Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Cartographies de mesures spectroscopiques“

Les biomolécules peuvent être visualisées directement en microscopie optique en mesurant leurs modes vibratoires, et ceci dans des environnements complexes comme les cellules et les tissus.Cependant le passage des mesures spectroscopiques en cuvette à l’imagerie des systèmes vivants a nécessité des efforts tout particuliers qui ont aujourd’hui atteint une maturité capable d’apporter des solutions novatrices en biologie et en médecine. Cet article présente les grandes lignes des recherches et réalisations en imagerie spectroscopique vibrationnelle en partant des concepts de base pour aller vers les applications.

Le pilotage des systèmes d’élevage en vue d’une optimisation technique, économique et environnementale passe par une formulation des rations de plus en plus précise et nécessite donc une connaissance fine des aliments consommés par les animaux. La spectrométrie dans le proche infrarouge (SPIR), utilisée de façon croissante depuis les années 60, est une technique analytique permettant de caractériser rapidement des échantillons d’aliments ou de fourrages. Les premières applications concernaient la composition chimique des fourrages, mais il est également possible de développer des étalonnages pour une estimation de la valeur nutritive et de l’ingestion. Au-delà de ces mesures directes sur l’aliment, la SPIR peut être appliquée sur les fèces afin de caractériser l’alimentation d’animaux sur parcours. Le traitement conjoint des spectres des aliments et des fèces peut donner une vision de l’utilisation réellement faite des aliments par les animaux. D’autres utilisations possibles de la SPIR comme la traçabilité ou la classification des aliments ainsi que la reconnaissance botanique des végétaux dans les prairies sont aussi décrites. Les développements techniques actuels, et notamment la miniaturisation des spectromètres, permettent d’amener les instruments sur le terrain pour produire l’information au plus près de son utilisation. D’autres techniques spectroscopiques alternatives ou complémentaires à la SPIR comme la spectroscopie dans le moyen infrarouge, la spectroscopie Raman ou l’imagerie hyperspectrale permettront d’autres conditions de mesures et d’autres applications.

Cet article décrit les représentations des surfaces continentales dans les modèles atmosphériques disponibles jusque dans les années 1990. Après avoir présenté les concepts de base de l'évaporation de surface, on montre les limitations du « modèle baquet ». Afin de modéliser les effets des désertifications et déforestations, des représentations plus réalistes, décrivant notamment les effets de la végétation (transpiration des plantes et interception de la pluie), ont été développées. On conclut en résumant les besoins en jeux de données (campagnes de mesures, cartographies globales des sols et de la végétation) pour mieux contraindre et valider ces représentations de surface. This paper describes land surface schemes available in atmospheric models until the 90's. After a presentation of the basic concepts on surface evaporation, the limitations of the bucket model are shown. In order to model desertif ications and deforestations, more realistic schemes, including vegetation effects (plant transpiration and rainfall interception) have been developed. One concludes by a summary on the need of data sets (field campaigns, global vegetation and land cover maps) in order to constrain and validate such surface schemes.

