identifier: Tirdad, Shiva  (2019). Three-dimensional stochastic assimilation of gravity and dc resistivity data at the Lalor volcanogenic massive sulphide deposit, Manitoba, Canada.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de la terre, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 128 p.

subject: inversion stochastique

subject: assimilation de données

subject: modélisation de données gravimétriques

subject: simulation multipoints

subject: simulation séquentielle bayésienne

subject: modélisation de la résistivité en courant direct

subject: méthode de la déformation graduelle

subject: stochastic inversion

subject: data assimilation

subject: gravity data modeling

subject: multiple-point simulation

subject: bayesian sequential simulation

subject: DC resistivity modeling

subject: gradual deformation method

abstract:
Nous proposons un nouveau flux de travail numérique reposant sur l’intégration stochastique de données dans lequel nous combinons un modèle géologique conceptuel, les diagraphies géophysiques et les descriptions géologiques sur les carottes, ainsi que les données géophysiques de surface et de forage pour obtenir un modèle numérique unifié d’un gisement sulfure massif volcanogéne. La première étape du flux de travail consiste en l’élaboration d’un modèle conceptuel numérique 3D de la géologie par un géologue expert de la zone à l’étude. Ce modèle conceptuel ainsi que les diagraphies géologiques sont utilisés pour produire cent scénarios équiprobables de la géologie au moyen de la simulation multipoints (SMP). La méthode SMP est utilisée, car elle permet de tenir en compte les statistiques d’ordre supérieur dans l’espace du modèle numérique conceptuel, rendant ainsi possible la reconstitution de structures géologiques complexes. Nous utilisons ensuite la simulation séquentielle gaussienne conditionnelle classique, une méthode basée sur un processus séquentiel noeud-par-noeud pour peupler de manière stochastique la grille géologique par des valeurs de densité hétérogènes. À cette fin, nous utilisons des diagraphies de densité disponibles pour simuler différentes distributions spatiales équiprobables de la densité à haute résolution spatiale dans chaque unité géologique. Les modèles de densité stochastiques de haute résolution sont itérativement combinés par la méthode de déformation graduelle afin de minimiser la différence entre les données d’anomalie de Bouguer mesurées et les données obtenues des réalisations combinées de la densité. L’application de la méthode proposée au gisement de Lalor, un gisement de sulfures massifs volcanogènes au Manitoba (Canada), produit un modèle de densité qui reflète bien la géologie du gisement et les données d’anomalie de Bouguer. Les modèles optimisés de densité et les conductivités de forage sont ensuite transmis aux algorithmes séquentiels bayésiens afin de calculer des modèles 3D de conductivité pouvant expliquer les mesures de champ. Le modèle de conductivité passe par une autre étape d’optimisation de la déformation graduelle dans laquelle l’objectif est de minimiser la différence entre les potentiels électriques bruts et calculés. Le modèle pétrophysique unifié construit avec notre méthode est géologiquement réaliste et prend en compte la variabilité spatiale ainsi que l’incertitude inhérente à chaque méthode. Il présente l’avantage de l’intégration et le couplage de toutes les informations disponibles (diagraphies géologiques et géophysiques et les mesures géophysiques en surface et en forage) à des échelles convenant à des applications minières.

 We propose a new numerical workflow based on stochastic data integration where we merge a conceptual geological model, the drillhole geophysical and geological logs as well as surface and borehole geophysical data to compute a unified numerical model of a volcanogenic massive sulphide (VMS) deposit. The first step of the workflow consists in building a 3D numerical conceptual model of the geology by a geologist. This conceptual model as well as geological logs are then used to generate multiple equiprobable scenarios of the geology by means of multiple-point simulation (MPS). The MPS method studies high-order statistics in the space of a numerical conceptual model making it possible to reproduce complex geological structures. We then use conventional conditional sequential Gaussian simulation, which is a method based on a node-by-node sequential process to stochastically populate the geological grid with densities. For this purpose we use available density logs to simulate multiple equiprobable spatial distributions of the density at high spatial resolution within each geological unit separately. The stochastic high-resolution density models are iteratively combined by the gradual deformation method in order to minimize the difference between measured Bouguer anomaly data and the data computed on the combined realizations of density. Application of the proposed method to the Lalor deposit, a VMS in Manitoba, Canada, produces a density model that honors the geology of the deposit and the Bouguer anomaly data. The optimized density models and borehole conductivity logs are then fed to Bayesian sequential algorithms to compute 3D conductivity models that can explain the field measurements. The conductivity model goes through another gradual deformation optimization step where the objective function is to minimize the difference between raw and computed electrical potentials. The unified petrophysical model built with our method is geologically meaningful and considers the spatial variability so as the uncertainty inherent to each method. It has the advantage to include all the available information (geological and geophysical logs and surface and borehole geophysics) at scales appropriate for mining applications.


identifier: Moutiy, El Houssaine  (2019). Extraction de l’indium à partir des écrans à cristaux liquides (LCD) d’ordinateurs par un procédé hydrométallurgique.  Mémoire.  Québec, Maîtrise en sciences de l'eau, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 108 p.

type:
Thèse
Non évalué par les pairs

subject:
écran LCD
indium
extraction
solubilisation
optimisation
lixiviation chimique
LCD screen
indium
solubilization
optimization
chemical leaching

abstract:
En raison de ses performances semi-conductrices et optoélectroniques, l'indium (In) est l'un des métaux les plus couramment utilisés dans l'industrie électrique et électronique. Par conséquent, la recherche de sources secondaires pour accroître la production d'indium semble cruciale pour garantir la continuité des marchés électrique et électronique, où des milliers de nouveaux gadgets sont produits chaque année et vendus en grandes quantités. Parmi les sources secondaires riches en indium, nous pouvons citer les écrans d'affichage à cristaux liquides (LCD), qui peuvent contenir jusqu'à 0,03% d’indium ou 0,7 g d'indium par mètre carré sous forme d'oxyde d'indium-étain (ITO). L'ITO est un revêtement d'alliage fritté qui contient une grande partie d'oxyde d'indium (90%) et une petite partie d'oxyde d'étain (10%). Ce projet de recherche vise à optimiser un procédé hydrométallurgique permettant de récupérer efficacement l’indium présent dans les écrans LCD usagés, tout en minimisant les coûts d'exploitation. Après le démantèlement, le déchiquetage et le broyage des écrans LCD d'ordinateurs, la concentration d’indium dans les différentes composantes des écrans (c'est-à-dire l’écran noir, le verre et le film polymère) a été déterminée. La lixiviation de l’indium à partir d'échantillons composites (taille des particules inférieure à 4 mm) d’écrans LCD broyés a également été étudiée. L’influence de plusieurs paramètres expérimentaux, tels que les solides totaux (10 - 50%), la température (20 - 80°C), la concentration d'acide sulfurique (H₂SO₄) (0,2 – 2 N) et le temps de réaction (15 min – 6 h), a été étudiée afin de déterminer les conditions optimales en termes d'efficacité d’extraction de l’indium. L'acide sulfurique a été choisi pour la lixiviation non seulement pour son efficacité, mais aussi pour son faible coût (acide le moins cher). Les conditions optimales ont été déterminées à l’aide d’une méthodologie de plan d’expériences en surface de réponse de type Box-Behnken. Les conditions optimales de solubilisation de l’indium à partir d’écrans LCD broyés étaient une teneur en solides de 50% (p/v), une concentration d'acide (H₂SO₄) de 0,4 N, une vitesse d'agitation de 250 rotations par minute (rpm) et un temps de lixiviation de 30 min à une température de 70°C. L’efficacité de solubilisation de l'indium prédite par le modèle Box-Behnken était de 89,7%. Les essais expérimentaux de validation du modèle réalisés en triplicata ont montré un rendement de solubilisation de 99,5 ± 9,7% de l'indium présent dans les écrans LCD. Une étude technico-économique a également été réalisée afin d’évaluer les coûts d’exploitation du procédé hydrométallurgique.

 Due to its semiconductor and optoelectronic performance, indium (In) is one of the most commonly used metals in the electrical and electronics industry. Therefore, the identification of secondary sources to increase indium production seems crucial to ensure the continuity of the electrical and electronic markets, where thousands of new gadgets are produced each year and sold in large quantities. Indium-rich secondary sources include liquid crystal display (LCD) displays, which can contain up to 0.03% indium or 0.7 g indium per square meter as an oxide indium-tin (ITO). ITO is a sintered alloy coating that contains a large portion of indium oxide (90%) and a small portion of tin oxide (10%). This research project aims to optimize a hydrometallurgical process to efficiently recover the indium present in used LCD screens, while minimizing operating costs. After the dismantling, shredding and grinding of computer LCD screens, the indium concentration in the various components of the screens (i.e. the black screen, the glass and the polymer film) was determined . The leaching of indium from composite samples (particle size less than 4 mm) of crushed LCD screens was also studied. The influence of several experimental parameters, such as total solids (10 - 50%), temperature (20 - 80°C), sulfuric acid concentration (H₂SO₄) (0.2 – 2 N) and reaction time (15 min – 6 h) was studied to determine the optimal conditions in terms of indium extraction efficiency. Sulfuric acid was chosen for leaching not only for its low cost (the cheapest acid), but also for its effectiveness. Optimal conditions were determined using an experimental design methodology using the Box-Behnken methodology. The optimum conditions for solubilization of indium from crushed LCD screens were a solids content of 50% (w/v), an acid concentration (H₂SO₄) of 0.4 N, a stirring speed of 250 rotations per minute (rpm) and a leaching time of 30 min at a temperature of 70°C. The solubilization efficiency of indium predicted by the Box-Behnken model was 89.7%. Triplicate experimental validation tests of the model showed a solubilization efficiency of 99.5 ± 9.7% of the indium present in the LCD screens. A technical-economic study was also conducted to evaluate the operating costs of the hydrometallurgical process.


identifier: Tasing kouom, Ralph Dimitri  (2020). Modélisation de la qualité de l’eau et bilan des nutriments azote et phosphore dans le bassin versant de la rivière des Hurons.  Mémoire.  Québec, Maîtrise en sciences de l'eau, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 258 p.

subject:
lac Saint-Charles
EFDC
modèle numérique
Modèle Additif Généralisé (GAM)
installation sanitaire autonome
HYDROTEL
lake St-Charles
numerical model
Generalized Additive Model (GAM)
onsite wastewater treatment plant

abstract:
Depuis 2006, le lac St-Charles, principal réservoir d’eau potable de la Ville de Québec, est sujet à des nuisances de cyanobactéries et de fleurs d’algues contribuant à la dégradation de son état trophique. La rivière des Hurons en tant que principal affluent du lac St-Charles joue un rôle dans l’apport en nutriments et conséquemment dans la qualité de l’eau du lac. Afin de comprendre l’ensemble des processus de transport et de transformation des nutriments (N et P), de l’amont de la rivière des Hurons jusqu’au lac, nous avons recours à la modélisation mathématique et la résolution numérique des équations directrices. Plus précisément, on utilise le modèle hydrologique HYDROTEL pour simuler les débits en rivière et le modèle de qualité de l’eau EFDC (Environmental Fluid Dynamic Code) pour simuler les principaux paramètres de la qualité de l’eau. Les métriques de performance basées sur plusieurs études de modélisation montrent que le modèle EFDC simule bien tant l’hydrodynamique que la dynamique des concentrations de N et P dans le bassin versant de la rivière des Hurons. Il ressort de l’étude que l’occupation du bassin versant (source diffuse de contaminants incluant le parc d’installations septiques autonomes) et l’usine de traitement des eaux usées (UTEU, source ponctuelle de contaminants) de Stoneham contribuent pour une charge totale moyenne d’environ 1.54 T/an de phosphore soit 0.11 kg P/ha/an et de 43.8 T/an d’azote soit 3.19 kg N/ha/an en sortie de la rivière des Hurons vers le Lac St-Charles. Ces charges se répartissent respectivement aux proportions de 83.54% et 85.33% pour l’occupation du bassin versant et 16.46% et 14.66% pour l’UTEU de Stoneham.

