Pendant le développement embryonnaire, les cellules de l'Eminence Ganglionnaire Médiane (EGM) gagnent le cortex cérébral et s'y dispersent largement par migration tangentielle, puis s'y différencient en interneurones. Mon travail de thèse a consisté à analyser le comportement migratoire des cellules d'EGM dans un modèle in-vitro. Ces cellules présentent un cycle de migration en deux phases que j'ai contribué à caractériser. Premièrement, un renflement contenant le centrosome et l'appareil de Golgi se forme à partir du compartiment somatique et migre dans le neurite de tête, jusqu'à 30μm du noyau resté à l'arrière. La deuxième phase du cycle correspond à la translocation rapide du noyau vers le centrosome et l'appareil de Golgi. Les translocations nucléaires sont bloquées par la Blebbistatine, un inhibiteur spécifique de la myosine II non-musculaire, suggérant que les contractions du système d'acto-myosine jouent un rôle déterminant dans les mouvements du noyau vers le centrosome. J'ai examiné le rôle des microtubules dans le contrôle de la forme et de la motilité des cellules d'EGM par des études pharmacologiques. J'ai utilisé du nocodazole, drogue qui altère l'instabilité dynamique des microtubules à faible dose ou les déstabilise à forte dose. De faibles doses (100nM) de nocodazole n'affectent pas ou peu la motilité des cellules d'EGM en migration, mais simplifient leur arborisation neuritique et déstabilisent leur polarité ; de fortes doses (1μM) de nocodazole induisent un comportement migratoire dit multipolaire, avec une vitesse de migration diminuée de moitié. Ces résultats suggèrent que la stabilité des microtubules est cruciale pour maintenir la polarité et contrôler la directionnalité des cellules d'EGM en migration, alors que des mécanismes complémentaires contrôlent leur motilité. J'ai ensuite caractérisé le rôle de la myosine II et d'une de ses voies activatrices, la voie Rho. Le traitement des cellules d'EGM en migration par des doses modérées de Blebbistatine (20μM) ou par un inhibiteur spécifique de la Rho-kinase ROCK (Y27632), ont montré que l'activation de la myosine II non seulement contrôle l'amplitude et la fréquence des translocations nucléaires, mais aussi le positionnement du centrosome à l'avant. L'étude d'un mutant hypomorphe pour l'isoforme B de la myosine II, menée avec Nathalie Nériec, a confirmé ce rôle de la myosine dans le contrôle des mouvements du noyau et du centrosome. Les mouvements relatifs du noyau et du centrosome dans les cellules d'EGM en migration suggèrent une organisation particulière du réseau de microtubules. J'ai étudié cette organisation par tomographie électronique. J'ai mis en évidence deux réseaux de microtubules dans les cellules d'EGM: 1) un réseau de microtubules ancrés aux centrioles et dirigés majoritairement vers l'avant de la cellule 2) des microtubules non-centrosomaux. Le noyau est entouré par des microtubules non-centrosomaux. A l'avant du noyau, des microtubules peuvent former un rail sur lequel glisse la membrane nucléaire. Pendant le cycle de migration des cellules d'EGM, les centrioles présentent des changements de localisation subcellulaire associés à des transformations ultrastructurales inattendues. Le centriole père est capable de s'associer à la membrane plasmique où il peut former un cil. Mes études ultrastructurales montrent que l'ancrage membranaire du corps basal et la formation du cil ont lieu pendant la phase stationnaire du noyau, à distance de celui-ci dans le renflement. Ainsi, dans les futurs interneurones corticaux, l'adressage cyclique d'un centriole/corps basal à la membrane plasmique est corrélé au cycle de migration. Ce processus inédit contrôle probablement la migration des interneurones par un mécanisme qui reste à identifier. Ce comportement caractéristique des centrioles et la régulation dynamique de l'ancrage des microtubules au centrosome pourraient en outre expliquer l'organisation particulière des microtubules dans ces neurones.

