La pénétration d'un projectile - éventuellement balistique - à grande vitesse/haute énergie, et l'occurrence d'un coup de bélier dans un réservoir, représentent une éventualité qu'il est souvent légitime, sinon toujours nécessaire, de considérer en sécurité aéronautique. Pour se protéger d'une telle éventualité, le durcissement structural à l'impact via l'intégration de blindages est une solution ultime, qui n'est - dans l'aéronautique - que rarement acceptable pour des raisons évidentes de pénalité de masse. La réduction de la vulnérabilité devient alors indissociable d'un exercice délicat d'optimisation de la résistance de la structure au regard de sa masse, ce qui nécessite donc de modéliser précisément l'occurrence d'un tel coup de bélier, sa sévérité et ses conséquences sur la structure. Ceci est d'autant plus vrai et difficile qu'on s'intéresse - depuis plusieurs décennies déjà en aéronautique - à des structures composites à renfort de fibres de carbone, qu'on sait être particulièrement fragiles aux chocs, et à des projectiles balistiques réels différant notablement de projectiles sphériques rigides, académiques. Les situations étudiées depuis les années 1980 à l'ONERA-Lille concernent en effet des impacts de balles ou d'éclats réels (simples ou multiples : gerbes) perforants et subsoniques p/r à la célérité des ondes dans le liquide. Pour résumer la problématique traitée dans ce mémoire : après pénétration du réservoir, l'éclat ou la munition animée d'une vitesse proche d'un km/s est brutalement freiné(e) par le liquide contenu dans la structure. La force de traînée qui lui est opposée par le fluide varie violemment en fonction de l'évolution du profil traînant du projectile, en particulier lorsqu'il est déstabilisé et se retourne dans le fluide. Cette énergie cinétique est brutalement transférée au liquide, et il y a création d'un choc hydrodynamique puis d'une cavité (on est en présence d'un mélange fluide multiphasique air, vapeur, liquide) dans le sillage du projectile. Après une première onde de choc hydrodynamique potentiellement destructrice, l'expansion à peine plus lente de la cavité dans le liquide (quasiment incompressible) peut se traduire par des déformations non négligeables de la structure pouvant aboutir à des ruptures catastrophiques des matériaux ou des assemblages structuraux, le coup de grâce étant éventuellement porté lors de l'effondrement final de la cavité. Le mémoire présenté à l'occasion de cette candidature à l'obtention d'une Habilitation à Diriger des Recherches retrace l'ensemble des travaux de recherche que j'ai été amené à réaliser et surtout à encadrer depuis le début des années 1990 concernant cette problématique de la modélisation des matériaux et structures composites soumis à des sollicitations de type chocs hydrodynamiques, en particulier sur les sujets de la caractérisation et de la modélisation, d'une part, du comportement et de la rupture dynamique des matériaux composites à matrice organique et, d'autre part, des interactions fluide/structures et des chocs hydrodynamiques consécutifs aux impacts balistiques dans des réservoirs aéronautiques.