 Over the past decade, Lake St. Charles, the primary drinking water reservoir of Québec City, has experienced several harmful algal blooms episodes contributing to the deterioration of the trophic state and water quality of this strategic water body. The Des Hurons River, the main tributary of Lake St. Charles plays a role in the supply of nutrients and consequently in the general water quality conditions of the lake. To further our understanding of the transport and transformation processes of nutrients (N and P), from the upstream portions of the Des Hurons River to the lake, we used mathematical and numerical modeling. More specifically, we used the HYDROTEL hydrological model to simulate river flows and the EFDC (Environmental Fluid Dynamic Code) water quality model to simulate the major water quality parameters within the river. Performance metrics based on several water quality studies showed that the EFDC model simulates well the hydrodynamics and dynamics of N and P concentrations in the Des Hurons River watershed. It emerges from the study that land use (diffuse source of contaminants including several onsite wastewater treatment plants distributed throughout the watershed) as well as the Stoneham wastewater treatment plant (WWTP, point source of contaminants) contribute to an average total load of approximately 1.54 T / year of P or 0.11 kg P/ha/an and 43.81 T / year of N or 3.19 kg N/ha/an. More specifically, these loads account respectively for 83.54% and 85.33% for the land use and 16.46%, 14.66% for the Stoneham WWTP.


identifier: Deepak, Thrithamarassery Gangadharan  (2020). Investigation on effects of aromatic organic cations in halide perovskites for solar cell application.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 206 p.

subject: cellules solaires pérovskites

subject: pérovskites sans plomb

subject: pérovskite à alliage étainplomb

subject: pérovskites moins toxiques

subject: pérovskites stables

subject: pérovskites bidimensionnelles

subject: perovskites en couches

subject: oxydation de l’étain

subject: pile solaire de perovskite sans plomb

subject: perovskites mixtes aux halogénures

subject: perovskite solar cells

subject: lead-free perovskites

subject: tin-lead alloyed perovskite

subject: less-toxic perovskites

subject: stable perovskites

subject: two-dimensional perovskites

subject: layered perovskites

subject: tin oxidation

subject: efficeint less-lead perovskite solar cell

subject: mixed-halide alloyed perovskites

abstract:
Avec leur efficacité exceptionnelle de conversion de l’énergie, de plus de 23 % actuellement, les pérovskites tridimensionnelles aux halogénures dominent la recherche sur les cellules solaires pouvant être traitées en solution. Toutefois, la présence dans ces dispositifs de pointe d'un élément toxique tel que le plomb ainsi que la stabilité chimique des pérovskites aux halogénures entravent la commercialisation de cette technologie. Des cellules solaires pérovskites halogénure sans plomb peuvent être réalisées en remplaçant complètement le plomb par des éléments tels que l’étain, le germanium, etc. Cependant, elles présentent une efficacité et une stabilité inférieures à celles des cellules contenant du plomb. À ce jour, les cellules solaires pérovskites à base d’étain sont celles qui sont les plus sûres du point de vue toxicologique et qui représentent donc le plus faible danger. Malheureusement, l’étain est sujet à l’oxydation, ce qui pose des problèmes de stabilité ainsi que des performances photovoltaïques plus faibles pour les cellules solaires en pérovskite à base d’étain. L'efficacité et la stabilité des cellules solaires pérovskites à base d’étain sont limitées par une recombinaison accrue des porteurs de charge induite par des lacunes d'étain qui sont activées par l’oxydation de l'étain d'un état d'oxydation 2+ à un état d'oxydation 4+ qui est plus stable. Alternativement, on peut remplacer partiellement le plomb par de l’étain ce qui permet de réduire la teneur en plomb (pérovskites alliées étain-plomb) sans perte significative d’efficacité. Dans le cas présent, les pérovskites d’alliage plomb-étain efficaces sont obtenues via une ingénierie de la composition qui comprends la substitution partielle des métaux et des halogénures dans les pérovskites en alliage. Aussi, la problématique de la stabilité chimique des pérovskites aux halogénures peut être résolue en utilisant des pérovskites en couches de faible dimensionnalité (pérovskites à deux dimensions) comme absorbeurs de soleil, mais ceci est réalisé au détriment des performances photovoltaïques. Les pérovskites en couches de faible dimensionnalité sont synthétisées par l’exfoliation de pérovskites à l’aide de cations d'ammonium organiques à grand volume. Les cellules solaires fabriquées avec ces pérovskites à faible dimensionnalité ont montré une amélioration significative de leur stabilité chimique contre l'humidité ainsi que contre l’élévation de la température par rapport à la structure d'origine. Dans cette thèse, nous avons d’abord étudié de manière approfondie les pérovskites à faible dimensionnalité synthétisées en utilisant un cation organique volumineux, le phényléthylammonium. Par la suite, nous avons exploré les effets des cations phényléthylammonium dans les pérovskites à base d’alliages étain-plomb afin d’améliorer leurs performances photovoltaïques ainsi que la stabilité des dispositifs. Il est intéressant de noter que l’addition d’une petite quantité de cations volumineux d'ammonium organique dans les pérovskites peut passiver les défauts associés à l'oxydation de l'étain dans le matériau. Aussi nous avons optimisé la quantité de cations d’ammonium nécessaires pour améliorer simultanément l'efficacité et la stabilité. Cette thèse sert donc à paver la voie vers des cellules solaires à pérovskite sans plomb, ultra-stable et très efficace.

 Three-dimensional halide perovskites have been dominating solution-processable solar cell research recently with outstanding power conversion efficiency of over 23%. The presence of toxic element “lead” in state-of-the-art devices and chemical stability of halide perovskites, however, hamper the commercialization of this technology. Although lead-free halide perovskite solar cells can be realized by completely replacing lead with other elements, such as tin, germanium, etc., they show inferior efficiency and stability. To date, tin-based perovskites are toxicologically safer, highest-performing lead-free perovskite solar cells. Unfortunately, tin is prone to oxidation causing critical stability issues as well as lower photovoltaic performance. The efficiency and stability of tin perovskites are limited by enhanced charge carrier recombination in the solar cell induced by tin vacancies activated by tin oxidation from the 2 + oxidation state to more stable 4+ oxidation state. Alternatively, partially replacing lead with tin helps to reduce the lead content (viz. tin-lead alloyed perovskites) in perovskite solar cells while without significant loss in efficiency. Here, efficeint lead-tin perovskites are achieved via compostional engineering. The compositional engineering was comprised of partially substituting metals and using mixed halides in alloyed perovskites. The issue of chemical stability of halide perovskites can be addressed by employing layered low-dimensional perovskite (known as two-dimensional perovskites) as solar absorbers, but at the expense of photovoltic performance. Layered lowdimensional perovskite structures are synthesized by exfoliating perovskite structure by bulky organic ammonium cations which have shown significant improvement on chemical stability against moisture and heat compared to the parent structure. In this thesis, layered perovskites using bulky organic cation, phenylethyl ammonium, are thoroughly studied. Subsequently, effects of phenylethyl ammonium cations in tin-lead peovskites are explored to improve photovoltic performance and device stability of tin-lead alloyed perovskites. Interestingly, a small amount of bulky organic ammonium cation addition in the perovskites showed various effects from passivating the Sn vacancy defects to homogenizing the metals and halides in the material. Here, the amount of phenylethyl ammonium cations is optimized to simultanously improve the efficiency and stability. The thesis proposes a recipe for a stable, highly efficient lead-less perovskite solar cell.


identifier: Zhang, Qingzhe  (2020). Broadband graphitic carbon nitride-based photocatalysts for environmental and energy applications.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 194 p.