Des séismes provenant de la ride médio-atlantique et du nord canadien ont été utilisés afin de dégager les structures de la croûte et du manteau supérieur au Groenland. Ces tremblements de terre, enregistrés aux stations sismiques permanentes et temporaires du projet GLATIS (Greenland Lithosphere Analysed Teleseismically on the Ice Sheet), ont permis d'acquérir plus de 3200 trajectoires séisme-station, couvrant ainsi la majorité de la région à l'étude. Afin d'identifier les structures de la croûte et du manteau supérieur au Groenland, nous avons analysé les composantes verticales des données sismiques provenant de ces trajectoires séisme-station et avons obtenu des courbes de dispersion de vitesses de groupe d'onde de Rayleigh au moyen de la méthode d'analyse en filtrage multiple. Nous avons construit des cartes tomographiques de vitesses de groupe pour une gamme de périodes de 15 à 50 secondes à partir d'une inversion tomographique pour un milieu isotropique. Les résultats de l'inversion des vitesses de groupe ont été utilisés afin de construire des courbes de dispersion unidimensionnelles. Nous avons procédé à une inversion des courbes ayant un intérêt géologique afin de dégager des modèles de vitesses d'ondes de cisaillement en fonction de la profondeur pour quatre profils. Les modèles présentent une structure de vitesse élevée Vs par rapport au modèle de référence (iasp91 modifié) pour la partie sud du Groenland, sus-jacente à une structure de faible vitesse plus en profondeur. Des variations de l'ordre de 10 % supérieur au modèle de référence ont été observées dans la portion centre-sud au sein de la croûte continentale. Cette structure est interprétée comme étant la partie précambrienne du Groenland, soit le craton archéen et la ceinture protérozoïque Nagssugtoqidian. Une structure circulaire, observée sur les cartes tomographiques de vitesse de groupe, été notée dans la partie centrale. Cette dernière pourrait être reliée à des structures à l'interface de la croûte continentale et du manteau supérieur, suggérant ainsi une épaisseur de croûte plus grande dans la partie centrale-est. Les courbes de dispersion unidimensionnelles proposent également une épaisseur de croûte plus importante dans la partie centrale du Groenland comparativement au sud. Les modèles réalisés lors de cette étude, similaires aux études tomographiques globales, ont permis d'augmenter significativement la résolution au Groenland et également l'obtention de nouvelles structures dans la croûte continentale et le manteau supérieur. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Groenland, structure, croûte, ondes de Rayleigh, vitesses de groupe

Le [18F]Fluoro-éthoxybenzovesamicol ([18F]FEOBV) a été identifié comme étant un des agents radioactifs les plus prometteurs pour l'imagerie du transporteur vésiculaire de l'acétylcholine en utilisant la tomographie par émission de positrons (TEP). Nous rapportons ici que cette approche est en mesure de détecter de subtiles pertes de terminaux cholinergiques, comme celles associés avec le vieillissement ou suivant la lésion partielle du noyau basal de Meynert (NBM). Vingt-et-un rats adultes ont été distribués également en trois groupes : 1) Rats âgés (18 mois); 2) Jeunes rats (3 mois); et 3) Rats avec une lésion unilatérale du NBM induite par une infusion locale de saporine-IgG 192. Pour les rats normaux et ceux avec lésion, la plus haute valeur de liaison du [18F]FEOBV a été observée dans le striatum, suivi de valeurs similaires dans le cortex frontal et le thalamus, puis de valeurs plus faibles pour les hippocampes et le cortex temporo-pariétal. Les rats avec lésion du NBM ont démontré une liaison de [18F]FEOBV diminuée principalement dans la partie ventrale du cortex frontal. Cette perte est plus importante du côté de la lésion, mais également présente dans la région homologue de l'hémisphère controlatéral. Le vieillissement a entraîné une diminution de liaison de [18F]FEOBV localisée dans les hippocampes. Le [18F]FEOBV semble être une marqueur très prometteur pour la quantification in vivo du transporteur vésiculaire de l'acétylcholine dans le cerveau; l'imagerie TEP avec cet agent permet la détection de réductions physiologique et pathologique de la densité des terminaisons cholinergiques. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Tomographie par émission de positrons, transporteur vésiculaire de l'acétylcholine, neurodégénérescence, vieillissement, saporine-IgG 192, [18F]Fluoro-éthoxybenzovesamicol

Coherent imaging is a promising method in the field of x-ray microscopy allowing for the nondestructive determination of the interior structure of radiation-hard samples with a spatial resolution that is only limited by the fluence on the sample and the scattering strength of the sample. Ultimately, the achievable spatial resolution is limited by the wavelength of the incoming x-ray radiation. Combining coherent imaging with scanning microscopy to a method called ptychography enables one to also probe extended objects. In this method, a sample is scanned through a defined coherent x-ray beam and at each scan point a diffraction pattern is recorded with a diffraction camera located in the far field of the sample. Neighboring illuminated areas must have a certain overlap to guarantee the collection of sufficient information about the object for