De nombreuses applications actuelles dans le secteur de la microélectronique reposent sur l’utilisation de matériaux piézoélectriques et ferroélectriques sous forme de films minces. Par exemple, des dispositifs MEMS incluant les capteurs, actionneurs et convertisseurs d'énergie tirent profit des propriétés piézoélectriques des matériaux. Par ailleurs, l'émergence de nombreux sujets de recherche a fait suite à la découverte du potentiel de certains de ces matériaux pour les dispositifs microélectroniques. C’est par exemple le cas de l'utilisation du HfO2 pour ses propriétés ferroélectriques dans les mémoires non volatiles FeRAM et FeFET. Dans ce contexte, diverses techniques de dépôt de films minces de matériaux piézoélectriques et ferroélectriques sont actuellement en cours d'optimisation. Les méthodes de caractérisation spécifiques à ces matériaux sont essentielles pour évaluer la qualité de leur élaboration et pour approfondir la compréhension des phénomènes physiques sous-jacents, ce qui est crucial pour leur intégration dans des dispositifs microélectroniques avancés.C’est dans ce cadre que s’inscrit cette thèse, dont l’objectif est de développer des techniques de caractérisation des propriétés piézoélectriques et ferroélectriques de dispositifs élaborés sous forme de films minces, à l’échelle nanométrique. La microscopie à force piézoélectrique permet de telles analyses, mais est sensible à de nombreux artefacts, tels que les effets électrostatiques, qui peuvent significativement influencer les résultats. L'objectif de cette thèse est de développer, mettre en œuvre et coupler de nouvelles techniques avancées basées sur la microscopie à force piézoélectrique pour minimiser les artefacts de mesure en dissociant leur contribution de celle des effets piézoélectriques et ferroélectriques, et pour caractériser un éventail plus large de propriétés des matériaux. C’est par exemple le cas du mode couplé de microscopie à force piézoélectrique en spectroscopie de commutation avec suivi de résonance à double fréquence, développé pour la première fois durant cette thèse, permettant de maximiser le rapport signal sur bruit tout en réduisant et mesurant l'influence de divers artefacts. De plus, il permet de mesurer la variation des propriétés du matériau sous l'influence d'un champ électrique, reflétant ainsi des conditions d'utilisation plus réalistes. Ce mode a été étendu pour des mesures de cartographie permettant également de déterminer la variation des propriétés mesurées sur la surface du matériau à l’échelle nanométrique. Le développement d'un ensemble de programmes informatiques a joué un rôle clé dans l'élaboration de ces nouveaux modes, depuis le pilotage des équipements jusqu'à l'analyse avancée des mesures
Many current applications in the microelectronics sector rely on the use of piezoelectric and ferroelectric materials in the form of thin films. For instance, MEMS devices, including sensors, actuators, and energy harvesters, take advantage of the piezoelectric properties of materials. Moreover, the discovery of the potential of certain materials for microelectronic devices has spurred significant research, as exemplified by the use of HfO2 for its ferroelectric properties in non-volatile memories like FeRAM and FeFET. In this context, various deposition techniques for piezoelectric and ferroelectric thin films are currently under optimization. Specific characterization methods for these materials are essential to evaluate the quality of their fabrication and to enhance the understanding of the underlying physical phenomena, which is critical for their integration into advanced microelectronic devices.This thesis aims to develop characterization techniques for the piezoelectric and ferroelectric properties of devices fabricated as thin films at the nanoscale. Piezoelectric force microscopy enables such analyses but is susceptible to numerous artifacts, such as electrostatic effects, which can significantly impact the results. The objective of this thesis is to develop, implement, and combine new advanced techniques based on PFM to minimize measurement artifacts by separating their contributions from those of piezoelectric and ferroelectric effects, and to characterize a wider range of material properties. For instance, the coupled PFM mode in switching spectroscopy with dual-frequency resonance tracking, developed for the first time in this thesis, maximizes the signal-to-noise ratio while reducing and measuring the influence of various artifacts. Furthermore, this mode allows the measurement of material property variations under the influence of an electric field, thus reflecting more realistic operating conditions. This mode has been extended for mapping measurements, allowing the determination of variations in the measured properties across the material surface at the nanoscale. The development of a suite of software programs played a key role in the creation of these new modes, from equipment control to advanced data analysis