Les travaux de ce doctorat concernent le développement d'une technique de caractérisation non destructive encore peu utilisée dans le domaine de la microélectronique : la tomographie par rayons X dans un microscope électronique à balayage. Cet instrument a été utilisé pour l'analyse haute résolution d'interconnexions métalliques, telles que les piliers de cuivre ainsi que les vias traversants, utilisées dans le cadre de l'intégration 3D pour connecter verticalement plusieurs puces entre elles. Les contributions les plus significatives de ces travaux sont : (1) l'amélioration des capacités d'analyse offertes par l'instrument. De nombreuses études – simulations et expériences – ont été menées afin de déterminer et améliorer les résolutions 2D et 3D de ce système d'imagerie. Il a été montré que la résolution 2D de ce système d'imagerie pouvait atteindre 60 nanomètres. La qualité des images acquises et reconstruites a également été améliorée à travers l'implémentation d'algorithmes de reconstruction itératifs et de nombreuses méthodes d'alignement des radiographies. (2) La réduction du temps d'analyse d'un facteur 3 à travers l'implémentation d'algorithmes de reconstruction contraints tels que la méthode de reconstruction basée sur la minimisation de la variation totale. (3) La mise en place d'algorithmes de correction efficaces pour l'élimination d'artéfacts de reconstruction liés à la polychromaticité du faisceau de rayons X utilisé. (4) La mise en application de l'ensemble de ces algorithmes sur des cas réels, rencontrés par des technologues. / In this thesis, an original non-destructive 3D characterization technique has been developed : the X-ray tomography hosted in a scanning electron microscope. This instrument is not widely used in the microelectronics field. This computed tomography (CT) system has been used for the high resolution analysis of metallic interconnections such as copper pillars and through silicon vias (TSVs). These components are widely used in the field of 3D integration to make vertical stacks of interconnected chips.The most significant contributions of this thesis are : (1) the enhancement of the analytical capabilities of the instrument. Many studies – simulations and experiments – have been performed in order to determine and improve the 2D and 3D resolutions of this imaging system. It has been shown that the 2D resolution of this instrument can reach 60 nanometers. The quality of the projections and reconstruction has also been improved through the implementation of iterative reconstruction algorithms and various projections alignment methods. (2) The reduction of the scanning time by a factor 3 through the implementation of constrained reconstruction techniques such as the reconstruction method based on the total variation minimization. (3) The application of effective correction algorithms for removing reconstruction artefacts due to the polychromaticity of the X-ray beam. (4) The application of all these reconstruction methods and algorithms on real cases encountered by materials engineers.

Les travaux de cette thèse se situent dans un contexte de miniaturisation des transducteurs ultrasonores micro-usinés (cMUTs). Ce type de dispositifs est utilisé depuis plusieurs décades dans le domaine de l'imagerie par échographie allant du contrôle non-destructif de structures jusqu'au domaine médical. La quête d'une imagerie hautement résolue nécessite l'utilisation de cMUTs de fréquence de résonance de l'ordre du GHz et de taille micrométrique. L'élément actif de ces cMUts est une membrane suspendue de surface micrométrique. Une étude analytique, basée sur le comportement mécanique des plaques minces, a permis de dimensionner les membranes suspendues et de souligner l'importance d'avoir une épaisseur nanométrique pour avoir un signal émis détectable électriquement. Plusieurs matériaux; à savoir des nanotubes de carbone, du graphène, du graphène oxydé, du DLC (diamond like carbon) et du silicium, ont été mis en œuvre dans la cadre de cette étude pour réaliser des membranes suspendues de taille micrométrique et d'épaisseur nanométrique. Des procédés technologiques propres à chacun de ces matériaux ont été conçus et des membranes d'épaisseurs variant de 2 à 15 nm et de largeurs variant de 1 à 2 µm ont été fabriquées. Une méthode de caractérisation innovante a été mise en place afin d'évaluer les propriétés mécaniques des différentes membranes réalisées. Un protocole de mesure a été développé pour mesurer l'amplitude de déplacement des membranes suspendues sous l'action d'une force électrostatique. Des amplitudes qui atteignent la dizaine de nanomètres ont été mesurées, amplitudes qui correspondent à des variations de capacités électriquement détectables. Plus généralement, ces travaux constituent une preuve solide de la faisabilité des nano-membranes suspendues de taille micrométrique avec un déplacement détectable. / This thesis concerns a context of miniaturization of micromachined ultrasonic transducers (cMUTs). This type of device has been used for decades in the field of ultrasound imaging for the non-destructive testing of structures for example. The quest of a highly resolved imaging requires the use of cMUTs with a resonance frequency in the order of GHz and with a micrometer size. The main part of these cMUts is a suspended membrane with a micrometric surface. An analytical study, based on the mechanical behavior of thin plates, is used for the design of the suspended membranes. This study emphasizes the importance of having a nanometric thickness to obtain a detectable electrical signal. Several materials, namely carbon nanotubes, graphene, graphene oxide, DLC (diamond like carbon ) and silicon have been implemented in this study to make a micron size suspended membranes with a nanometric thickness . Technological processes specific to each of these materials have been designed. Suspended membranes with thicknesses ranging from 2 to 15 nm and widths ranging from 1 to 2 microns were made. A novel method of characterization has been established to evaluate the mechanical properties of our membranes. A measurement protocol has been developed to measure the of displacement of the suspended membrane under the an electrostatic field . Amplitudes reaching ten nanometers were measured. More generally , this study provides a strong proof of the feasibility of suspended micrometer-sized membranes with an electrically detectable signal.