a subsequent successful and unique computational reconstruction of the object. Modern ptychographic reconstruction algorithms are even able to reconstruct the complex-valued transmission function of the sample and the complex illumination wave field at the same time. Once the 2D transmission function of a sample is known, it is an obvious step forward to combine ptychography with tomographic techniques yielding the 3D internal structure of an object with unprecedented spatial resolution. Here, projections at varying angular positions of the sample are generated via ptychographic scans and are subsequently used for the tomographic reconstruction. In this thesis the development of 3D ptychography is described. It includes the description of the required experimental environment, the numerical implementation of ptychographic phase retrieval and tomographic reconstruction routines, and a detailed analysis of the performance of 3D ptychography using an example of an experiment carried out at beamline P06 of PETRA III at DESY in Hamburg. In that experiment the investigated object was a Mo/UO2 thin film, which is a simplified model for spent nuclear fuel from nuclear power plant reactors. Such models find application in systematic scientific investigations related to the safe disposal of nuclear waste. We determined the three-dimensional interior structure of this sample with an unprecedented spatial resolution of at least 18 nm. The measurement of the fluorescence signal at each scan point of the ptychograms delivers the two- and three-dimensional elemental distribution of the sample with a spatial resolution of 80 nm. Using the fluorescence data, we assigned the chemical element to the area of the corresponding phase shift in the ptychographic reconstruction of the object phase and to the corresponding refractive index decrement in the tomographic reconstruction. The successful demonstration of the feasibility of the 3D ptychography motivates further applications, for instance, in the field of medicine, of material science, and of basic physical research. / Kohärente Bildgebung ist eine vielversprechende Methode der Röntgenmikroskopie. Sie ermöglicht die zerstörungsfreie Bestimmung der inneren Struktur von strahlenharten Untersuchungsobjekten mit einer räumlichen Auflösung, die im Prinzip nur von der integralen Anzahl der Photonen auf der Probe sowie deren Streukraft abhängt. Letztendlich stellt die Wellenlänge der verwendeten Röntgenstrahlung eine Grenze für die erreichbare räumliche Auflösung dar. Die Kombination der kohärenten Bildgebung mit der Rastermikroskopie zur sogenannten Ptychographie eröffnet die Möglichkeit, auch ausgedehnte Objekte mit hoher Auflösung zu untersuchen. Dabei wird die Probe mit einem räumlich begrenzten, kohärenten Röntgenstrahl abgerastert und an jedem Rasterpunkt ein Beugungsbild von einer im Fernfeld platzierten Beugungskamera registriert. Die Beleuchtungen benachbarter Rasterpunkte müssen dabei zu einem bestimmten Prozentsatz überlappen, um genügend Informationen für eine anschließende computergestützte und eindeutige Rekonstruktion des Objektes sicherzustellen. Moderne Rekonstruktionsalgorithmen ermöglichen sogar die gleichzeitige Rekonstruktion der Transmissionsfunktion des Objektes und der Beleuchtungsfunktion des eintreffenden Röntgenstrahls. Die Verknüpfung der Ptychographie mit der Tomographie zur 3D-Ptychographie ist der nahe liegende Schritt, um nun auch die dreidimensionale innere Struktur von Objekten mit hoher räumlicher Auflösung zu bestimmen. Die Projektionen an den verschiedenen Winkelpositionen der Probe werden dabei mittels ptychographischer Abrasterung der Probe erzeugt und anschließend der tomographischen Rekonstruktion zugrunde gelegt. In dieser Arbeit wird die Entwicklung der 3D-Ptychographie beschrieben. Das beinhaltet die Beschreibung der experimentellen Umgebung, der numerischen Implementierung des ptychographischen und des tomographischen Rekonstruktionsalgorithmus als auch eine detaillierte Darstellung der Durchführung der 3D-Ptychographie am Beispiel eines Experiments, welches unter Verwendung des modernen Nanoprobe-Aufbaus des Strahlrohres P06 am PETRA III Synchrotronring des DESY in Hamburg durchgeführt wurde. Als Untersuchungsobjekt diente dabei ein dünner Mo/UO2-Film, der ein vereinfachtes Modell für die in Reaktoren von Atomkraftwerken verbrauchten Brennstäbe darstellt und deshalb im Bereich des Umweltschutzes Anwendung findet. Die dreidimensionale Struktur der Probe wurde mit einer - für diese Methode bisher einmaligen - räumlichen Auflösung von 18 nm bestimmt. Die Messung des von der Probe kommenden Fluoreszenz-Signals an jedem Rasterpunkt der Ptychogramme ermöglichte zusätzlich die Bestimmung der zwei- und dreidimensionalen Elementverteilung innerhalb der Probe mit einer räumlichen Auflösung von 80 nm. Anhand der Fluoreszenzdaten konnte sowohl den Bereichen verschiedener Phasenschübe in den ptychographischen Rekonstruktionen der Objektphase als auch den verschiedenen Werten des Dekrementes des Brechungsindex in der tomographischen Rekonstruktion, das entsprechende chemische Element zugeordnet werden. Die erfolgreiche Demonstration der Durchführbarkeit der 3D-Ptychographie motiviert weitere zukünftige Anwendungen, z. B. auf dem Gebiet der Medizin, der Materialforschung und der physikalischen Grundlagenforschung.

