a multiplicity of models, we have to select one of them. Mode! selection bas been guided by the concern to keep as low as possible the number of parameters describing the physic, to preserve the main mechanisms that constraint the energy balance at the surface. All models have been implemented and validated by comparison between measurement and estimation. SPIRou, software resulting to models implementation, enables us to generate realistic images in infrared spectral band at ground level. Those images could be used to define a mission choice to observe a particular phenomenon (wavelength observation time, best spatial and time resolution...), in order to train end-users to infrared remote sensing and in research and development to validate exploitation algorithms.La thèse traite, de la conception à la réalisation, d'un simulateur d'images dans le domaine de l'infrarouge. Le choix de l'architecture, la sélection des modèles, l'implantation et l'interfaçage de ces modèles, la validation et l'étude de sensibilité du simulateur, voici toutes les étapes qui ont été abordées durant cette thèse. La simulation de ces images est basée sur la synthèse. Cette approche nécessite la modélisation de tous les phénomènes physiques qui influent sur le signal à la surface. Nous avons tout d'abord répertorié les phénomènes physiques qui influent sur la luminance spectrale, puis nous en avons négligé certains en fonction de nos spécifications. Les phénomènes restants ont été modélisés. Cela concerne par exemple les flux solaire et atmosphérique reçus, la conduction de chaleur en profondeur, le flux de chaleur latente, etc. La littérature étant riche en modèles, une sélection a été réalisée sur des critères de représentativité physique, simplicité de mise en oeuvre et nombre de paramètres minimal. A la suite de cette sélection, les modèles ont été implantés et interfacés. SPIRou, le logiciel résultant de cette implantation, est maintenant opérationnel. II a été validé à l'aide de campagnes de mesures telles que HAPEX-MOBILHY, EFEDA, et une étude de sensibilité a été menée. II permet de déterminer pour une application particulière : les bandes spectrales d'étude, les heures d'observation, les conditions d'éclairement, les conditions météorologiques et le type de cibles. II peut être utilisé pour des applications telles que la spécification de missions, la formation à la compréhension et à l'interprétation de l'imagerie infrarouge et à la validation d'algorithmes d'exploitation

La visite de l’Expédition antarctique française 1948-1949 aux îles Balleny

Sapin-Jaloustre Jean. La visite de l’Expédition antarctique française 1948-1949 aux îles Balleny. In: La Terre et La Vie, Revue d'Histoire naturelle, tome 3, n°5, 1949. pp. 169-177