Dans ce travail, nous nous intéressons à l’interaction champ électrique-particule diélectrique dans les phénomènes diélectrophorétiques, aussi bien d’un point de vue théorique que numérique. L’application à long terme concerne l’électro- manipulation des cellules biologiques. La compréhension de ces phénomènes nécessite une modélisation complète des mécanismes de polarisation qui régissent l’interaction champ-particule, et met en oeuvre des modèles électromécanique et électroci- nétique. Après avoir introduit les différents phénomènes et notions nécessaires, nous abordons la modélisation de la polarisation à l’aide de la théorie du potentiel et proposons une approche pour déterminer numériquement les coefficients de polarisation identifiés. Nous montrons que, si le développement multipolaire peut se réduire au premier ordre pour le cas d’une particule sphérique plongée dans un champ uniforme, les ordres supérieurs sont nécessaires pour les particules non sphériques. Nous montrons également comment un processus d’homogénéisation permet d’étudier les configurations de particules multicouches avec cette approche. Dans le cadre de l’étude électromécanique des phénomènes diélectrophorétiques, nous mettons ensuite en œuvre cette approche multipolaire. Deux applications traitées numériquement sont présentées. Nous y montrons la pertinence de cette approche pour calculer la force et le couple exercés sur une particule dans des situations où le champ appliqué présente de fortes non-uniformités, l’approche dipolaire classique se révélant beaucoup moins performante dans ce cas. La particule et son milieu de suspension étant en réalité deux milieux en contact mais non-indépendants, des phénomènes électrocinétiques se produisent à l’interface. Ces effets interfaciaux sont abordés en vue de les prendre en compte dans le phénomène d’électrorotation d’une cellule biologique. Nous modélisons le problème complet d’une particule sphérique chargée plongée dans un milieu de suspension et soumise à un champ tournant en prenant en compte les effets électroosmotiques. La résolution par éléments finis de ce problème couplé montre la pertinence de l’approche développée, notamment pour les basses fréquences. / In this work, we investigate about the interaction between electrical fields and dielectric particles in the dielectrophoretic phenomena, in theorical and numerical ways. The long-term application are related to electromanipulation and caracterisation of biological cells. Understanding these phenomena requires a complete modeling of polarization mechanisms governing the field-particle interaction and implements electromechanical and electrokinetic models. After introducing the necessary concepts and phenomena, we address polarization modeling using potential theory and suggest an approach for a numerical determination of polarization coefficients. We show that if the multipolar expansion can be reduced to the first order for the case of a spherical particle immersed in a uniform field, the higher orders are needed for nonspherical particles. We show also how a homogenization process allows the study of multilayered particles configurations using this approach. As part of the electromechanical study of dielectrophoretic phenomena, we implement the multipolar approach for two applications numerically treated. We show the relevance of this approach to calculate the force and torque exerted on a particle in situations where the applied field has strong non-uniformities, where the classical dipole approach turn out to be much less efficient. The particle and the suspending medium are in reality two media in contact but not independent as some electrokinetic phenomena occur at the interface. These interfacial effects are addressed in order to be taken into account in the electrorotation phenomenon of a biological cell. The model dealing with the whole problem of a charged spherical particle immersed in a suspension medium and subjected to a rotating field and taking into account the electroosmotic effects is treated. The resolution of the corresponding coupled problem using the finite element method shows the relevance of this approach.