Les écosystèmes forestiers couvrent environ 10 pourcent de la surface terrestre. Ils offrent de nombreuses fonctions écologiques et services écosystémiques de part leur importante biodiversité et leur rôle dans la régulation du climat et dans les cycles biogéochimiques. Cependant, les changements climatiques, liés au réchauffement climatique global, mettent en péril le maintien de ces écosystèmes en plongeant les espèces végétales présentes dans des conditions pour lesquelles elles ne sont pas adaptées. Le suivi de la végétation des écosystèmes forestiers peut être réalisé par télédétection quantitative grâce à l’estimation de traits fonctionnels définis en écologie comme caractéristiques indicatrices des capacités de croissance, reproduction ou survie. Plus spécifiquement, pour les espèces végétales, certains traits fonctionnels, appelés traits foliaires, sont liés à la composition biochimique du feuillage et affectent les propriétés optiques de la végétation par des processus physiques. Au moyen de la résolution d’un problème inverse, les traits foliaires sont donc accessibles par des méthodes de télédétection aéroportée et spatiale utilisant des données hyperspectrales dans le domaine optique 0,4-2,5 µm. Des capteurs hyperspectraux, déjà lancés ou prévus dans la prochaine décennie, vont fournir des flux massifs de données, rendant possible le suivi des écosystèmes forestiers mais nécessitant des méthodes de traitement automatique. Dans ce contexte, cette thèse vise le développement d’une méthode généralisable capable de traiter l’ensemble des images d’un capteur spatial pour les forêts tempérées pour l’estimation de quatre traits foliaires: concentrations foliaires en chlorophylles (Cab), caroténoïdes (Cxc), eau (EWT) et matière sèche (LMA). Pour répondre à cet objectif, cette thèse propose de tester des méthodes d’estimation à l’échelle de la feuille puis à l’échelle de la canopée, en s'appuyant sur des données collectées sur cinq sites forestiers de Californie, couvrant plusieurs écosystèmes et différentes saisons. A l'échelle de la feuille, plusieurs méthodes d’estimation des traits sont comparées, incluant des approches physiques et statistiques, et en s'appuyant sur des échantillons de feuilles collectées sur les cinq sites. Les principaux résultats montrent que la méthode statistique basée sur la régression à partir de processus gaussien obtient les meilleures performances quel que soit le trait estimé. À l'échelle de la canopée, l'estimation des traits foliaires est réalisée par une approche statistique et une approche hybride, en s'appuyant sur des acquisitions AVIRIS réalisées sur les cinq sites. L'approche statistique consiste à entraîner des modèles de régression à partir de données hyperspectrales AVIRIS. L'approche hybride consiste à entraîner un réseau de neurones à convolution (CNN) sur une base de données synthétique générée à partir du modèle DART. Cette étape montre que les approches statistiques obtiennent de meilleures performances que l’approche hybride. Néanmoins toutes les méthodes testées se révèlent peu adaptées pour extraire les effets des traits foliaires à partir de la réflectance à l’échelle de la canopée, et les erreurs d’estimation restent trop importantes pour analyser des variation saisonnières et intra-spécifiques des traits foliaires. Afin d'améliorer les performances d’estimation, une étude plus approfondie des effets de la géométrie de la canopée et du sous-bois serait nécessaire. De plus, il serait nécessaire de tester la prédictibilité de l’état de santé des forêts à partir de la cartographie des traits foliaires pour réaliser un suivi complet
Forest ecosystems cover around 10 percent of the earth's surface. They provide numerous ecological functions and ecosystem services, thanks to their high biodiversity and their role in climate regulation and biogeochemical cycles. However, climate change, linked to global warming, jeopardizes the conservation of these ecosystems by plunging the plant species present into conditions for which they are not adapted. Vegetation in forest ecosystems can be monitored using quantitative remote sensing, by estimating functional traits defined in ecology as indicators of growth, reproduction or survival capacities. More specifically, for plant species, certain functional traits, known as foliar traits, are linked to the biochemical composition of foliage and affect the optical properties of vegetation through physical processes. By solving an inverse problem, leaf traits can be retrieved from airborne and space-based remote sensing methods using hyperspectral data in the 0.4-2.5 µm optical range. Hyperspectral sensors, already launched or planned for the next decade, will provide massive data flows, making it possible to monitor forest ecosystems, but requiring automatic processing methods. In this context, this thesis targets the development of a generalizable method capable of processing all images of a temperate forest from a spatial sensor for the estimation of four leaf traits: leaf concentrations of chlorophylls (Cab), carotenoids (Cxc), water (EWT) and dry matter (LMA). To meet this objective, this thesis proposes to test estimation methods at the leaf scale and then at the canopy scale, based on data collected on five forest sites in California, covering several ecosystems and different seasons. At the leaf scale, several trait estimation methods are compared, including physical and statistical approaches, and based on leaf samples collected from the five sites. The main results show that the statistical method based on Gaussian processes regression yields the most accurate estimates whatever the trait. At canopy level, leaf traits are estimated using both a statistical and a hybrid approach, based on AVIRIS acquisitions over the five sites. The statistical approach involves training regression models on AVIRIS hyperspectral data. The hybrid approach consists of training a convolution neural network (CNN) on a synthetic database generated from the DART model. This step shows that statistical approaches perform better than the hybrid approach. Nevertheless, all the methods tested prove ill-suited to extract the effects of leaf traits from canopy-scale reflectance, and estimation errors remain too large to analyze seasonal and intra-specific variation in leaf traits. In order to improve estimation performance, a more in-depth study of the effects of canopy and understory geometry would be required. In addition, it would be necessary to test the predictability of forest health based on leaf trait mapping in order to achieve a comprehensive monitoring of these ecosystems