Nous construisons un modèle dépendant du temps, en géométrie tridimensionnelle sphérique, de la convection dans un manteau compressible et dissipatif qui est compatible avec la dynamique de l'écoulement mantellique instantané basé sur la tomographie sismique. Nous réalisons cet objectif à l'aide d'une méthode numérique pseudo-spectrale actualisée et révisée. En résolvant le problème direct de la convection thermique dans le manteau, nous obtenons une gamme réaliste de flux de chaleur à la surface de la Terre, variant de 37 TW pour une surface rigide à 44 TW pour une surface avec plaques tectoniques couplés à l'écoulement mantellique. De plus, nos modèles de convection prédisent des flux de chaleur à la frontière noyau-manteau (CMB) qui se trouvent à la limite supérieure des valeurs estimées précédemment, à savoir 13 TW et 20 TW, pour la surface rigide et la surface avec plaques, respectivement. Les deux conditions aux limites de surface, ainsi que les profils radiaux de viscosité inférés de la géodynamique, donnent des flux convectifs en état d'équilibre qui sont dominés par de longues longueurs d'onde tout à travers la partie inférieure du manteau. À savoir la condition de surface rigide donne un spectre d'hétérogénéité mantellique dominé par le degré 4 à 1 intérieur des couches limites thermiques (TBL), et la condition de surface avec plaques donne comme résultat un spectre dominé par le degré 1. Nous démontrons que la structure initiale thermique est fortement imprimée sur l'évolution future du manteau, et aussi que la mesure dans laquelle l'hétérogénéité initiale du manteau détermine la distribution de la température finale dépend de la condition à la limite de la surface. Notre exploration de la dépendance temporelle de l'hétérogénéité spatiale indique que, pour ces deux types de condition aux limites à la surface, les remontées de matière chaude provenant du manteau profond qui sont résolues dans le modèle tomographique sont des caractéristiques durables et stables de la convection dans le manteau terrestre. Ces panaches chauds profondément enracinées dans le manteau profond démontrent une longévité remarquable au cours de très longues des intervalles de temps géologiques. Cette stabilité des panaches profonds est principalement due à la forte viscosité dans le manteau inférieur inférée avec les données géodynamiques. Nous proposons également que les panaches mantelliques profondes sous les points chauds («hotspots») suivants : Pitcairn, Pâques, Galápagos, Crozet, Kerguelen, Caroline, et le Cap-Vert, sont les mieux résolus par l'imagerie tomographique du manteau à grand échelle. Afin de résoudre et évaluer la robustesse du problème inverse de la convection mantellique, nous considérons et comparons deux différentes techniques numériques actuellement utilisées dans la modélisation de la convection vers le passé : les méthodes de la quasi-réversibilité (QRV) et de l'advection vers l'arrière (BAD), sur un intervalle de temps de plus de 65 millions d'années. Nous définissons une nouvelle formulation du paramètre de régularisation pour la méthode QRV en terme d'une fonction dépendant du temps et nous quantifions la gamme des incertitudes suivantes, [7 à 29]% [11 à 37]% [8 à 33]%, et [6 à 9]% pour les champs de la divergence des plaques, les anomalies de gravité à l'air libre, la topographie dynamique de la surface, et la topographie de la CMB, respectivement. Les implications dominantes pour le problème inverse de la convection mantellique sont à la fois le choix d'un géotherme et le type de condition limite à la surface. Toutefois, l'impact critique sur la reconstruction de l'évolution thermique du manteau provient de l'intégration entre les hétérogénéités du manteau (structures décrites par degrés harmoniques l ≥ 1) et un géotherme «réaliste» (structure décrite par le degré harmonique l = 0), à l'intérieur des couches limites thermiques. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Flux de chaleur, tomographie sismique, tectonique planétaire, courants de convection, panaches mantelliques, points chauds, rhéologie du manteau, méthodes d'inversion, Cénozoïque.