Les nanoparticules de dioxyde de titane (TiO2) sont largement utilisées dans les cosmétiques, notamment dans les lotions solaires, pour leurs propriétés optiques intéressantes. Cependant, le TiO2 étant très réactif et potentiellement nocif pour les cellules cutanées, celui-ci est recouvert d’une couche de passivation composée d’espèces chimiques inertes. D’autres traitements de surface peuvent par la suite être appliqués afin de faciliter leur dispersion dans les cosmétiques. Ainsi, les nanoparticules de TiO2 de grades cosmétiques ont des chimies de surface variées qui leur confèrent des propriétés physicochimiques propres. Cependant, le comportement de ces particules lors de leur utilisation en émulsion cosmétique est peu connu. Lors de ce travail de thèse, plusieurs systèmes nanoparticules/émulsion ont été étudiés au cours de leur vieillissement accéléré et suivant les conditions d’utilisation. Tout d’abord, l’impact de deux nanoparticules de traitements de surface différents a été testé sur les mécanismes de (dé)stabilisation des émulsions solaires. Puis, les nanoparticules en émulsion ont été caractérisées au cours du temps et ont fait apparaitre des modifications chimiques rapides au niveau de leur surface. Celles-ci affectent les propriétés physicochimiques des surfaces et ont été prises en compte lors du suivi de l’impact de ces nanoparticules sur les bactéries à travers des protocoles imitant les conditions réelles d’exposition. / Nanoparticles of titanium dioxide (TiO2) are currently used in cosmetics, especially in sunscreens, because of their interesting optical properties. However, the TiO2 is really reactive and could promote the formation of dangerous species for the cutaneous cells. For that reason, these particles are passivated by the application of inert surface treatments. Other coatings could be added in order to improve the dispersion of nanoparticles in the emulsion. Hence, the cosmetic grades of TiO2-nanoparticles have diverse physicochemical surface properties and their behavior in cosmetic use is uncertain. In this work, nanoparticles/emulsion systems were studied during their accelerated aging, mimicking use conditions. First, the impact of two nanoparticles with different surface treatments were tested on the (de)stabilization mechanisms in emulsions. Then, the nanoparticles were characterized within the emulsions and highlighted quick surface modifications. As these changed the physicochemical surface properties of the nanoparticles, they were taken into account during the evaluation of the NP impact on cutaneous bacteria.

Dans le contexte de la recherche des compagnons de faibles masses, planètes et naines brunes, et des disques de poussières autour des étoiles brillantes, une première partie de mon travail est consacrée à l'étude des performances de détection des instruments dédiés à l'imagerie à haut contraste et à haute résolution angulaire. Je me suis particulièrement intéressé aux instruments équipant actuellement les grands telescopes au sol, qui sont composés d'un système d'optique adaptative et d'une caméra infrarouge, couplée à un coronographe stellaire. J'ai eu la chance de participer aux phases d'intégration et de tests de l'instrument d'optique adaptative NAOS. Il est actuellement installé sur le télescope UT4 du Very Large Telescope de l'ESO, au Chili. J'ai, ensuite, developpé un modèle de contraste afin de cerner et d'étudier le comportement des différentes limitations dans une image d'optique adaptative, en fonction de la configuration observationnelle choisie, des modes de fonctionnement du détecteur, des caractéristiques de l'instrument utilisé et de la qualité d'image liée aux conditions atmosphériques. Cette réflexion a été déterminante dans le cadre du second volet de mon travail, portant sur la recherche en imagerie coronographique des compagnons naines brunes ou planètes et des disques circumstellaires. Deux catégories d'étoiles se sont avérées particulièrement propices à ce type d'étude. Il s'agit des membres des associations jeunes et proches, favorisant, par leur statut évolutif, la détection d'objets peu massifs, et les étoiles ayant une planète détectée par des mesures de vitesses radiales. Je présente, d'une part, les résultats que j'ai obtenus, concernant la détection de plusieurs compagnons de faibles masses probables, dans les associations jeunes du groupe Beta Pictoris, de MBM12 et de Tucana-Horologium, ainsi qu'une étude statistique, sans précédent, sur la fraction de compagnons stellaires et naines brunes parmi ces étoiles. Je décris, d'autre part, les résultats obtenus lors de relevés systématiques d'imagerie profonde des étoiles ayant des planètes. Ils concernent la découverte d'objets faibles, jusqu'à présent inconnus dans l'environnement de ces étoiles, et les capacités de détection atteintes grâce à l'imagerie à haut contraste et à haute résolution angulaire.