Des cartographies aéromagnétiques et magnétiques ont été réalisées dans une région du fossé Rhénan. L’enjeu est double, d’une part la mise en oeuvre et l’amélioration de la qualité de la mesure magnétique vectorielle et d’autre part l’étude structurale de la région cartographiée. L’originalité de ce travail de thèse est l’utilisation pour la cartographie magnétique, des magnétomètres vectoriels trois composantes type fluxgate dans différentes configurations d’acquisition en particulier aériennes. Pour améliorer la qualité des mesures, un protocole de traitement reste obligatoire. Concernant les capteurs fluxgates nous avons constaté qu’ils sont sujets à des défauts de fabrication, qui impliquent que l’on est obligé de l’étalonner. Une méthode mathématique simple a été proposée pour corriger à la fois les défauts des capteurs et les aimantations parasites liées au système d’acquisition. L’aspect multi-échelle de nos cartographies a été discuté : trois jeux de données ont été testés au sol, à 50 m et 150 m d’altitude utilisant des aéronefs (avion sans et avec pilote). L’objectif est de mieux contraindre les variations d’aimantation en fonction de la profondeur. L’apport de la cartographie magnétique à la compréhension de la structure de la région étudiée a ensuite été validé par la compilation des cartes d’anomalies magnétiques transformées, la sismique réflexion, la géologie de la région et la modélisation
Aeromagnetic and magnetic mapping were realized in the Rhine graben area. The stake is double, on one hand implementation and improvement of the magnetic vector measurement quality and on the other hand the structural study of this area. The originality of this works is using fluxgate vector magnetometer 3-axis for magnetic mapping in various acquisition configurations, airborne in particular. To improve the quality of measurement, a protocol of treatment remains necessary. The main problems in using fluxgate magnetometers arise from defect related to manufacturing but these can be overcome using a simple mathematical method of calibration. This method also has the advantage of compensating magnetometer defects and interference magnetization generated by the measuring equipment. We discussed the multi-scale magnetic mapping: data carried out on the ground, at an altitude of 50 m and 150 m using successively unmanned aerial vehicles (UAV’s) and piloted aircrafts. The purpose of the interpretation is to define the location and magnetization of structural elements for each recognized magnetic anomaly depending to depth. The contribution of magnetic mapping in understanding of structural study of the Rhine graben area was then validated by compilation of transformed magnetic anomaly maps, seismic reflection, geology of the area and synthetic modeling

L'un des matériaux les plus employés comme milieu amplificateur dans les cavités lasers est le monocristal de YAG (Yttrium Aluminium Garnet, Y3AlsOI2) dopé au néodyme. Or, les moyens techniques actuels ne permettent pas d'en produire de grandes tailles avec un coût raisonnable. Fabriquer du YAG à l'état polycristallin transparent offre donc une alternative. Notre étude consiste à trouver un procédé de synthèse du YAG polycristallin, puis à tester le matériau dopé au néodyme en cavité laser, et enfin à faire une analyse spectroscopique sur celui dopé au praséodyme. Nous avons envisagé deux voies de synthèse pour élaborer nos céramiques de YAG dopé au néodyme. Dans la première nous utilisons des oxydes commerciaux comme précurseurs. Dans la seconde, nous produisons les précurseurs par décomposition lors d'un chauffage sous air d'un mélange aqueux d'acide citrique et de nitrates d'yttrium, d'aluminium et de néodyme. Divers paramètres intervenant lors de l'élaboration des céramiques, tels que la composition du mélange initial, la granulométrie, le pressage, la température et l'atmosphère lors du chauffage sont étudiés. Ainsi, nous avons mis au point un procédé permettant d'obtenir des céramiques transparentes. Ensuite, nous testons en cavité laser les polycristaux de YAG:Nd. Nous obtenons pour le meilleur d'entre eux un rendement laser intrinsèque de 15% contre 21 % dans les mêmes conditions pour un monocristal. Enfin, les propriétés spectroscopiques du YAG dopé au praséodyme, moins étudié que celui dopé au néodyme, sont analysées. Nous déterminons expérimentalement 67 niveaux d'énergie de la configuration 4/ de Pr3+ à l'aide des spectres d'absorption, d'émission et d'excitation. L'identification des transitions expérimentales est complétée par un calcul faisant intervenir l'interaction avec les configurations excitées 4j5d et 4j6p. Un calcul direct complet permet l'évaluation des intensités d'absorption depuis le niveau de base 3H4.