Le système sérotoninergique, impliqué dans plusieurs pathologies du système nerveux central, peut être exploré in vivo par l'imagerie TEP (tomographie par émission de positons). La recherche et la validation préclinique de radiotraceurs ciblant spécifiquement les récepteurs sérotoninergiques est donc cruciale. Au cours de ce travail, nous nous sommes intéressés à deux récepteurs sérotoninergiques pour lesquels nous avons développé des outils moléculaires pour leur imagerie fonctionnelle: (i) les récepteurs 5-HT1A et (ii) les récepteurs 5-HT7. (i) Les récepteurs 5-HT1A sont parmi les récepteurs à sérotonine les mieux décrits à l'heure actuelle. Cependant, si des radiotraceurs TEP sont déjà disponibles, ceux-ci sont des antagonistes qui se fixent indifféremment aux récepteurs 5-HT1A, couplés aux protéines G et fonctionnels, et aux récepteurs 5-HT1A, découplés et non fonctionnels. Nous avons donc proposé une stratégie originale de développement d'un agoniste 5- HT1A radiomarqué au fluor afin d'accéder à une imagerie des récepteurs fonctionnels. Deux molécules, le F15599 et le F13714, initialement développées pour leurs propriétés antidépressives par un partenaire industriel, ont été radiomarquées au fluor 18 puis ont été évaluées in vitro, ex vivo et in vivo chez le rat et le chat. Nos résultats montrent que le [18F]F13714 permet de visualiser de manière inédite les récepteurs 5- HT1A couplés aux protéines G. (ii) Le deuxième axe de cette thèse concerne les récepteurs 5-HT7, de découverte récente et proposés comme cible thérapeutique antidépressive. A l'inverse des récepteurs 5-HT1A, les récepteurs 5-HT7 ne disposent pas encore de radiotraceur TEP. Notre approche a consisté à sélectionner, à partir du pharmacophore du récepteur, quatre structures d'antagonistes 5-HT7, synthétisées par un laboratoire partenaire de chimie : le 2FP3, le 4FP3, le 2FPMP et le 4FPMP. Nos études radiopharmacologiques in vitro, ex vivo et in vivo nous ont conduit à retenir un radiotraceur, le [18F]2FP3. À l'issue de ce travail de thèse CIFRE, nous pouvons donc proposer deux radiotraceurs TEP originaux, ouvrant des perspectives inédites d'imagerie moléculaires de la neurotransmission 5-HT1A et 5-HT7 et dont nous envisageons la poursuite du développement comme radiopharmaceutiques cliniques

A particularly interesting class of modern materials is ferroic ceramics. Their characteristic order parameter is a result of quantum chemistry taking place on a sub-Å length scale and long-range couplings, e.g. mediated by electrostatic or stress fields. Furthermore, the particular subclass of multiferroics possesses more than one order parameter and exhibits an intriguing coupling between them, which is interesting both from the fundamental physics point of view as well as from a technological vantage point. While on a more fundamental level it is desirable to elucidate the physical details of the coupling mechanism, this knowledge could subsequently lead to new and technologically interesting multiferroic materials, which overcome their current drawback that only one of the multiple order parameters is appreciably large while the others stay small. Due to the short and long range nature of the driving forces, one challenge for thoroughly understanding ferroic ceramics is the characterization of material properties within a large interval of length scales from several tens of µm to sub-Å. To that end, it is useful to exploit that all order parameters can be described as macroscopic fields, e.g. electric polarization or strain, which, in turn, can be either directly or indirectly probed with an electron beam such as used in Transmission Electron Microscopy (TEM). Consequently, TEM is excellently suited for investigating ferroic materials, i.e., state-of-the-art instruments facilitate aberration corrected imaging within a large magnification interval covering the length scales of interest, in particular the atomic regime. A general drawback of conventional TEM techniques is the loss of phase information originally contained in the scattered electron wave introduced by recording only the electron density. Electron Holography is an advanced TEM technique that facilitates the complete evaluation of the complex electron wave, which, in combination with the manifold possibilities of TEM, provides rather straightforward access to static electromagnetic fields within the ceramic. Nevertheless, quantification of order parameters such as the electric polarization or minute details in electromagnetic fields still require to correlate the experimentally gained observations to physical models, which combine the details of the microscopic imaging process, the electron-specimen scattering, and solid state physics of the specimen. The goal of this work is to investigate and advance the limits of Electron Holography as a truly quantitative TEM