For years, the modelling of the brain tissue has been widely investigated. Indeed, a biomechanical model of the brain would find applications in fields like image-guided neurosurgery or safety system design (helmets, car manufacturing, security fences design,...). In the present thesis, we propose an original, fractional calculus-based, constitutive equation of the brain tissue. Different types of experiments (unconfined compression, relaxation and cyclic tests) were carried out in order to characterize the mechanical behaviour of the brain tissue. The use of the digital image correlation enabled us, for the first time to our best knowledge, to prove the incompressibility of the brain tissue, a widespread assumption. The constitutive model was calibrated and validated using these experiments. The agreement between the model and the experimental results is very satisfactory. The model reproduces with only a few percent error the stress-strain curves for the compression tests at three different loading rates covering two orders of magnitude as well as the behaviour in the relaxation and cyclic tests. La modélisation du tissu cérébral fait l'objet de nombreuses recherches depuis quelques années. En effet, un modèle biomécanique du cerveau trouverait des applications dans le domaine de la neurochirurgie guidée par l'image et chez les fabricants de système de sécurité (casques, automobiles, barrières de sécurité,...). Dans cette thèse, nous proposons un modèle d'équation constitutive original pour le tissu cérébral basé sur l'utilisation des dérivées d'ordre réel arbitraire (aussi connues sous le terme de dérivées fractionnaires). Divers types d'essais (compression, relaxation et essais cycliques) ont également été réalisés afin de caractériser le comportement mécanique du tissu cérébral. L'utilisation de la corrélation d'images numériques a permis, pour la première fois à notre connaissance, de démontrer expérimentalement son incompressibilité, justifiant ainsi une hypothèse couramment rencontrée. La loi constitutive développée a été calibrée et validée à partir de ces essais. L'accord entre le modèle et les résultats expérimentaux est très satisfaisant en ce qui concerne le comportement en compression à trois vitesse de déformation différentes s'étalant sur deux ordres de grandeur. Il en va de même pour les comportements en relaxation et lors des essais cycliques.

Utilisés dans de nombreux domaines d'applications, les ultrasons se révèlent être sensibles aux propriétés visco-élastiques des milieux traversés. L'investigation spatiale et temporelle des propriétés visco-élastiques des matériaux par méthodes ultrasonores permet notamment le contrôle de l'intégrité de structures ainsi que le suivi de processus. Un dispositif auto-calibrée en émission-réception, basé sur l'application du principe de réciprocité, a été développé pour la mesure du paramètre non linéaire B/A. Cette mesure repose sur une étude harmonique des signaux ultrasonores se propageant dans le milieu. L’instrumentation ultrasonore mise en œuvre a été choisie pour assurer une mesure rapide en émission-réception du paramètre B/A imposant un choix technologique spécifique. L'évolution au cours du temps des paramètres acoustiques dans les matériaux de type sol-gel fait apparaitre un temps caractéristique lié à la structuration du matériau (gélification). Les temps de gélification extraits des mesures permettant de retrouver la loi d'Arrhenius cohérente avec celle obtenue par des méthodes rhéologiques conventionnelles. Une image du paramètre non linéaire a été réalisée sur un fantôme contenant deux fluides non miscibles (eau et huile de silicone). A travers ces deux applications, nous montrons l'efficacité du système de mesure du paramètre non linéaire dans le cadre du suivi d'un matériau en évolution ainsi qu'en imagerie. / Used in many application areas, ultrasound proved to be sensitive to determine viscoelastic properties. The spatial and temporal investigation of viscoelastic properties of materials by ultrasonic methods can be used to monitor structure integrity and processes. A self-calibrated method, based on reciprocity principle has been developed for measuring the nonlinear parameter B/A. Instrumentation has been development to ensure the rapid determination of the parameter B/A imposing a specific technology. The time evolution of the acoustic parameters of sol-gel materials shows a characteristic time related to the structuration of the material (Arrhnius law). A picture of the nonlinear parameter was performed on a phantom containing two immiscible fluids (water and silicone oil). Through these two examples, the effectiveness of the nonlinear parameter measurements has shown in the follow-up of a material changes as well as imaging.