subject: photocatalyseur à large bande

subject: nitrure de carbone

subject: plasmonique

subject: conversion ascendante

subject: points quantiques dans le proche infrarouge

subject: sans métal

subject: phosphore noir

subject: dégradation photocatalytique

subject: dégagement d'hydrogène

subject: broadband photocatalyst

subject: carbon nitride

subject: plasmonic

subject: upconversion

subject: near-infrared quantum dots

subject: metal-free

subject: black phosphorus

subject: photocatalytic degradation

subject: hydrogen evolution

abstract:
La transcription des symboles et des caractères spéciaux utilisés dans la version originale de
ce résumé n’a pas été possible en raison de limitations techniques. La version correcte de ce
résumé peut être lue en PDF.En tant que photocatalyseur à semi-conducteur, le nitrure de carbone graphitique (g-C3N4) présente un grand intérêt pour le domaine des matériaux, pour ses mérites tels que la nontoxicité, la facilité de préparation, la bande interdite modérée, la forte capacité rédox, l’abondance sur terre et la bonne stabilité physico-chimique. Cependant, le g-C3N4 souffre toujours d'une activité photocatalytique médiocre et d'un rendement quantique faible en raison du taux de recombinaison élevé des porteurs de charge photogénérés. En plus, la bande interdite optique (2,7 eV) du g-C3N4 limite grandement la plage d’absorption de la lumière visible aux longueurs d’onde inférieures à 460 nm. Ainsi, le développement de photocatalyseurs basés sur du g-C3N4 répondant efficacement dans une large bande d’absorption couvrant l’ultraviolet (UV), le visible, et l’infrarouge (NIR), demeure une tâche de grande importance et de grande urgence, bien que difficile. Dans cette thèse, trois types de photocatalyseurs à large bande basés sur le g-C3N4 ont été développés et utilisés pour la dégradation photocatalytique de polluants organiques et la production de carburant écologique. Tout d'abord, nous avons synthétisé un photocatalyseur à large bande amélioré par plasmon et conversion ascendante (upconversion, UP), basé sur des nano-feuilles de g-C3N4 chargées de nanoparticules (NP) d’or et de microsphères de NaYF4:Yb3+, Er3+, Tm3+ (NYF) (Au-NYF/g-C3N4). La synthèse en une simple étape de NYF en présence de g-C3N4, qui n'a pas été rapportée dans la littérature, conduit à la fois à un rendement élevé en NYF et à une efficacité de couplage élevée entre NYF et g-C3N4. La structure Au-NYF/g-C3N4 présente une stabilité élevée, une large bande de photoréponse allant de l’UV aux régions visibles et NIR, ainsi qu'une activité photocatalytique nettement accrue au g-C3N4 lors de la dégradation du méthyl orange. Les hautes performances du nano-composite Au-NYF/g-C3N4 sous différentes irradiations lumineuses sont attribuées au fait que la séparation des charges est nettement favorisée et à la suppression de la recombinaison ainsi qu'au transfert efficace des porteurs de charge et de l'énergie entre ces composants. Le fait que la séparation et le transfert de charge soient favorisés a ensuite été confirmé par des mesures photoélectrochimiques. Différents mécanismes de photo-dégradation réalisée séparément sous des éclairages UV, visible et NIR sont mis en évidence et discutés en détail. En simulant une illumination solaire, les espèces réactives impliquées ont été identifiées en effectuant des expériences de piégeage. Deuxièmement, une hétérojonction, constituée de points quantiques PbS@CdS@ZnS core@shell@shell (PCZ QDs) et de g-C3N4 à deux dimensions (2D), et dénommée hétérojonction 0D/2D, a été synthétisée. En plus des avantages typiques des composites 0D/2D, tels qu’une courte distance de diffusion par charge et une mobilité élevée des charges, nos photocatalyseurs PCZ QDs/g-C3N4 offrent des fonctionnalités supplémentaires. L'absorption optique à large bande de PCZ QD de haute qualité dispersés sur toute la surface des nano-feuilles de g-C3N4 et leur forte interaction permettent un transfert de charge efficace entre eux. Ceci confère aux hétérojonctions PCZ QDs/g-C3N4 une activité photocatalytique élevée de l’UV à la région NIR. En fait, avec l’optimisation des niveaux de charge des PCZ QD, l’efficacité photocatalytique normalisée est supérieure à la meilleure valeur rapportée dans la littérature pour la photocatalyse dans le NIR. Le transfert de charge a été étudié et analysé grâce à la spectroscopie à photoluminescence en régime continu et résolu dans le temps, par spectroscopie à spin électronique (ESR) ainsi que par des mesures photoélectrochimiques. Les radicaux superoxydes ont été identifiés comme l’espèce active la plus importante dans la photocatalyse par des expériences «scavenger» et des spectres d’ESR. Les PCZ QDs/g-C3N4 possèdent de bonnes performances de recyclage et aucun relâchement de métal n’a été détecté dans la solution après photocatalyse. Troisièmement, une hétérojonction 2D/2D de phosphore noir (BP)/g-C3N4 a été conçue et synthétisée pour le dégagement photocatalytique de H2. La méthode d’exfoliation assistée par de la glace développée ici pour la préparation de nano-feuilles de BP à partir de BP massif conduit à un rendement élevé en nano-feuilles de BP à plusieurs couches (6 couches en moyenne) avec une grande taille latérale et une exfoliation liquide de courte durée et de faible puissance. La combinaison de BP avec le g-C3N4 protège le BP de l’oxydation et contribue à une activité accrue sous irradiation lumineuse λ> 420 nm et λ> 475 nm et à une grande stabilité à long terme. Le taux de production de H2 à partir de BP/g-C3N4 (384,17 µmol g-1 h -1 ) est comparable voire supérieur à ce qui a été rapporté dans la littérature, à savoir celui d’un photocatalyseur chargé de métaux précieux sous irraditation λ> 420 nm. Le transfert de charge efficace entre BP et g-C3N4 (probablement dû à la formation de liens N-P) et la large bande d’absorption (démontrés à la fois expérimentalement et théoriquement) contribuent à l’excellente performance photocatalytique. Les mécanismes possibles d'évolution de H2 sous différentes types d'irradiation lumineuse sont mis en évidence.

The symbols and special characters used in the original abstract could not be transcribed due
to technical problems. Please use the PDF version to read the abstract.As a semiconductor photocatalyst, graphitic carbon nitride (g-C3N4) has attracted tremendous interest of material scientists by virtue of its fascinating merits, such as nontoxicity, facile preparation, moderate bandgap, strong redox capability, “earth-abundant” nature, and good physicochemical stability. However, g-C3N4 still suffers from poor photocatalytic activity and low quantum efficiency due to the high recombination rate of photogenerated charge carriers. Moreover, the optical bandgap (2.7 eV) of g-C3N4 largely restrains the range of its visible light absorption to wavelengths shorter than 460 nm. Thus, the development of efficient and broadband responsive (from ultraviolet (UV), visible to near-infrared (NIR) regions) g-C3N4 based photocatalysts is a task of great significance and urgency, though challenging. In this thesis, three kinds of g-C3N4 based broadband photocatalysts were developed and used in photocatalytic degradation of organic pollutants and green fuel production. Firstly, a plasmon and upconversion enhanced broadband photocatalyst based on Au nanoparticle (NP) and NaYF4:Yb3+, Er3+, Tm3+ (NYF) microsphere loaded g-C3N4 nanosheets (AuNYF/g-C3N4) was subtly designed and synthesized. The simple one-step synthesis of NYF in the presence of g-C3N4, which has not been reported in the literature either, leads to both high NYF yield and high coupling efficiency between NYF and g-C3N4. The Au-NYF/g-C3N4 structure exhibits high stability, wide photoresponse from the UV, to visible and NIR regions, and prominently enhanced photocatalytic activities compared with the plain g-C3N4 sample in the degradation of a common pollutant, methyl orange. The high performance of the Au-NYF/g-C3N4 nanocomposite under different light irradiations was ascribed to the distinctively promoted charge separation and suppressed recombination, and the efficient transfer of charge carriers and energy among these components. The promoted charge separation and transfer were further confirmed by photoelectrochemical measurements. Different mechanisms of the photodegradation under separate UV, visible, and NIR illuminations are unveiled and discussed in detail. Under simulated solar light illumination, the involved reactive species were identified by performing trapping experiments. Secondly, a heterojunction made of 0-dimensional (0D) NIR-responsive PbS@CdS@ZnS core@shell@shell quantum dots (PCZ QDs) and 2-dimensional (2D) g-C3N4 nanosheets, named 0D/2D heterojunction, was rationally constructed. In addition to some typical advantages of 0D/2D composites, such as short required-charge-diffusion-distance and high charge mobility, our designed PCZ QDs/g-C3N4 photocatalysts offer additional beneficial features. The broadband optical absorption of high-quality PCZ QDs highly dispersed on the surface of the g-C3N4 nanosheets and their strong interaction yield efficient charge transfer between them and endow PCZ QDs/g-C3N4 with high photocatalytic activity from UV to NIR regions. Actually, with the optimization of PCZ QDs loading levels, the achieved, normalized rate constant is higher than the best-reported value for NIR-driven photocatalysis. The charge transfer was investigated and supported by steady-state and time-resolved photoluminescence spectroscopy and solid-state electron spinning spectroscopy (ESR) as well as photoelectrochemical measurements. Superoxide radicals were identified as the most important active species in photocatalysis by scavenger experiments and ESR spectra. PCZ QDs/g-C3N4 possesses good recycling performance and no metal release was detected in the solution after photocatalysis. Thirdly, a 2D/2D heterojunction of black phosphorus (BP)/g‐C3N4 was designed and synthesized for photocatalytic H2 evolution. The ice‐assisted exfoliation method developed herein for preparing BP nanosheets from bulk BP, leads to high yield of few‐layer BP nanosheets (≈6 layers on average) with large lateral size at reduced duration and power for liquid exfoliation. The combination of BP with g‐C3N4 protects BP from oxidation and contributes to enhanced activity both under λ > 420 nm and λ > 475 nm light irradiation and to long‐term stability. The H2 production rate of BP/g‐C3N4 (384.17 µmol g−1 h −1 ) is comparable to, and even surpasses that of the previously reported, precious metal‐loaded photocatalyst under λ > 420 nm light. The efficient charge transfer between BP and g‐C3N4 (likely due to formed N-P bonds) and broadened photon absorption (supported both experimentally and theoretically) contributed to the excellent photocatalytic performance. The possible mechanisms of H2 evolution under various forms of light irradiation is unveiled.


identifier: Labrecque, Katherine  (2019). Naviguer, se connecter et s’abonner pour s’informer sur l’emploi : les sources d’information en ligne en matière d’insertion professionnelle et leurs usages chez les jeunes au Québec. Retour sur une expérience de mobilisation et de transfert des connaissances au ministère du Travail, de l’Emploi et de la Solidarité sociale  Essai.  Québec, Université du Québec - Institut National de la recherche scientifique, Maîtrise en pratiques de recherche et action publique, 127 p.

subject:
Mobilisation des connaissances
Agent d’interface
Pratiques informationnelles
Internet
Jeunesse
Québec
Knowledge mobilization
Knowledge broker
Informational practices
Internet
Youth
Quebec

abstract:
C’est dans une volonté d’en connaître plus sur les façons dont s’informent les jeunes et les immigrants récents sur l’emploi qu’a pris naissance un projet de recherche partenariale entre le ministère du Travail, de l’Emploi et de la Solidarité sociale (MTESS) et une équipe de recherche de l’INRS dirigée par Nicole Gallant, Place des pratiques informationnelles dans l’intégration professionnelle des jeunes et des immigrants au Québec. Dans ce contexte, j’ai réalisé un stage dans le programme Pratiques de recherche et action publique (PRAP) de l’Institut national de la recherche scientifique (INRS). Le stage avait comme objectif de mieux comprendre les pratiques informationnelles en ligne en matière d’insertion professionnelle chez les jeunes au Québec et, concrètement, de réaliser une analyse documentaire des sites Internet consultés par les participants du projet de recherche partenarial. Le présent essai rend compte de l’ensemble de cette expérience de stage en effectuant un retour sur chacune des grandes étapes. Je décrirai tout d’abord le déroulement du stage et le contexte dans lequel il a été mené. Une réflexion sur la conceptualisation et la théorisation du Web permettra ensuite de mieux comprendre la méthodologique de ce stage, à savoir la documentation et l’analyse des sites Internet utilisés par les participants. Seront par la suite présentés les résultats de cette analyse; résultats qui donnent la chance de constater non seulement une diversité de pratiques informationnelles, mais aussi de révéler des inégalités dans l’accès à l’information en ligne relative à l’emploi. Les trois derniers chapitres seront consacrés à la présentation des activités de transfert, à un retour réflexif sur le projet de stage et à une discussion critique sur la mobilisation des connaissances et le rôle d’agent d’interface.