technique and apply the findings in, e.g., the investigation of ferroic ceramics. In the light of the previously mentioned difficulties, the problem has to be tackled from different directions: Firstly, the whole holographic imaging process is reviewed and extended, if necessary, in order to provide quantitative measures for systematic and statistical errors inherent to reconstructed waves. In the course of that process, two previously not recognized holography-specific aberrations are identified, firstly, a resolution limiting spatial envelope and secondly, a spatial distortion to the reconstructed wave. Furthermore, several correction strategies have been developed, in order to correct the aforementioned two and other well-known disturbances, e.g. Fresnel fringes from the biprism filament. The previous holographic noise model has been extended to incorporate the important contribution from the detector and consequently to provide realistic statistic error bars of the holographically reconstructed amplitude and phase. Secondly, an investigation of the electron-specimen scattering process itself is conducted, leading to a density matrix description of the holographic measurement. The general laws of quantum electrodynamics provide the framework of that description. Relativistic phenomena such as retardation of electromagnetic fields exchanged between beam electron and specimen and spin-orbit coupling of the beam electron are quantified, where the latter is found to be negligible within TEM. The decoherence of the electron wave by statistical coupling to the thermally moving crystal lattice of ceramics is treated by a newly developed algorithm facilitating in particular the accurate quantification of elastic scattering on heavy elements. Inelastic excitations in the ceramic, e.g. bulk plasmons or core electrons, are treated in combination with elastic scattering to identify their role in the holographic reconstruction process and to develop methods for an accurate calculation. A new scattering algorithm combining elastic and inelastic scattering is developed and applied to predict peculiar scattering contrasts of dipole transitions and to discuss the long-standing problem of contrast mismatch between scattering simulations and conventional imaging. To provide a user-friendly and continuing use of the findings, a software package SEMI (Simulation of Electron Microscopy Imaging) has been written, which facilitates the simulation of elastic and inelastic scattering processes and the subsequent imaging within different approximations, incorporating the newly developed algorithms. Thirdly, Density Function Theory (DFT) solid state calculations have been employed to identify and quantify structural modifications and characteristic electromagnetic fields, such as occurring at domain boundaries, within typical ferroic ceramics like BaTiO3 or BiFeO3, and concomitantly provide models correlating observables of the (holographic) experiment to characteristics of the materials, e.g. the order parameters. This is particularly important when static electromagnetic fields provide no direct information about the order parameter, e.g. the electric polarization, i.e., it is possible to correlate the measurable atomic positions to the electric polarization within linear response theory. A software package ATA (AuTomated Atomic contrast fitting) has been developed facilitating an automated fitting of atomic positions and a subsequent determination of local polarization. In a fourth step, electron holographic experiments analyzed with the help of the revised imaging process in combination with the knowledge gained from scattering theory are used as an input to the models established from solid state physics to yield quantitative information about bulk ferroelectric materials such as BaTiO3 and PbTiO3 and more complicated configurations such as domain walls in BiFeO3 and KnbO3. It is found that particular atomic shifts characteristic for ferroelectrics provide the most reliable quantitative information about the polarization down to nm length scales, whereas minute wave modification due to characteristic electron distributions within the ceramic are currently insufficiently quantitatively interpretable within Electron Holography. The linear response program, correlating atomic positions to ferroelectric polarization with the help of ab-initio calculated Born effective charges, has been successfully applied to determine finite size effects, screening layer widths and polarization charges in non-ferroelectric/ferroelectric layered systems. Finally, a special section considers the evaluation of 3D electromagnetic fields by Electron Holographic Tomography, which provides the means to characterize even more complex 3D domain wall configurations. As the capabilities of the technique are still limited by holographic reconstruction