Cette thèse s’inscrit dans la démarche de caractérisation mécanique des tissus mous du vivant in situ et in vivo par un dispositif de succion utilisable en salle opératoire. L’objectif est de fournir au chirurgien un outil simple, efficace, et si possible de coût réduit, pour estimer les propriétés mécaniques spécifiques au patient et en temps réel afin guider leur décisions. Malheureusement, les structures biologiques sont souvent hétérogènes due à leur composition (peau, muqueuse, fibres musculaires, matière adipeuse, fascias, vascularisation, …). En particulier, ces structures biologiques présentent un gradient de propriétés mécanique dans la profondeur. Il s’agit donc de répondre à un problème complexe, d’autant plus qu’il est nécessaire de proposer une méthode non destructive adaptée à une mesure in situ et in vivo en salle opératoire.Parmi les procédés de caractérisation mécanique rencontrés, les méthodes basées sur la succion sont courantes. Ce procédé de mesure consiste à aspirer un volume de tissu mou à travers une ouverture en mesurant simultanément la pression et la hauteur de tissu dans l’enceinte. Une procédure d’identification inverse est ensuite mise en place pour identifier les propriétés mécaniques du tissu. Cette mesure de hauteur étant généralement effectuée à l’aide d’une caméra, le design des systèmes rencontrés reste cependant délicat, en particulier pour respecter les contraintes d’encombrement et de stérilisation des systèmes.Au cours de ce travail, la méthode d’aspiration a été revisitée en remplaçant la mesure de hauteur par une mesure de volume. L’extrémité du dispositif d’aspiration se réduit maintenant à un simple tube : le système fourni est donc facilement stérilisable, le diamètre et la géométrie de l’ouverture peuvent être choisis en fonction des objectifs des mesures à effectuer. Il semble donc difficile d’imaginer un système plus simple, d’encombrement plus réduit et de coût inférieur à celui-ci.Plusieurs problématiques ont été étudiées autour de ce nouveau système :les précisions de mesures obtenues par volume ou, plus classiquement, par caméra ont été confrontées. Au bilan, la mesure de volume présente un ratio signal/bruit similaire ou inférieur aux mesures de volume obtenues par caméra. L’impact de différents paramètres expérimentaux a été évalué et quantifié, permettant d’optimiser la qualité des mesures.les résultats d’identification inverse ont été validés sur des échantillons en silicone. Leur matériau constitutif a été caractérisé pour référence en traction uniaxiale et par bulge test. Les modules de Young obtenus par identification inverse sur le test d’aspiration (calcul itératif par Elements Finis) montrent une sur-estimation de 7% au maximum avec les résultats des tests de référence. Ce résultat est une amélioration significative par rapport aux sur-estimations de 30% rencontrées dans la littérature.les caractéristiques du système ont été mises à profit pour mesurer directement l’épaisseur et les propriétés mécaniques de couches superficielles de tissus multicouches sans autre système de mesure. La preuve de concept a été effectuée expérimentalement sur un échantillon artificiel constitué de deux silicones différents. Au bilan, l’épaisseur de la couche supérieure a été identifiée avec une erreur inférieure à 4% , les modules de Young des deux matériaux avec une erreur inférieure à 8%. Ces résultats sont jugés très encourageants pour une future application de la méthode à des tissus du vivant.une méthode d’identification inverse des propriétés mécaniques en temps réelle a été développée. Cette procédure est basée sur une réduction de modèle et fournit également des indications sur la sensibilité de l’identification aux différents paramètres expérimentaux. L’utilisation de cette méthode d’inversion a montré une erreur d’identification de 10 et 12% par rapport aux valeurs de références sur les spécimens constitués de deux couches de silicones. / In-vivo characterization of biological soft tissues is a key step toward patient-specific biomechanical simulation and planning of intra-operative assisted surgery. These tissues’ structures are usually highly heterogeneous due to the variety of their constituents (skin, mucosa, muscle fibers, fat, fascia, vascularization, etc.). In particular, their local mechanical properties may change with depth.Among various characterization techniques, aspiration method is a standard due to its simplicity: tissue is aspirated through a hole while measuring the negative pressure and the associated apex height. An inverse problem is then solved to identify the material mechanical properties. In the literature, the apex height was usually measured using a camera, which induced design difficulties, in particular regarding the required sterilization process for in-vivo measurements.This thesis aims at developing new practical aspiration techniques and inverse analyze techniques to deal with these challenges.First, the aspiration method is revisited, replacing the apex height optical measurement by the measurement of the aspirated tissue volume. In