 Wishing to know more about the ways in which young people and recent immigrants access information about employment, the ministère du Travail, de l’Emploi et de la Solidarité sociale (MTESS) established a partnership with a research team led by Nicole Gallant at the Institut national de la recherche scientifique (INRS) for a research project and titled Place des pratiques informationnelles dans l’intégration professionnelle des jeunes et des immigrants au Québec. In this context an internship was completed in the Pratiques de recherche et action publique (PRAP) Masters program at INRS university. The purpose of the internship was to better understand online informational practices pertaining to professional integration among young people in Quebec. In particular, I carried out a documentary analysis of the websites consulted by the participants in the partnership research project. This essay reports on this entire internship experience by reviewing each of the major stages. We will first describe the course of the internship and the context in which it was conducted. A critical review of the conceptualization and the theorization of the Web will then make it possible to better understand the methodology of this project, namely the documentation and analysis of all websites used by the research participants. The results of this analysis will be presented later; these results show not only a diversity of information practices, but also reveal inequalities regarding access to online information about employment. The three final chapters will be devoted to the presentation of knowledge transfer activities, a reflective assessment of the internship project and a critical discussion on knowledge mobilization and the role of the knowledge broker.


identifier: Nadeau, Frédérick  (2020). Parcours d’engagement dans l’extrême droite québécoise : une ethnographie (2014-2017)  Thèse.  Québec, Université du Québec - Institut National de la recherche scientifique, Thèse en études urbaines, 333 p.

subject:
Extrême droite
Mouvements sociaux
Parcours d’engagement politique
Rapport
au politique
Engagements corporels
Ethnographie
Québec
Canada
Right-wing extremism
Social movements
Political engagement
Bodily modes of
political engagement
Ethnography
Quebec

abstract:
Cette thèse met en évidence certaines dynamiques permettant de comprendre l’émergence d’une
vague de mouvements d’extrême droite au Québec depuis le milieu de la décennie 2000. Plus
spécifiquement, elle permet d’apporter des éléments de réponse à deux questions générales :
1) comment les organisations d’extrême droite fonctionnent-elles et 2) comment et pourquoi un
individu en vient-il à s’engager dans ce type de mouvement ? Pour répondre à ces questions, un
terrain ethnographique a été réalisé entre 2014 et 2017. La thèse s’appuie sur une démarche
immersive sous forme d’observation participante au sein de trois groupes de militants extraparlementaires
: Atalante, la Fédération des Québécois de souche (FQS) et la Société pour
l’avancement et le respect des traditions (SPART). Des entretiens de type « récits de vie » ont
ensuite été réalisés avec dix militants, afin de compléter les observations.
Dans un premier temps, la thèse dresse un portrait des trois organisations et de leur mode de
fonctionnement. Elle montre que les groupes interagissent au sein d’un écosystème où chacun
occupe un rôle à la fois spécifique et complémentaire, créant des conditions de développement
favorables à l’ensemble. Tandis que le SPART agit comme un lieu de socialisation et sert
d’interface entre les groupes, la FQS remplit un rôle d’entrepreneur idéologique et Atalante
privilégie l’action directe et le militantisme « de rue ». Si les militants sont généralement
rattachés à une organisation particulière, ceux-ci circulent néanmoins assez librement entre les
groupes, participant aux activités des uns et des autres et contribuant ainsi à maintenir
l’écosystème dynamique. La thèse met également en évidence le fait que ces trois organisations
adoptent une approche « métapolitique » visant non pas à exercer une influence directe sur les
institutions, mais à transformer la façon dont les acteurs perçoivent le monde et agissent au sein
de celui-ci. Elles cherchent à opérer une transformation ontologique et sont, en ce sens, engagées
dans une lutte « culturelle ».
Dans un deuxième temps, la thèse s’intéresse aux parcours individuels des acteurs engagés au
sein de l’extrême droite québécoise. L’analyse des récits de vie permet d’abord d’identifier trois
parcours types à travers lesquels les acteurs établissent un contact initial avec le mouvement : le
parcours contre-culturel, le parcours idéaliste et le parcours de la quête de soi. Par la suite, en
s’intéressant à leur expérience une fois qu’ils sont engagés, on remarque qu’indépendamment du
parcours suivi, l’engagement politique est en grande partie vécu comme un rapport à soi ; il n’est
pas appréhendé dans un rapport à l’État ou aux institutions publiques, mais se manifeste par une
série de gestes et d’habitudes quotidiennes par lesquels les acteurs se construisent comme sujets.
Le quotidien se voit infusé de significations politiques : le fait d'aller s’entraîner, de faire certains
choix alimentaires, de planter un jardin, de prier, de se marier, de faire des enfants, etc.
L’engagement prend ainsi des formes qui contrastent avec l’action politique telle qu’on la
retrouve théorisée dans les approches dominantes de la sociologie des mouvements sociaux. Ce
sont des modes d’engagement que je qualifie de « corporels » : via l’adoption d’une certaine
discipline de vie, les militants sont amenés à faire l’expérience du politique à travers leur corps.
Pour changer le monde, ils doivent d’abord se changer eux-mêmes. Le dernier chapitre propose des pistes d’analyses afin d’interpréter ce phénomène. En dressant
des parallèles avec d’autres mouvements sociaux contemporains qui se déploient aussi selon des
logiques corporelles, la thèse identifie un « déficit de reconnaissance » qui affecte une part
croissante des acteurs sociaux sur l’ensemble du spectre politique. Dans un contexte où ceux-ci se
sentent impuissants vis-à-vis des transformations qui affectent leur société, où ils se sentent
ignorés par les institutions et trahis par des élites, les modes d’engagement corporels offrent aux
acteurs la possibilité de se construire comme sujets et de se doter d’une part d’agentivité dans un
monde qui, par ailleurs, semble leur échapper.

 This thesis highlights certain dynamics making it possible to understand the emergence of a wave
of far-right movements in Quebec since the middle of the 2000s. More specifically, it provides
answers to two general questions: 1) how do these extreme right organizations work and and 2)
how and why does an individual get involved in this type of movement? To answer these
questions, an ethnographic fieldwork was carried out between 2014 and 2017. Participant
observations was conducted within three groups of extra-parliamentary activists: Atalante, the
Fédération des Québécois de souche (FQS — Federation of old-tock Quebecers) and the Société
pour l'avancement et le respect de traditions (SPART — Society for the advancement and respect
of traditions). These participant observation sessions were then supplemented by “life story”
interviews, conducted with ten activists.
First, the thesis brushes a portrait of the three organizations and their modes of operation. It
shows that groups interact within an ecosystem in which each occupies a role that is both specific
and complementary, creating favorable conditions for the whole. While the SPART acts as a
space of socialization and an interface between the groups, the FQS plays the role of an
“ideological entrepreneur” and Atalante favours direct action and "street" activism. While
activists are generally attached to a particular organization, they nevertheless circulate quite
freely between groups, participating in each other's activities and thus helping to maintain a
dynamic ecosystem. The thesis also highlights the fact that these three organizations adopt a
“metapolitical” approach, aiming not to exert a direct influence on public institutions, but to
transform the way in which common citizens perceive the world and act within it. They seek to
operate an ontological transformation and are, in this sense, engaged in a “cultural war".
Second, the thesis focuses on the individual experience of actors involved in the Quebec extreme
right movement. It starts by identifying three typical pathways through which the actors establish
initial contact with the movement: the counter-cultural path, the idealistic path and the self-quest
path. Subsequently, analyzing their experience once they are engaged, we notice that regardless
of the path followed, political engagement is largely experienced as a relationship with the Self :
it is not apprehended as a contentious relationship with the state or public institutions, but
translates into a series of daily actions and habits by which actors construct themselves as
subjects. Daily life is infused with political meanings: going to the gym, following a certain diet,
dressing a certain way, growing a garden, praying nightly, getting married, having children, etc.
Their engagement thus takes forms that contrast with political action as we find it theorized in the
dominant approaches of social movements studies. They are what I call “bodily" or “aesthetic”
modes of political engagement: through the adoption of a certain discipline and lifestyle, activists
experience politics through their own bodies and senses. To change the world, they must first
change themselves.
The last chapter offers some lines of analysis in order to interpret this phenomenon. By drawing
parallels with other contemporary social movements adopting bodily modes of engagement, the
thesis identifies a "recognition deficit" which affects a growing share of social actors across the political spectrum. In a context where citizens feel helpless and vulnerable vis-à-vis the
transformations that affect their society; in a context where they feel ignored by institutions and
betrayed by elites, bodily modes of engagement offer actors the opportunity to build themselves
as subjects and acquire a share of agency in a world which otherwise seems to elude them.


identifier: Abrego Martínez, Juan Carlos  (2020). Development of membraneless mixed-reactant microfluidic fuel cells: electrocatalysis and evolution through numerical simulation.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 204 p.

subject:
pile à combustible à réactifs mixtes
pile à combustible à méthanol direct
catalyseur sélectif
réaction de réduction d'oxygène
microfluidique
simulation numérique
mixed-reactant fuel cell
direct methanol fuel cell
selective catalyst
oxygen reduction reaction
microfluidics
numerical simulation

abstract:
La demande croissante d'énergie et la détérioration de l'environnement ont motivé la recherche pour développer de nouveaux dispositifs de conversion et de stockage d'énergie alternative et verte à haute efficacité. Cela vaut également pour les produits de consommation tels que les appareils électroniques portables, qui sont des outils essentiels dans la vie moderne. L'introduction de smartphones, d'ordinateurs portables et de gadgets de nouvelle génération, est limitée par l'autonomie, qui est le problème fondamental des batteries Li-ion utilisées comme alimentation sur pratiquement tous les appareils électroniques portables commerciaux. Il est désormais bien connu que la demande d'énergie dépasse les développements de la technologie de batterie conventionnelle. Dans la quête d'une source d'énergie alternative capable de surmonter cette situation, les micro-piles à combustible apparaissent comme une solution intéressante car elles peuvent offrir la mobilité et la liberté recherchées par le consommateur en offrant une vitesse de recharge plus rapide et une durée de vie plus longue. De plus, cette technologie présente des avantages environnementaux importants car les carburants peuvent être obtenus à partir de sources organiques durables. Le méthanol est considéré comme un combustible potentiel pour les piles à combustible miniaturisées en raison de sa densité énergétique élevée et de son utilisation relativement sûre. Les piles à combustible microfluidiques à réactifs mixtes sans membrane alimentées au méthanol (MR-µDMFC) ont récemment été proposées comme technologie capable de répondre aux exigences énergétiques des appareils électroniques portables. Afin d'améliorer leurs performances, cette thèse se concentre sur le développement d'un matériau de cathode très efficace pour les MR-µDMFC, ajouté à une compréhension précise d'un fonctionnement à cellule unique. Ceci est prévu à être réalisé en utilisant des simulations numériques et en mettant en œuvre des améliorations de cellules de pile établies sur ces résultats de simulation. Par conséquent, une cathode sélective a été synthétisée dans ce travail et ensuite utilisée dans une pile MR-µDMFC à 4 cellules développée dans cette thèse. La pile a été testée dans des conditions passives produisant 1,1 mW de puissance de crête en connexion série, une puissance jugée suffisante pour les micro-appareils. La preuve de concept est démontrée en utilisant la pile pour alimenter une LED verte pendant 4 h avec une seule charge de 234 μL.