errors and particular tomographic issues such as incomplete projection data, the main focus of that section is put on the characterization and improvement of the tomographic reconstruction process. A Singular Value based reconstruction method is developed, which facilitates a quantification and control of the tomographic reconstruction error. Furthermore, vector field reconstruction is extended in order to treat magnetic vector fields leaking out from the reconstruction volume. / Ferroische Keramiken bilden eine besonders interessante Klasse moderner funktionaler Werkstoffe. Ihr charakteristischer Ordnungsparameter ist das Ergebnis quantenchemischer Prozesse innerhalb einer sub- Å Längenskala und spezifischer langreichweitiger Kopplungen, welche beispielsweise durch elektromagnetische oder Spannungsfelder vermittelt werden. Des Weiteren besitzt die besondere Unterklasse der Multiferroika mehr als einen Ordnungsparameter und zeigt eine faszinierende Kopplung zwischen ihnen, was sowohl vom Standpunkt physikalischer Grundlagenforschung als auch aus technologischer Sicht von Interesse ist. Während es vom fundamentalen Standpunkt erstrebenswert ist, die physikalischen Details des Kopplungsmechanismus aufzuklären, könnte in der Folge dieses Wissen zu neuen und technologisch interessanten multiferroischen Materialien führen, welche den derzeit bestehenden Nachteil, dass nur ein Ordnungsparameter genügend groß ist, während die jeweils anderen klein bleiben, hinter sich lassen. Aufgrund der kurz- und langreichweitigen Natur der Antriebskräfte besteht eine Herausforderung für das umfassende Verständnis ferroischer Keramiken aus der Charakterisierung von Materialeigenschaften innerhalb eines breiten Intervalls von Längenskalen, welches von einigen 10 µm bis unterhalb eines Å reicht. Um dieses Ziel zu erreichen ist es zweckmäßig auszunutzen, dass alle Ordnungsparameter als makroskopische, beispielsweise elektrostatische oder Verzerrungs-, Felder beschrieben werden können, welche wiederum direkt oder indirekt mit einem Elektronenstrahl, wie er im Transmissionselektronenmikrokop (TEM) zur Anwendung kommt, gemessen werden können. Folglich ist die Transmissionselektronenmikroskopie hervorragend geeignet um ferroische Materialien zu untersuchen, das heißt, modernste Geräte ermöglichen aberrationskorrigierte Aufnahmen innerhalb eines großen Vergrößerungsbereiches, welche die interessanten Längenskalen und insbesondere den atomaren Bereich abdecken. Ein allgemeiner Nachteil der konventionellen TEM Techniken ist der Verlust der Phaseninformationen, welche ursprünglich in der Elektronenwelle vorhanden sind und durch die Aufzeichnung der Elektronenintensität zerstört werden. Elektronenholographie ist eine weiterentwickelte TEM Technik, welche die vollständige Auswertung der komplexen Elektronenwelle ermöglicht, was wiederum in Verbindung mit den vielfältigen Möglichkeiten der TEM einen vergleichsweise direkten Zugang zu elektromagnetischen Feldern in der Keramik ermöglicht. Nichtsdestotrotz erfordert die Quantifizierung von Ordnungsparametern, wie der elektrische Polarisierung, oder von kleinsten Details elektromagnetischer Felder die Korrelation experimenteller Daten mit physikalischen Modellen, welche die Details des mikroskopischen Bildgebungsprozesses mit der Elektronen-Objekt Streuung und der Festkörperphysik des Objektes kombinieren. Das Ziel dieser Arbeit besteht aus der Untersuchung und Erweiterung der Möglichkeiten von Elektronenholographie als quantitative TEM Messmethode und der Anwendung dieser Ergebnisse bei der Untersuchung ferroischer Keramiken. Im Lichte der eben erwähnten Schwierigkeiten muss das Problem von verschiedenen Richtungen bearbeitet werden: Erstens wird der komplette holographische Bildgebungsprozess mit dem Ziel einer quantitativen Bewertung systematischer und statistischer Fehler der rekonstruierten Welle analysiert und gegebenenfalls erweitert. Im diesem Zuge wurden zwei bisher nicht erkannte holographiespezifische Fehler identifiziert, erstens eine auflösungsbegrenzende räumliche Enveloppe und zweitens eine räumliche Verzerrung der rekonstruierten Welle. Außerdem wurden verschiedene Korrekturmöglichkeiten entwickelt, um die zwei eben genannten und andere wohlbekannte Störungen, wie zum Beispiel die Fresnelstreifen des Biprismafadens, zu korrigieren. Das bisherige holographische Rauschmodel wurde erweitert um den beträchtlichen Einfluss des Detektors zu berücksichtigen und damit realistische Fehlerbalken für die holographisch rekonstruierte Amplitude und Phase zu erhalten. Zum Zweiten wird der Streuprozess selber untersucht, was zu einer Dichtematrixbeschreibung der holographischen Messung führt. Den Rahmen dieser Untersuchungen liefern die Gesetze der Quantenelektrodynamik. Relativistische Phänomene wie die Retardierung elektromagnetischer Felder, welche zwischen Strahlelektron