the proposed method the system head was reduced to a simple tube: sterilization becomes easy and the aspiration aperture diameter can be changed according to experimental requirements. The proposed system is thus probably among the simplest, lightest and most inexpensive devices one could achieve.Then, many studies are developed: (i) a comparison of this volume-based method with classical techniques based on optical measurements, (ii) the validation of the volume-based aspiration device and inverse identification on soft homogeneous synthetic materials, (iii) the development of a method for in-vivo identification of multi-layered soft tissues and its validation on two-layer synthetic samples, and (iv) a method for real-time inverse mechanical identification of constitutive materials using the aspiration results.The experimental signal-to-noise ratio in raw volume measurements obtained either optically or by the volume-based method were compared. The effects on the accuracy of various experimental parameters were investigated and quantified: the volume measurement was proved to present the same order or even better accuracy compared to optical measurements.To validate the inverse identifications using the volume-based aspiration method, silicone samples were then made and characterized using (1) aspiration, and, as references, two standard tests such as (2) uniaxial and (3) equibiaxial extension tests. Performing a Finite Element (FE) inverse identification on the experimental results provided Young’s moduli similar to classical tests with about 7% maximum overestimation for the silicones. This underlines a significant improvement of the measurement method accuracy compared to the literature (about 30% relative overestimation).In the proposed device, the aspiration aperture diameter can be easily changed. This feature was used to develop a new method to characterize the mechanical properties as well as the superficial layers’ thicknesses in multi-layer soft tissues. A proof of concept was experimentally validated on two-layer artificial soft silicone specimens. As a conclusion, the superficial layer thicknesses and the materials Young’s moduli were identified with a maximum error of 4 and 8%, respectively. Such results thus provide encouraging perspectives for the in-vivo characterization of two-layer anatomical structures such as skin and sub-dermal tissues.Eventually, a Design Of Experiment (DOE) method was applied to drastically decrease the computation time involved during the inverse identification step, which is a prerequisite for any use in a clinical routine. The identifications using the DOE method were compared with the reference characteristics of the investigated silicones and maximum errors of 10 and 12% were obtained for the homogeneous and two-layer samples, respectively.

At the beginning of this thesis, basic and advanced device fabrication process which I haveexperienced during study such as top-down and bottom-up approach for the nanoscale devicefabrication technique have been described. Especially, lithography technology has beenfocused because it is base of the modern device fabrication. For the advanced device structure,etching technique has been investigated in detail.The characterization of FET has been introduced. For the practical consideration in theadvanced FET, several parameter extraction techniques have been introduced such as Yfunction,split C-V etc.FinFET is one of promising alternatives against conventional planar devices. Problem ofFinFET is surface roughness. During the fabrication, the etching process induces surfaceroughness on the sidewall surfaces. Surface roughness of channel decreases the effectivemobility by surface roughness scattering. With the low temperature measurement andmobility analysis, drain current through sidewall and top surface was separated. From theseparated currents, effective mobilities were extracted in each temperature conditions. Astemperature lowering, mobility behaviors from the transport on each surface have differenttemperature dependence. Especially, in n-type FinFET, the sidewall mobility has strongerdegradation in high gate electric field compare to top surface. Quantification of surfaceroughness was also compared between sidewall and top surface. Low temperaturemeasurement is nondestructive characterization method. Therefore this study can be a propersurface roughness measurement technique for the performance optimization of FinFET.As another quasi-1 D nanowire structure device, 3D stacked SiGe nanowire has beenintroduced. Important of strain engineering has been known for the effective mobility booster.The limitation of dopant diffusion by strain has been shown. Without strain, SiGe nanowireFET showed huge short channel effect. Subthreshold current was bigger than strained SiGechannel. Temperature dependent mobility behavior in short channel unstrained device wascompletely different from the other cases. Impurity scattering was dominant in short channelunstrained SiGe nanowire FET. Thus, it could be concluded that the strain engineering is