Rising energy demands and the environmental deterioration have motivated the research for developing new, alternative and green energy conversion and storage devices with high efficiency. This also applies for consumer products such as portable electronic devices, which are essential tools in modern life. The introduction of next-generation smartphones, portable computers and a variety of gadgets is severely restricted by the autonomy, which is the fundamental issue of Li-ion batteries employed as power supply on practically all commercial portable electronic devices. It is now well known that power demand is outpacing developments in conventional battery technology. In the quest for an alternative power source capable of overcoming this situation, micro fuel cells appear as an attractive solution as they can offer the mobility and freedom sought by the consumer by offering faster recharging speed and longer service life. In addition, this technology has important environmental benefits because the fuels can be obtained from sustainable organic sources. Methanol is considered to be a potential fuel for miniaturized fuel cells due to its high energy density and relatively safe use. As a promising power source of such, methanol-fed membraneless mixed-reactants microfluidic fuel cells (MRµDMFCs) fabricated on polymeric substrate have recently been proposed as a technology capable of fulfill the energetic requirements for electronic portable devices. In order to improve their performance, this thesis centers on the development of a highly efficient cathode material for MR-µDMFCs, added to an accurate understanding of a single cell operation. This is intended to be achieved by employing numerical simulations and implementing stack cell improvements established on these simulation results. Consequently, a selective cathode was synthesized in this work and subsequently used in a 4-cell MR-µDMFC stack developed in this thesis. The stack was tested in passive conditions producing 1.1 mW of peak power in series connection, a power considered sufficient for micro-devices. The proof of concept is demonstrated by using the stack for powering a green LED during 4 h with a single charge of 234 μL.


identifier: Berchtikou, Aziz  (2020). Inactivation des bactériophages M13 et MS2 par un laser femtoseconde.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 160 p.

subject: énergie matériaux

abstract: L’inactivation par le traitement laser femtoseconde est le résultat d’une succession complexe de mécanismes d’interaction entre l’impulsion laser et le matériau biologique. Notre étude s’inscrit dans le cadre de la compréhension des mécanismes d’inactivation des particules virales suite à un traitement laser femtoseconde. Les objectifs généraux, au départ, étaient de mettre en place une stratégie expérimentale dans le but d’améliorer l'inactivation des agents infectieux en optimisant les différents paramètres clefs régissant le procédé d’inactivation par le laser femtoseconde et de déterminer les phénomènes impliqués dans les mécanismes d’inactivation des bactériophages. À cette fin, les bactériophages M13 et MS2, deux agents infectieux très différents sur le plan biologique, sont exposés à des impulsions femtosecondes intenses dans le visible et le proche infrarouge. Dans un premier temps, nous avons étendu les travaux menés sur l’inactivation des virus par le traitement laser au moyen d’un système laser femtoseconde à technologie titane: saphir. On a accéléré l'inactivation des bactériophages par le laser à impulsions ultra-courtes rapportée (> 1 heure) à 15 min au maximum en grands volumes (1cm³). Pour raccourcir le temps d'exposition requis pour l'inactivation, nous avons utilisé des impulsions femtosecondes ultra-courtes (40 fs) et intenses (20 mJ) avec une cadence de 10 Hz. Avec ces paramètres, le temps d'exposition maximum requis pour l'échantillon est de 15 minutes, ce qui est considérablement plus court que celui utilise dans les précédentes études d'inactivation des virus au laser. L'efficacité de l'inactivation des agents infectieux par le traitement laser femtoseconde dépend de nombreux facteurs. Ces facteurs peuvent divisés en deux groupes: les paramètres laser femtoseconde (la durée d'impulsion, l'énergie d'irradiation, longueur d'onde d'excitation et la durée d'exposition) et les paramètres cibles (taille, structure de la capside et composition de génome viral,…). Tous ces facteurs affectent les différentes étapes de l’inactivation des pathogènes. La fonctionnalité des bactériophages M13 et MS2 est montrée être dépendante de la densité d'énergie du laser d'excitation ainsi que du temps d'exposition. La diminution de la densité d'énergie d’irradiation semble réduire l'efficacité de l'inactivation des virus. L’augmentation du temps d’exposition induit une destruction progressive des particules. L'inactivation du virus s'est avérée très sensible à la durée de l'impulsion laser. L'inactivation est maximale lorsque la durée de l'impulsion est courte et diminue progressivement à mesure que la durée de l'impulsion du laser d'excitation augmente à densité de puissance laser constante (17 GW cm⁻ ²) et à la longueur d'onde d'excitation. En outre, l'inactivation du virus s'est avérée dépendre de la longueur d'onde d'excitation. Pour des temps d'exposition courts, les deuxièmes harmoniques du laser Ti:saphir ont montré une efficacité d'inactivation plus élevée que les longueurs d'onde fondamentales. Enfin, l’efficacité de ce traitement laser femtoseconde dépend également de la sensibilité de l’agent infectieux ciblé. Les M13 et MS2, deux agents infectieux très différents sur le plan biologique ont montré des comportements d’inactivation très différents au traitement laser à 400 nm. Les différences des comportements ne peuvent être rationalisées que si les mécanismes moléculaires induisant l’inactivation sont compris. Nous avons par conséquent déterminé comment des différences dans la composition du génome et des protéines virales peuvent avoir un impact sur les mécanismes d’inactivation des bactériophages par le traitement laser. Des études récentes soulignent que l’inactivation virale observée lors d’un traitement laser serait liée à des modifications au niveau de la capside des virus. La surface de la capside est ainsi le siège de réactions physico-chimiques liées au milieu qui peuvent altérer le caractère infectieux et en particulier la capacité du virus à reconnaître sa cellule hôte. C’est pourquoi nous avons étudié l’inactivation et l’évaluation des propriétés de surface de nos deux virus modèles au cours de ces traitements. Cette étude a pour but de mieux comprendre les processus de l’inactivation et de la dégradation des particules virales au cours d’un traitement technologique. L’étude des modifications physico-chimiques au cours de l’inactivation virale nous a souligné que les propriétés interfaciales sont différentes entre le phage MS2 et le phage M13. Ces résultats démontrent donc qu’il est possible de préciser les mécanismes responsables de la baisse des UFP. Ces résultats suggèrent que l'altération de la structure de la protéine de la capside virale due à l'agrégation des protéines est la cause d'inactivation de MS2 traitées au laser. Les vibrations induites par le traitement laser femtoseconde provoquent une perturbation transitoire des liaisons relativement faibles à l’intérieur d’une capside viral. Cela conduit par conséquence à un dépliement partiel des protéines virales en perturbant les liaisons hydrogène et / ou les interactions hydrophobes, conduisant à l'agrégation de protéines virales étroitement associées et à l'inactivation du virus. D'autre part, pour les bactériophages M13, des travaux antérieurs ont examiné les mécanismes d'inactivation du phage par le traitement laser femtoseconde. Ils ont démontré que l'inactivation des M13 est lié à la détérioration de leur capside protéique virale. Ce travail de recherche s’est déroulé au laboratoire ALLS de l’Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) -Centre Énergie Matériaux Télécommunications (EMT) en collaboration avec le groupe de professeur Peter Tijssen du Centre INRS–Institut Armand-Frappier et le groupe de professeur Marc A. Gauthier (EMT). Cette thèse présente un fort caractère expérimental, beaucoup de temps a été accordé pour effectuer les expériences, évaluer et trier les données obtenues. Ce document articulé en six chapitres présente les résultats obtenus au cours de ces cinq années d’étude. Le premier chapitre dédie à l’étude bibliographique qui précise le contexte général de notre étude, en présentant les principes de ces différentes méthodes actuelles d’inactivation, mais également les limites qu'elles peuvent présenter, et la nouvelle technologie innovante d’inactivation, la décontamination par le traitement laser femtoseconde qui présentent une alternative séduisante. Nous développons pourquoi cette technologie se distingue des autres, et quelle pourrait être sa place dans le secteur industriel actuel. Le deuxième chapitre présente d'importantes applications biomédicales de l’inactivation par le laser femtoseconde pour la prévention des maladies infectieuses par la réduction des composants pathogènes du sang, la stérilisation des produits pharmaceutiques et biologiques, la décontamination des cultures cellulaires et la production de vaccins sûrs et efficaces. Le troisième chapitre donne une description succincte de mécanisme possible d’inactivation par le traitement laser femtoseconde. Dans cette section, le principe d'ISRS et son effet sur un système de agents infectieux (virus) sont introduits de manière concise. Le quatrième chapitre présente les dispositifs expérimentaux et les matériaux utilisés ainsi que les diverses méthodes mises en œuvre au cours de cette étude pour préparer une suspension du stock phagique isolés stable au cours du temps. Dans la première partie, nous ne donnons que les grandes lignes d’obtention de stock de bactériophages et culture de la bactérie nécessaire pour le titrage et les méthodes qui ont permis la caractérisation de cette suspension stock de même que les suspensions de phages obtenues après le traitement laser. Ensuite la seconde partie est consacrée à l’appareillage expérimental utilisé dans nos travaux. Nous donnons une description brève des éléments clés de ces dispositifs expérimentaux: la source laser femtoseconde et le montage expérimental. Ensuite, les résultats obtenus sont présentés et analysés dans le cinquième chapitre. Dans ce chapitre, nous montrons que l'efficacité de l'inactivation des agents infectieux par le laser femtoseconde dépend de nombreux facteurs. Ces facteurs peuvent être divisés en deux groupes: les paramètres de source laser femtoseconde (tels que la longueur d'onde, le temps d'exposition à l'irradiation et l'énergie et la largeur d'impulsion) et les paramètres cibles (taille biologique, composition du génome viral). Tous ces facteurs affectent les différentes étapes de l’inactivation des agents infectieux. Dans le sixième et dernier chapitre, des conclusions globales ainsi que des perspectives soulevées par ces travaux sont finalement formulées.


identifier: Breitenborn, Holger  (2020). Terahertz radiation for the characterization of plasmonic nanoparticles and its biomedical applications.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 173 p.