Un faisceau d'atomes de lithium et de fluor cree par ablation laser a ete utilise sur le tokamak tore supra (ts) pour mesurer la densite n#e et la temperature t#e electronique au bord du plasma. Meme si les conditions techniques n'etaient pas ideales, avec un modele convenable de geometrie, les profils de n#e (par injection du lithium) sont en accord avec les autres diagnostics. On a aussi mesure le profil de t#e par injection de fluor. Les valeurs sont systematiquement plus hautes (approximativement d'un facteur 2) que celles donnees par la sonde de langmuir. La difference pourrait provenir de la meconnaissance des donnees atomiques du fluor. D'autre part la sonde de langmuir pourrait aussi donner une temperature plus basse a cause de la perturbation qu'elle engendre

Le radical hydroperoxyle HO2 joue un rôle central dans les processus d'oxydation intervenant en combustion de basses températures et au sein de l'atmosphère. Son interconversion avec le radical OH, espèce ayant le pouvoir d'oxydation le plus important dans l'atmosphère, en fait notamment un composé clé pour la compréhension de ces mécanismes réactionnels. Cependant, la détection de HO2 est une tâche difficile puisque sa haute réactivité se traduit par des temps de vie et des concentrations très faibles. Le radical HO2 présente dans le proche infrarouge un spectre d'absorption composé de fines raies qui est rendu exploitable pour sa détection par les progrès de l'instrumentation opérant dans cette région. Nous avons apporté une contribution à ce développement en mettant au point le premier spectromètre CW-CRDS (Continuous Wave Cavity Ring-Down Spectroscopy) couplé à un réacteur de photolyse pour le dosage résolu dans le temps du radical HO2. Le principal attrait de ce dispositif réside dans sa grande sensibilité : le rayonnement proche infrarouge intracavité peut parcourir un chemin d'absorption effectif allant jusqu'à 15 km au sein du volume de photolyse. Ce montage nous a permis d'enregistrer un spectre haute résolution du radical HO2 entre 6600 et 6700 cm-1 et de mesurer les forces de raie indispensables aux futures mesures cinétiques. Initialement couplée au réacteur, la LIF (Laser Induced Fluorescence) a été restaurée pour la détection du radical OH. Nous disposons ainsi d'un dispositif de photolyse laser couplé à deux techniques de détection: la CW-CRDS dédiée au dosage de HO2 et la LIF pour le radical OH.

Dans une premiere partie, les proprietes des tetrafluoroaluminates amf4 sous haute pression et a temperature ambiante sont etudiees par spectrometrie raman. Il est conclu que ka2f4 et kfef4 subissent une transition matensitique respectivement a 0. 21 gpa et 1. 2 gpa. Ils passent d'une structure de type kfef4 a basse pression a une structure de type tiaif4 a haute pression. L'evolution en fonction de la pression du mode mou relatif a la transition non-ferroique de rbaif4 est etudiee par la theorie de landau, dans le cadre du modele invoquant l'existence d'une transition cachee anterieurement. Dans une deuxieme partie, on reporte les resultats de l'etude du champ cristallin et des niveaux d'energie d'ion libre de eu3+ dans les composes lnox. Ils sont etudies en fonction des ligands, de la distance interatomique et de la pression. L'intensite du champ cristallin et les niveaux d'ion libre dans ces composes decroissent suivant la serie de ligands br-cl-f, lorsque la distance eu3+-ligand diminue et lorsque la pression augmente. La decroissance des parametres d'ion libre de eu3+ est positivement correlee a la covalence. Ces phenomenes sont interpretes par un modele qui prend en compte la covalence et l'expansion des orbitales des electrons 4f

Pour étudier l'influence de la gravité sur la croissance par T.H.M. du semi-conducteur CdTe dopé indium (programme EURECA), nous avons effectué une analyse comparative d'expérience spatiales et terrestres, complétée par une simulation numérique de l'hydrodynamique de la phase fluide utilisant un code 3D. Notre deuxième objectif a été de prépérer des monocristaux de CdTe dopé vanadium par la technique Bridgman présentant de bonnes propriérés photoréfractives. Pour une meilleure compréhension du mécanisme de l'effet photoréfractif, les matériaux ont été caractérisés par R.P.E., D.C.M. et P.I.C.T.S. afin de déterminer le degré de valence de V et la signature des niveaux vanadium dans la bande interdite. Des mesures optiques (absorption, photoconductivité...) et d'effet photoréfractif ont été effectuées. Enfin, pour évaluer la pertinence spatiale de cette croissance, nous avons étudié par simulation numérique l'influence de la gravité sur la configuration hydrodynamique de la phase fluide.