und Objekt ausgetauscht werden, oder Spin-Bahn Kopplung des Strahlelektrons werden quantifiziert, wobei letzteres als unwichtig für TEM eingestuft werden konnte. Die Dekohärenz der Elektronenwelle durch die statistische Kopplung an das thermisch bewegte Kristallgitter der Keramik wird mit einem neu entwickelten Algorithmus beschrieben, welcher insbesondere die genaue Quantifizierung der elastischen Streuung an schweren Elementen erlaubt. Ein weiterer neuer Streualgorithmus, welcher elastische und inelastische Streuung kombiniert, wird entwickelt und angewendet, um spezifische Streukontraste von Dipolübergängen vorauszusagen und das altbekannte Problem der Kontrastdiskrepanz zwischen simulierten und experimentellen Bildkontrasten zu diskutieren. Um eine anwenderfreundliche und fortdauernde Anwendung der Erkenntnisse zu ermöglichen, wurde das Softwarepaket SEMI geschrieben, welches die Simulation elastischer und inelastischer Streuprozesse und des nachfolgenden Bildgebungsprozesses innerhalb verschiedener Näherungen ermöglicht und die neu entwickelten Algorithmen beinhaltet. Zum Dritten kommen dichtefunktionalbasierte Festkörperrechenmethoden zur Anwendung um charakteristische elektromagnetische Felder, wie sie beispielsweise an Domänengrenzen entstehen, innerhalb typischer ferroischer Keramiken wie BaTiO3 oder BiFeO3 zu identifizieren und zu quantifizieren und gleichzeitig Modelle zu entwickeln, welche Observablen des (holographischen) Experiments mit Charakteristika des Materials, beispielsweise den Ordnungsparamtern, korrelieren. Dies ist besonders wichtig, wenn statische elektromagnetische Felder keinen direkten Zugang zu den Ordnungsparametern, wie zum Beispiel die ferroelektrische Polarisation, liefern; beispielsweise besteht innerhalb linearer Antworttheorie die Möglichkeit, atomare Positionen mit der elektrischen Polarisation zu korrelieren. Ein Softwarepaket wurde entwickelt, welches die automatische Bestimmung der Atompositionen und der daraus resultierenden lokalen Polarisation ermöglicht. In einem vierten Schritt wurden mit Hilfe des überarbeiteten holographischen Bildgebungsprozesses in Kombination mit den aus der Streutheorie gewonnenen Erkenntnissen holographische Experimente analysiert und als Input für die mit Hilfe der Festkörpertheorie entwickelten Modelle genutzt, um quantitative Informationen über raumferroische Materialien wie BaTiO3 und PbTiO3 und kompliziertere Anordnungen wie Domänengrenzen in BiFeO3 und KnbO3 zu gewinnen. Es konnte festgestellt werden, dass spezifische atomare Verschiebungen, welche charakteristisch für Ferroelektrika sind, die zuverlässigste quantitative Information über die Polarisation bis in den Längenbereich einiger nm liefern, wogegen kleinste Wellenmodifikationen aufgrund charakteristischer Elektronenverteilungen innerhalb der Keramik mit Hilfe von Elektronenholographie nur unzureichend interpretierbar sind. Das lineare Antwortprogramm, welches die Atompositionen über Bornsche effektive Ladungen mit ferroelektrischer Polarisation korreliert, wurde erfolgreich angewendet, um Größeneffekte und Ausdehnungen von Abschirmschichten und Polarisationladungen in nichtferroelektrisch/ferroelektrischen Schichtsystemen zu bestimmen. Abschließend widmet sich ein spezieller Abschnitt der Auswertung 3D elektromagnetischer Felder mit Hilfe der elektronenholographischen Tomographie, was die Voraussetzung für die Charakterisierung von noch komplizierteren 3D Domänenwandanordnungen liefert. Da die Möglichkeiten dieser Technik durch den holographischen Rekonstruktionsfehler und spezifisch tomographische Probleme noch beschränkt sind, liegt der Schwerpunkt dieses Abschnitts in der Charakterisierung und Verbesserung des tomographischen Rekonstruktionsprozesses. Es wird eine singulärwertbasierte Rekonstruktionsmethode entwickelt, welche die Quantifizierung und Kontrolle des Rekonstruktionsfehlers ermöglicht. Außerdem wird die Vektorfeldrekonstruktion erweitert, um magnetische Vektorfelder, welche über das Rekonstruktionsvolumen hinausragen, zu behandeln.

Thèse doctorat : Génie des Matériaux : Villeurbanne, INSA : 2004. / Chapitre 3 rédigé en anglais. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 141-146.

Thèse doctorat : Génie des Matériaux : Villeurbanne, INSA : 2003. / Chap. 2 et 4 rédigés en anglais. En appendice, 1 article rédigé en anglais intitulé "Optimal calibration via virtual X-ray imaging for dual-energy techniques : application to glass wool", issu du Colloque "Six international Conference on quality control by artificial vision" et paru dans la revue "SPIE", vol. 5132, 2003, p. 422-432. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 143-155.

Thèse doctorat : Images & Systèmes : Villeurbanne, INSA : 2004. / En annexe, publications de l'auteur sous forme d'articles de périodiques. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 61-75.