subject: rayonnement térahertz

subject: spectroscopie térahertz temps-domaine

subject: nanoparticules

subject: chauffage plasmonique

subject: chauffage photo-thermique

subject: thérapie photo-thermique

subject: interaction laser-tissu

subject: imagerie biomédicale THz

subject: tomographie THz

subject: terahertz radiation

subject: terahertz time-domain spectroscopy

subject: nanoparticles

subject: plasmonic heating

subject: photothermal heating

subject: photothermal therapy

subject: photothermal conversion efficiency

subject: laser tissue interaction

subject: terahertz biomedical imaging

subject: terahertz tomography

abstract:
L'évaluation précise de l'effet photo-thermique des nanomatériaux est une condition fondamentale pour diverses applications, telles que la biologie, la chimie et la nano-médecine. En particulier, les thérapies photo-thermiques visant à détruire les cellules cancéreuses nécessitent une détermination précise des capacités de conversion lumineuse des nanoparticules plasmoniques utilisées, afin obtenir les effets nécessaires induits par la température dans les tissus biologiques considérés. Dans cette étude de doctorat, une nouvelle méthode a été développée pour la quantification de l'effet photo-thermique de nanoparticules dans des solutions aqueuses. L'efficacité de la conversion photo-thermique liée à la morphologie des nanoparticules plasmoniques a été évaluée de manière non-invasive et sans contact en combinant des dynamiques thermiques spatiales et temporelles dérivées à des fréquences térahertz. La méthode peut être étendue à la caractérisation de tous les nanomatériaux qui subissent une variation de leur indice de réfraction en fonction de la température dans le régime de fréquence térahertz. De plus, les capacités de la nouvelle méthode ont été étendues au domaine biomédical pour observer et évaluer les interactions laser-tissu assistées par nanoparticules. Par exemple, le soudage laser des tissus assisté par des nanoparticules plasmoniques est une procédure de fermeture de plaie peu invasive capable de remplacer les sutures très invasives couramment utilisées. Le processus de fusion tissulaire est assisté par un gel d’assemblage contenant des nanoparticules, ce qui facilite l'absorption et la transformation de l'énergie laser en chaleur localement confinée dans les bords du tissu. Un contrôle méticuleux de la soudure chauffée par photo-thermie et du tissu sous-jacent est essentiel pour minimiser ou même empêcher les dommages photo-thermiques causés par le fort rayonnement laser, ainsi que pour optimiser la résistance à la traction du tissu fondu. Par conséquent, la nouvelle méthode constitue une modalité sans contact, non-invasive et non-ionisante pour évaluer les dommages induits par photo-thermie rendus possibles par la sensibilité élevée du rayonnement térahertz à la teneur en humidité du tissu biomédical. Le rayonnement térahertz a été utilisé pour suivre l'évolution des dommages photo-thermiques au cours de la procédure de soudage et pour créer une image tomographique permettant une évaluation quantitative de la profondeur des dommages. Cette méthode peut être rapidement étendue et déployée pour une variété d'applications médicales impliquant une interaction laser-tissu, par exemple l'ablation au laser et les thérapies photo-thermiques.

The precise evaluation of the photothermal effect of nanomaterials is an essential prerequisite for a variety of fields, such as biology, chemistry, and nanomedicine. In particular, photothermal therapies to destroy cancer cells require an accurate determination of the light conversion capabilities of plasmonic nanoparticles to attain the necessary temperature-induced effects in biological tissue. In this Ph.D. work, a new method has been developed for the quantification of the photothermal effect of nanoparticles in aqueous solutions. The photothermal conversion efficiency linked to the morphology of plasmonic nanoparticles was evaluated in a non-contact and non-invasive manner by combining spatial and temporal thermal dynamics derived at terahertz frequencies. The method is extendable to the characterization of all nanomaterials that experience a temperature-dependent variation of their refractive index in the terahertz frequency regime. Moreover, the capabilities of the new method were extended to the biomedical realm to observe and evaluate nanoparticle-assisted laser tissue interaction. For example, laser tissue soldering assisted by plasmonic nanoparticles is a minimally invasive wound closure procedure that could replace commonly used, highly invasive sutures. The tissue fusing process is assisted by a nanoparticle-containing solder gel, which facilitates the absorption and transformation of laser energy into heat locally confined in the tissue edges. Meticulous monitoring of the photothermally heated solder and the tissue underneath is vital to minimize or even prevent photothermal damage inflicted by the intense laser radiation as well as optimize the tensile strength of the fused tissue. The new method constitutes a non-contact, non-invasive, and non-ionizing modality for evaluating photothermally induced damage enabled by the high sensitivity of terahertz radiation to the humidity content of biological tissue. Terahertz radiation was utilized to trace the evolution of the photothermal damage during the soldering procedure and to create a tomographic image allowing a quantitative evaluation of the incurred damage as a function of depth. In the future, this method could be implemented in a variety of medical applications that involve laser tissue interaction, including laser ablation and photothermal therapies.


identifier: Caraffini, Diego  (2020). Development of a prototype Time Domain Spectroscopy system for in vivo terahertz thermal imaging.  Mémoire.  Québec, Maîtrise en sciences de l’énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 154 p.

subject: énergie matériaux

abstract:
Terahertz radiation (THZ or Terahertz) is that part of the electromagnetic spectrum lying between the electrical
domain of microwaves and the optical domain of infrared radiation (0.1 THz to 10 THz), which is now blooming
with a myriad of new applications after decades where it was only considered as some sort of technological ‘gap’,
mainly because of a lack of standardized generation and detection systems.
The most common applications of THZ are in the industrial domain as a non-contact means to perform
material identification, measure thickness of plastic objects and coatings, as well as carry out spectroscopic
analysis of packaged substances. It is also used for cultural heritage diagnostics, security inspections (body scan)
and many other uses.
The intrinsic safety of THZ, due to its characteristic low photon energy that cannot cause ionization, makes it
suitable for probing living tissues, and a highly attractive candidate for sensing and monitoring systems in the
biological and biomedical fields. We are particularly interested in the use of THZ as a complementary instrument
in the therapy of skin cancer, which is becoming an increasingly common occurrence in developed countries and
imposes a significant burden on society.
After being reflected by the skin, THZ carries information about the refractive index of the water contained in
epidermal tissue that can be used to infer the temperature and hydration of the skin. This could prove to be invaluable
as a monitoring tool during sessions of Photothermal Therapy (PTT) and enable us to assess its outcome afterwards.
This thesis is part of a larger research project that aims first to demonstrate the feasibility and utility of a
THZ-based monitoring system for PTT and then to refine the analysis algorithms and measurement procedures
to allow this idea to exit the physics research laboratory and become a tool commonly used in the healthcare
system. This work focuses on the development of a fast and reliable data acquisition system that will constitute
the basis of the project. The setup will have to be powerful and flexible enough to accommodate the necessities
of a research environment, but present an interface that is simple to use and understand for operators that have no
specific training in spectroscopy and nonlinear optics.
The first chapter briefly reviews the medical and social issues that physics is called upon to address and summarizes
why this new approach to thermal monitoring is an interesting alternative to other well-established techniques. The second chapter illustrates the state of the art in the field of THZ generation and detection, in order to allow us
to i) evaluate the viability of the various options for use in a clinical context and ii) choose the most appropriate ones.
The third chapter describes in detail the setup itself, from the point of view of both the hardware components
and the software used to drive them, thereby providing adequate justification for the choice of components and
software architecture. This chapter also contains the description of the measurement procedures employed for
each operating mode of the setup.
The fourth chapter describes a set of measurements performed with the aim i) of characterizing the instrument
used, ii) determining how its operating mode affects the collected data and iii) establishing the limits within which
the settings of the various sub-systems should lie to ensure optimal performance. One of the tests involves the
simulation of a PTT session on a porcine skin model to show that the setup is actually capable of performing its
function, in conditions as close as possible to its intended use.
The fifth chapter contains the conclusion and several suggestions for future development of the system.


identifier: Fan, Mengyang  (2020). Dendritic post transition metal catalysts for highly active and formate selective electrochemical reduction of carbon dioxide.  Thèse.  Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 184 p.

subject:
dioxyde de carbone
réduction électrochimique
formiate
métaux post-transition
catalyseurs à base de plomb
structure dendritique
matériaux d'alliage
calculs DFT
carbon dioxide
electrochemical reduction
formate
post-transition metals
lead-based catalysts
dendritic structure
alloy materials
DFT calculations

abstract:
La transcription des symboles et des caractères spéciaux utilisés dans la version originale de
ce résumé n’a pas été possible en raison de limitations techniques. La version correcte de ce
résumé peut être lue en PDF.La réduction électrochimique du CO2 (ERC) en carburant et produit chimique est l'un des moyens de remédier aux niveaux élevés d'émissions de CO2 résultant de l'activité humaine. Parmi les différents produits à valeur ajoutée qui peuvent être obtenus lors de l'ERC, le formiate/acide formique a suscité un vif intérêt en raison de sa large utilisation et de son marché favorable. Les métaux de post-transition, tels que In, Hg, Pb et Sn, ont suscité l'intérêt des chercheurs en raison de leur prix faible et de leur bonne sélectivité pour la production de formiate lors de la réduction électrochimique du processus de CO2. Cependant, sur ces éléments post-transition, une sélectivité élevée s'accompagne d'une forte demande de pression de CO2, les potentiels d’initiation sont importants et les surtensions élevées lorsqu'une forte densité de courant (taux de production élevé) est requise. Par conséquent, il est toujours un défi à développer des catalyseurs de post-transition qui fonctionnent bien à la pression atmosphérique, à la température ambiante et à l'électrolyte aqueux, et qui atteignent une faible surtension et un courant de réduction important. Les catalyseurs en structure de type dendrite sont potentiels pour l'ERC hautement actif et sélectif en raison de leur grande surface spécifique, d'une grande densité de surface exposée avec des orientations de facettes préférentielles et de la présence de pointes acérées à la fin des dendrites. Premièrement, des films de Pb poreux en nid d'abeille avec une structure secondaire de type dendrite se développant le long de l'axe [100] ont été préparés par ‘’Dynamic Hydrogen Bubble Templating’’ (DHBT) et utilisés pour l'électro-réduction du CO2. Une caractérisation physicochimique détaillée des films poreux a révélé que l'épaisseur (jusqu'à 70 µm) et la surface active électrochimique (jusqu'à 1500 cm2 ) des films poreux en Pb pouvaient être ajustées par la densité de courant (variant entre -1 et -4 A cm-2 ) et le temps de déposition (variant entre 3 et 60 s). L'activité électrochimique et la stabilité des électrodes pour l'électro-réduction du CO2 ont été étudiées sur l'électrolyte KHCO3 1 M à la pression standard et à la température ambiante. L'efficacité faradique pour le formiate était supérieure à 90% pour les électrodes avec des surfaces électrochimiques supérieures à 500 cm2 et elle a été attribuée à une fraction accrue des [100] surfaces. Comparé à l'électrode de plaque Pb, le potentiel de début d'ERC sur l'électrode poreuse de dendrites de Pb était de 160 mV diminué. Le film de Pb poreux déposé à -4,0 A cm-2 et 40 secondes s'est avéré une électrode très active et stable, avec une densité de courant partielle (jformate) de -7,5 mA cm-2 et une efficacité faradique du formiate de 97% à une surtension de 800 mV après 6 heures d'électrolyse. Deuxièmement, les dendrites poreuses de Pb ont été encore modifiées par des dendrites de bismuth hautement sélectives et efficaces (Biden). Une étude détaillée de la structure atomique des dendrites Bi a été réalisée par microscopie électronique à transmission à haute résolution (HR-TEM). Il a été démontré que les dendrites Bi sont constituées de monocristaux à structure rhomboédrique et qu'elles poussent dans le sens [010]. La surface de dendrite terminée n'est pas entièrement lisse mais présente des irrégularités de surface sous la forme de gradin et de facette à indice élevé. Une décoration sélective des facettes à faible indice des dendrites Bi a été réalisée pour montrer que ces gradins de surface et ces facettes à indice élevé sont les sites de surface Bi les plus actifs. Dans une cellule en forme H, l'ERC à dendritique Bi se produit avec une efficacité faradique élevée pour le formiate (98%), et une grande densité de courant (18,8 mA cm2 ) et un taux de production (344 µmol cm-2 h -1 ) à faible surtension (600 mV). Le taux de production peut être encore amélioré à 1,63 mmol cm-2 h -1 lorsqu'il est testé dans des conditions où le flux de CO2 ne limite pas ses performances, qui est 3 fois plus grande que la référence. Troisièmement, une électrode de Sn1Pb3 bien alliée présentant une structure de type dendrite a été fabriquée. Les conditions de dépôt de l'électrode Sn1Pb3 ont été optimisées. Une électrolyse en cellule à écoulement continu a été appliquée sur l'électrode optimale Sn1Pb3, et un taux de production élevé de 295 µm cm-2 h -1 a été atteint avec un courant de 17,2 mA cm-2 à une faible surtension de 500 mV. L'efficacité faradique pour la formation de formiate est proche de 100% dans une large plage de potentiel de -0,72 V à -1,12 V par rapport à RHE. Comparé au Pb dendritique unique, le potentiel de début de l'ERC sur l'électrode dendritique de Sn1Pb3 était inférieur de 80 mV. Des calculs de théorie fonctionnelle de la densité ont été effectués pour découvrir l'origine de la diminution du potentiel de début lors de l'alliage de Pb avec Sn. Le traitement explicite des molécules d'eau dans les calculs DFT s'avère crucial pour parvenir à un accord avec les potentiels de début mesurés expérimentalement.