notnecessary only for the mobility booster but also short channel effect immunity.Junctionless FET is very recently developed device compare to the others. Like as JFET,junctionless FET has volume conduction. Thus, it is less affected by interface states.Junctionless FET also has good short channel effect immunity because off-state ofjunctionless FET is dominated pinch-off of channel depletion. For this, junctionless FETshould have thin body thickness. Therefore, multi gate nanowire structure is proper to makejunctionless FET.Because of the surface area to volume ratio, quasi-1D nanowire structure is good for thesensor application. Nanowire structure has been investigated as a sensor. Using numericalsimulation, generation-recombination noise property was considered in nanowire sensor.Even though the surface area to volume ration is enhanced in the nanowire channel, devicehas sensing limitation by noise. The generation-recombination noise depended on the channelgeometry. As a design tool of nanowire sensor, noise simulation should be carried out toescape from the noise limitation in advance.The basic principles of device simulation have been discussed. Finite difference method andMonte Carlo simulation technique have been introduced for the comprehension of devicesimulation. Practical device simulation data have been shown for examples such as FinFET,strongly disordered 1D channel, OLED and E-paper. / At the beginning of this thesis, basic and advanced device fabrication process which I haveexperienced during study such as top-down and bottom-up approach for the nanoscale devicefabrication technique have been described. Especially, lithography technology has beenfocused because it is base of the modern device fabrication. For the advanced device structure,etching technique has been investigated in detail.The characterization of FET has been introduced. For the practical consideration in theadvanced FET, several parameter extraction techniques have been introduced such as Yfunction,split C-V etc.FinFET is one of promising alternatives against conventional planar devices. Problem ofFinFET is surface roughness. During the fabrication, the etching process induces surfaceroughness on the sidewall surfaces. Surface roughness of channel decreases the effectivemobility by surface roughness scattering. With the low temperature measurement andmobility analysis, drain current through sidewall and top surface was separated. From theseparated currents, effective mobilities were extracted in each temperature conditions. Astemperature lowering, mobility behaviors from the transport on each surface have differenttemperature dependence. Especially, in n-type FinFET, the sidewall mobility has strongerdegradation in high gate electric field compare to top surface. Quantification of surfaceroughness was also compared between sidewall and top surface. Low temperaturemeasurement is nondestructive characterization method. Therefore this study can be a propersurface roughness measurement technique for the performance optimization of FinFET.As another quasi-1 D nanowire structure device, 3D stacked SiGe nanowire has beenintroduced. Important of strain engineering has been known for the effective mobility booster.The limitation of dopant diffusion by strain has been shown. Without strain, SiGe nanowireFET showed huge short channel effect. Subthreshold current was bigger than strained SiGechannel. Temperature dependent mobility behavior in short channel unstrained device wascompletely different from the other cases. Impurity scattering was dominant in short channelunstrained SiGe nanowire FET. Thus, it could be concluded that the strain engineering is notnecessary only for the mobility booster but also short channel effect immunity.Junctionless FET is very recently developed device compare to the others. Like as JFET,junctionless FET has volume conduction. Thus, it is less affected by interface states.Junctionless FET also has good short channel effect immunity because off-state ofjunctionless FET is dominated pinch-off of channel depletion. For this, junctionless FETshould have thin body thickness. Therefore, multi gate nanowire structure is proper to makejunctionless FET.Because of the surface area to volume ratio, quasi-1D nanowire structure is good for thesensor application. Nanowire structure has been investigated as a sensor. Using numericalsimulation, generation-recombination noise property was considered in nanowire sensor.Even though the surface area to volume ration is enhanced in the nanowire channel, devicehas sensing limitation by noise. The generation-recombination noise depended on the channelgeometry. As a design tool of nanowire sensor, noise simulation should be carried out toescape from the noise limitation in advance.The basic principles of device simulation have been discussed. Finite difference method andMonte Carlo simulation technique have been introduced for the comprehension of devicesimulation. Practical device simulation data have been shown for examples such as FinFET,strongly disordered 1D channel, OLED and E-paper.