The symbols and special characters used in the original abstract could not be transcribed due
to technical problems. Please use the PDF version to read the abstract.The electrochemical reduction of CO2 (ERC) into fuels and chemicals is one way to remediate the high CO2 emission levels arising from human activity. Among the different value-added products that can be obtained from ERC, formate/formic acid has generated sharp interest due to its widespread use and strong market. Post-transition metals such as In, Hg, Pb, and Sn, have attracted the interest of researchers due to their low price and good selectivity for formate production. However, for these post-transition elements, achieving high selectivity is still a challenge. In addition, large onset potentials and high overpotentials are requested in situations when high current density (high production rate) is needed. Therefore, the development of highly active post-transition catalysts that work effectively at ambient pressure and temperature in aqueous electrolytes with low overpotential and large reduction current remains a daunting task. Dendrite-structured catalysts are potentially interesting materials for ERC to achieve high activity and selectivity, due to their large surface area, high density of exposed surface with preferential facet orientations, and the presence of sharp tips at the dendrites’ ends. First, honeycomb porous Pb films with a dendrite-like secondary structure growing along the [100]-axis were prepared by dynamic hydrogen bubble templating (DHBT) and used for CO2 electroreduction. Detailed physicochemical characterization of these porous films revealed that their thickness (up to 70 µm) and electrochemical active surface area (up to 1500 cm2 ) could be altered by current density (varied between -1 and -4 Acm-2 ) and deposition time (varied between 3 and 60 seconds). The electrochemical activity and stability of the electrodes in CO2 electroreduction were investigated in 1 M KHCO3 electrolyte at standard pressure and room temperature. The Faradic efficiency for formate was above 90% for electrodes with electrochemical surface areas greater than 500 cm2 , which was attributed to an increased fraction of the [100] surfaces. Compared to plate Pb electrode, the ERC onset potential on the porous Pb dendrites electrode was decreased by 160 mV. The porous Pb film deposited at -4.0 A cm-2 and 40 seconds proved to be a highly active and stable electrode, with a partial current density (jformate) of -7.5 mA cm-2 and a Faradaic efficiency of formate of 97% at an overpotential of 800 mV after 6 hours of electrolysis. Second, the porous Pb dendrite was further modified by highly selective and efficient bismuth dendrites (Biden). A detailed investigation of the atomic structure of Bi dendrites was achieved through high-resolution transmission electron microscopy (HR-TEM). It was shown that Bi dendrites are made of single crystals with a rhombohedral structure, which grow in the [010] direction. The terminated dendrite surface is not entirely smooth, but carries surface irregularities in the form of surface steps and high-index facets. Selective decoration of the low-index facets of Bi dendrites was achieved, showing that these surface steps and high-index facets are the most active Bi surface sites. In an H-cell, the ERC at dendritic Bi occurs with a high Faradaic efficiency for formate (98%), and high current density (18.8 mA cm-2 ) and production rate (344 µmol cm-2 h - 1 ) at low overpotential (600 mV). The production rate may be further improved to 1.63 mmol cm-2 h -1 (or 95 mA cm-2 at –0.82 V vs. RHE) when tested in conditions where the CO2 flux is not limiting performance (high-pressure flow-cell measurements), a three-fold increase over the reported benchmark. Third, an alloyed Sn1Pb3 electrode featuring a dendrite-like structure was fabricated. The deposition conditions for the Sn1Pb3 electrode were optimized. Continuous flow-cell electrolysis was applied on the optimal Sn1Pb3 electrode, and a high production rate of 295 µm cm-2 h -1 was achieved with a current of 17.2 mA cm-2 at a low overpotential of 500 mV. The Faradaic efficiency for formate formation was close to 100% in a large potential range from -0.72 V to -1.12 V vs. RHE. Compared to the single dendritic Pb, the ERC onset potential on the dendritic Sn1Pb3 electrode was 80 mV lower. Density functional theory computations were performed to uncover the origin of the decrease in onset potential upon alloying Pb with Sn. Explicit treatment of water molecules in DFT calculations was revealed to be crucial in achieving agreement with experimentally-measured onset potentials.


identifier: Fazazi, Salma  (2019). Amélioration de l’efficacité énergétique des futurs réseaux sans fil hétérogènes par partition de graphes.  Mémoire.  Québec, Maîtrise en télécommunications, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 73 p.

subject:
efficacité énergétique
partitionnement de graphe
recherche tabou
réseau hétérogène
energy efficiency
heterogenous network
graph partitioning algorithm
tabu search

abstract:
Comme le secteur des télécommunications mobiles se dirige vers la 5G, la quantité de données traversant les réseaux sera en augmentation perpétuelle. De ce fait, les opérateurs quels qu’ils soient, se retrouvent dans la nécessité de répondre à cette croissance en transformant le réseau d’accès radio (RAN), afin de garantir la disponibilité et la qualité de leurs services. Sauf que nous nous retrouvons dans une éventualité où la consommation d’énergie risque d’accroître vigoureusement. C’est bien dans ce sens que notre travail visera à proposer une méthode où les stations de base seront dans l’une des deux états (activé,désactivé), tout en garantissant la qualité de services des usagers, dans le but de reduire la consommation d’énergie totale du réseau. L’intérêt suscité par ce concept ne date pas d’hier bien que la littérature sur le sujet est pour le moins abondante. Sauf que ces travaux réalisés abordent le problème, qui est NP-difficile, d’un point de vue d’optimization mathématique. De plus, si peu ont été établis pour le modèle Hétérogène. En effet, les auteurs de [5] considèrent une charge dynamique de trafic cellulaire et formulent un algorithme de bin packing combiné avec un algorithme heuristique, simulated annealing (HSA), pour établir un schéma de virtualisation des BBU qui minimise la consommation d’énergie. Cependant, ils n’ont pas pris compte des stations de base traditionnelles qui augmentent le temps de calcul exponentiellement. Par conséquent, nous souhaitons simplifier encore plus notre solution et résoudre le problème en utilisant des algorithmes de partitionnement de graphes où les sorties seraient un ensemble de station de base actif/éteint.

 As the mobile telecommunications industry barrels toward the HetNets, the range of the amount of data traffic traversing networks is escalating; which increases both their power consumption and their carbon footprint. Thus, creating a challenge for researchers and industrials to find/propose ecofriendly solutions and green alternatives. In retrospect, multiple papers strived to propose energy saving solutions. As a matter of fact, what all these papers have in common is that they tackled this problem, which is NP-hard, from a mathematical optimization standpoint. Nevertheless, there had been little work establishing a framework for heterogeneous C-RAN power model. The authors in [3], consider a dynamic cell traffic load and formulates a bin packing algorithm combined with a heuristic simulated annealing algorithm (HSA) to establish a BBUs virtualization scheme that minimizes the power consumption. However, they did not take into consideration the traditional base stations which, in hindsight, made the computational time exponential to the number of the BSs. Howbeit, we would like to simplify even further our solution and tackle the issue using graph partitioning algorithms where the outputs would be a set of active and switched off base stations.


identifier: Hadj Youssef, Azza  (2020). Ingénierie de la symétrie cristalline et de l’ordre polaire dans le titanate de strontium sous contrainte.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 230 p.

subject:
croissance
surface vicinale
SrTiO3
MgO
réarrangements atomiques
gradients de contrainte
distorsions
Raman
TERS
growth
vicinal surface
SrTiO3
MgO
atomic rearrangements
strain gradients
distortions

abstract:
La transcription des symboles et des caractères spéciaux utilisés dans la version originale de
ce résumé n’a pas été possible en raison de limitations techniques. La version correcte de ce
résumé peut être lue dans le document original. Le contrôle de la qualité de croissance des couches minces est crucial pour l’exploration de la matière à l’échelle nanométrique. La croissance des couches minces sur des surfaces vicinales présente une approche de choix pour contrôler les sites de nucléation des atomes en plus d’assurer une organisation des nanostructures avec une distribution homogène et dense. Cette organisation périodique peut servir dans plusieurs domaines technologiques tels que l’ingénierie des contraintes et la fonctionnalisation des nanomatériaux. La croissance hétéroépitaxiale engendre des effets de relaxation inévitables qui se prononcent à partir d’une épaisseur critique de la couche. À partir de cette épaisseur, des dislocations causent une relaxation inélastique avec des déplacements des atomes/ions et des changements de coordination. Ces déplacements induisent des contraintes locales très importantes qui, elles aussi, relaxent par des gradients de contrainte envers la structure volumique. Ces gradients de contrainte ont attiré d’énormes intérêts, car ils n’évoquent pas seulement une réduction de la symétrie locale, mais possiblement des nouvelles propriétés telles qu’un ordre polaire dans des nanomatériaux autrement centrosymétriques. Le désaccord de maille entre une couche de SrTiO3 et le substrat de MgO (100) permet de contrôler l’épaisseur critique, la densité de dislocations et dans une certaine mesure les distances de relaxation, soit les gradients. Après avoir établi une procédure de préparation des surfaces vicinales de l’oxyde de magnésium MgO (100), des couches minces de titanate de strontium (SrTiO3) nanostructurées ont été déposées par la méthode de pulvérisation cathodique radio fréquence. Au cours de cette étude, une analyse de différentes organisations et instabilités morphologiques a été menée en fonction des conditions de préparation du substrat et des traitements de recuit thermique postdépôts. Les résultats obtenus ont démontré que la croissance des nanostructures de SrTiO3 adopte la morphologie contrôlée du MgO (100) et que c’est le recuit thermique qui donne beaucoup de perspectives supplémentaires en favorisant l’évolution du réarrangement atomique de la surface de SrTiO3 et induit la formation des paquets de marches « step bunching ». Cette première partie du projet de thèse nous a permis de développer une approche pour moduler à la fois la taille et la forme de surface à marches de SrTiO3 pour atteindre la morphologie désirée ce qui ouvre l’opportunité d’adopter l‘ingénierie de surface pour la conception des nanomatériaux oxydes de types pérovskites. Afin de comprendre l’effet de présence des gradients de contrainte dans les couches synthétisées, une étude optique basée sur l’analyse des modes de vibration par la spectroscopie Raman confocal et la spectroscopie Raman exaltée par effet de pointe (TERS) a été réalisée. Nous avons démontré par la spectroscopie Raman confocal la brisure de symétrie des nano-îlots de SrTiO3, et ceci par la détection des modes Raman du premier ordre qui sont associés à la présence de gradients de déformation inélastique localisés dans des nanoregions de SrTiO3. En raison de la résolution spatiale nanométrique du TERS et le fort confinement du champ électrique à l’apex de la pointe, une amplification importante de l’intensité des nouveaux modes de vibration infrarouge et aussi de surface a été distinguée. Les calculs basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) ont démontré que les nouveaux modes sont dus principalement à l’apparition des distorsions dans les octaèdres TiO6 qui sont générées par la présence de gradients de contrainte non homogènes. L’apparition du mode infrarouge due à la génération des gradients de champs a montré la sensibilité du TERS aux changements des règles de sélection Raman. Tandis que l’apparition des modes de surface a démontré la capacité du TERS d’être un outil d’investigation de la dynamique de surface et sa sensibilité de détection des déformations de monocouches supérieures de SrTiO3. L’étude de cartographie optique obtenue par TERS a permis aussi de démontrer expérimentalement l’influence de la topographie de SrTiO3 sur la variation de la position de la LSPR.

The symbols and special characters used in the original abstract could not be transcribed due
to technical problems. Please use the PDF version to read the abstract. The quality control of thin films growth is crucial for exploration of materials at nanoscale. The growth of thin films on vicinal surfaces is a most ideal approach to control the nucleation sites of atoms as well as to ensure a homogeneous and dense distribution of nanostructure organization. This periodic organization is of great significance which can be used in different technological fields, such as strain engineering, nanomaterials functionalization by tailoring the outmost epilayer, and to induce self-ordering to engineer long-range nanoscale patterns of chemical terminations. The heteroepitaxial growth generates inevitable relaxation effects which become especially pronounced when the film exhibits critical thickness. At such critical thickness, the formed dislocations generate inelastic relaxation which leads to atoms/ions displacements as well as changes in coordination. These displacements in turn induce local strains which is relaxed by strain gradients towards the structure volume. These strain gradients have attracted enormous interest as they evoke not only a reduction in local symmetry but also potentially new properties such as polar order. The mismatch between the SrTiO3 thin film and the MgO (100) substrate makes it possible to control the critical thickness, the density of dislocations and to certain extend, the relaxation distances, i.e. gradients as well. In this project, after establishing an optimized procedure to prepare the vicinal surface of magnesium oxide MgO (100) substrate, nanostructured strontium titanate (SrTiO3) thin films are grown on top using RF-magnetron sputtering. Various reorganizations and surface instabilities are analyzed as a function of the substrate surface preparation and the post-deposition annealing conditions. The obtained results demonstrate that the growth of SrTiO3 nanostructures adopts the controlled surface morphology of MgO (100). Besides, we also show that the post-deposition annealing process is the key to promote the evolution of atomic rearrangements on SrTiO3 surface which induce the formation of step bunching. In the first part of this thesis, we are able to develop a new approach that provides the possibility to tailor both the size and the form of the SrTiO3 stepped surfaces to achieve desired morphology, which offers the opportunity to adopt surface engineering for the design of perovskites nanomaterials. In order to understand the effect of strain gradient on the thin films synthesized, an optical study based on Raman vibrational modes analysis is realized using both confocal Raman and tipenhanced Raman spectroscopy (TERS). By confocal Raman, we demonstrate the breaking of symmetry in SrTiO3 nanoislands through the detection of first order Raman modes which originate from the presence of localized inelastic deformation in SrTiO3 nanoregions. With the high spatial resolution down to nanometers and the strong confinement of the electric field at the gold tip apex offered in TERS, Raman forbidden modes such as infrared and surface modes are detected. The appearance of infrared modes is induced by the changes in selection rules due to the presence of electric field gradient. DFT calculation results show that the new vibrational modes detected are mainly induced by the appearance of TiO6 octahedral distortions, which are generated by non-homogeneous strain gradients. The infrared modes detected demonstrate the high sensitivity of TERS to identify changes in Raman selection rules. Moreover, the enhancement of surfaces modes demonstrates the ability of TERS to detect SrTiO3 monolayers deformations and thus proves its promising potential in the analysis for surface dynamic. The optical analysis of TERS tip signal map also demonstrates experimentally the influence of sample topography on the LSPR position.


identifier: Lemarié, Quentin  (2020). Développement et caractérisation in situ d’électrodes positives pour batteries Lithium/Soufre.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique - Université de Lyon, INSA, 231 p.

subject:
batteries Li/S
émission acoustique
tomographie RX
dilatométrie
liant polyélectrolyte
Li/S batteries
acoustic emission
X-ray tomography
dilatometry
polyelectrolyte binder

abstract:
La technologie Li-ion, bien que dominant le marché actuel des batteries, souffre du prix élevé et de la toxicité de certains de ses matériaux et peine à atteindre les objectifs de performances notamment fixés pour leur utilisation dans les véhicules électriques et hybrides. Face à ces limitations, la technologie lithium/soufre (Li/S) se pose en candidat prometteur pour remplacer à moyen terme la technologie Li-ion. Basée sur un matériau actif abondant et peu cher, le soufre, elle permettrait d’atteindre des densités d’énergie pratiques deux à trois fois supérieures à celles des batteries Li-ion actuelles. Cependant, les réactions électrochimiques du système Li/S impliquent une dissolution/déposition de la matière active, engendrant d’importantes variations morphologiques et la perte de matière active à l’électrode positive qui ont un impact majeur sur la capacité et la tenue au cyclage des batteries Li/S. Ainsi, une bonne compréhension de ces mécanismes de dégradation est nécessaire afin de développer de nouveaux matériaux d’électrode innovants et permettant une optimisation des performances du système Li/S. À ce titre, l’objectif premier de cette thèse était d’appliquer des techniques de caractérisation in situ novatrices permettant de relier les propriétés mécaniques et les variations morphologiques des différents matériaux d’électrode utilisés à leur comportement électrochimique. Pour ce faire, trois techniques ont été employées : l’émission acoustique, la tomographie RX et la dilatométrie. Les conclusions tirées des observations effectuées à l’aide de ces outils de caractérisation ont permis d’axer la conception d’électrodes sur l’utilisation d’un liant innovant de type polyélectrolyte. Au cours de ces travaux, nous avons notamment pu démontrer une relation entre l’activité acoustique mesurée au cours des premiers cycles de charge/décharge de différentes formulations d’électrode à leurs propriétés mécaniques. Ensuite, le couplage de la tomographie et de la diffraction RX synchrotron in situ a permis de mettre en évidence de nouveaux phénomènes liés à la dissolution et la déposition du soufre lors du 1er cycle. Enfin, la combinaison de l’étude de la variation d’épaisseur des électrodes par dilatométrie, du suivi de l’activité acoustique et d’observations tomographiques a permis d’attester des propriétés mécaniques améliorées du liant polyélectrolyte. Additionnées à ses propriétés de régulation de la diffusion des espèces soufrées, ces conclusions renforcent l’intérêt certain de ce type de liants pour les électrodes positives des batteries Li/S.

Even though the Li-ion technology is dominating nowadays battery market, it is suffering from the high cost and toxicity of some of its materials as well as struggling to reach the performance goals set by always more demanding hybrid and electric vehicles. Facing the need for a new battery generation, the lithium/sulfur (Li/S) technology stands as a promising candidate for a medium term industrialization and commercialization. Based on an abundant and low-cost active material, elemental sulfur, it enables practical energy densities two to three times higher than current Li-ion batteries. However, the intermediate electrochemical reactions of this system imply many dissolutions/depositions of the active material, causing important morphological variations at the positive electrode which have a major impact on the capacity and cycling performance of the batteries. Hence a better comprehension of those degradation mechanisms is required in order to develop new and innovating electrode materials enabling an optimization of the performance of the system. Therefore, the first goal of the thesis was to employ innovative in situ characterization techniques in order to develop tools allowing to link the properties of the different electrode materials to the performance of the batteries. To do so, three techniques were used: acoustic emission, X-ray tomography and dilatometry. Then, the conclusions drawn from the observations made from the characterization tools enabled us to focus the conception of the electrodes on using a new binder based on a polyelectrolyte material. In this work, we were in particular able to demonstrate a relationship between the measured acoustic activity during the first charge/discharge cycles of different electrode formulations to their mechanical properties. Then, coupling in situ X-ray tomography and diffraction enabled us to shed light on new phenomena linked to the dissolution and deposition of sulfur during the 1st cycle. Finally, the combination of the study of thickness variation via dilatometry, of the monitoring of the acoustic activity and of tomographic observations was the key to prove the better mechanical properties of the polyelectrolyte binder. Together with its properties of regulation of the sulfur species, our conclusions strengthen the certain interest in the family of materials as a binder of positive electrodes for Li/S batteries.