identifier: Abaza, Ramzi  (2020). Modélisation de la température de l’eau en rivière : Régression par décomposition modale empirique et comparaison avec d’autres approches.  Mémoire.  Québec, Maîtrise en sciences de l'eau, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 74 p.

subject:
température de l’eau
température de l’air
décomposition en mode empirique
régression
LASSO
prédiction
water temperature
air temperature
empirical mode decomposition
regression
prediction

abstract:
La température de l'eau a une influence importante sur l'écosystème aquatique, notamment sur la qualité de l'eau ainsi que sur le métabolisme et la distribution des espèces aquatiques. Il est donc essentiel de développer des outils fiables pour prédire la température de l'eau. L'objectif, dans ce travail de recherche, est d'introduire la régression de décomposition modale empirique (EMD-R) pour la prévision de la température quotidienne de l'eau en utilisant la température de l'air comme prédicteur. L'EMD-R est ainsi comparée à deux modèles statistiques classiques : le modèle additif généralisé (GAM) et la régression sigmoïde. Cette comparaison est effectuée sur les données de deux rivières aux États-Unis et de deux rivières au Canada. Ces trois modèles sont évalués à l'aide de quatre critères de performance, à savoir l'erreur quadratique moyenne (RMSE), le coefficient de détermination (R²), la validation croisée généralisée (GCV) et le biais. Pour les quatre cas étudiés, le modèle EMD-R est généralement celui qui fournit les performances les plus élevées par rapport aux autres modèles considérés.

Water  temperature  has  a  significant  influence  on  the  aquatic  ecosystem,  including  impacts  on water  quality  as  well  as  on  the  metabolism  and  distribution  of  aquatic  species.  It  is  therefore essential to develop reliable tools to predict water temperature. The objective in this research is to introduce empirical mode decomposition regression (EMD-R) for the prediction of daily water temperature  using  air  temperature  as  a  predictor.  EMD-R  is  herein  compared  to  two  classical statistical models: Generalized Additive Model (GAM) and Sigmoid regression. This comparison is performed on data from two rivers in the United States and two riversin Canada during the ice-free period. These three models are evaluated using four performance criteria, namely the Root Mean  Square  Error  (RMSE),  the  coefficient  of  determination (R²), the Generalized Cross Validation (GCV) and the Bias. For the four studied cases, the EMD-R model is generally the one providing the highest performances compared to the other considered models.


identifier: Zaghmi, Ahlem  (2020). Development of therapeutic bioconjugates for neuroprotection in ischemic stroke.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 327 p.

type:
Thèse
Non évalué par les pairs

format: application/pdf application/pdf

subject: matériaux biomatériaux

abstract: This thesis is written based on the INRS Guide-2019, article-based version in order to fulfill the last requirement of the PhD program.  It consists of an abstract (English and French versions), synopsis (required when a thesis or dissertation is written in English), general introduction, general discussion and conclusion, bibliography, and appendix which will be further discussed in below. Synopsis: Includes the main points discussed in the document and explains the working hypotheses, research objectives, methodology, and results in much more detail than the abstract does. Chapter 1: Consists of a review of literature about the ischemia, glutamate excitotoxicity, and enzymatic glutamate degradation approaches. This chapter concludes with a contextualization. Of note, some sections of this chapter are published as part of a manuscript accepted for publication in Biomaterials (Appendix C).  Chapter 2: Presents concepts related to PEGylation, its benefits and its drawbacks. This chapter ends with a research proposal, the main hypothesis, and objectives. The figures used in Chapter 1 and 2 are either from the literature or made by me (with BioRender) in order to provide further explanation. Chapter 3: Published as Zaghmi, A.; Mendez-Villuendas, E.; Greschner, A. A.; Liu, J. Y.; de Haan, H. W.; Gauthier, M. A., Mechanisms of activity loss for a multi-PEGylated protein by experiment and simulation. Mater Today Chem 2019, 12, 121-131. I was responsible for data collection and analysis as well as the manuscript composition and revision. Andrea A Greschner contributed to manuscript edits and assisted with the PEGylation experiments. Jun Yang Liu was a summer student under my supervision who assisted with some measures of the enzyme activities. Eduardo Mendez-Villuendas performed the simulations with the help and supervision of Hendrick W de Haan. Marc A Gauthier was the supervisory author and was involved with concept formation, manuscript composition and revision. This Chapter starts with a brief contextualization and finishes with a preliminary study introducing the following paper. Chapter 4: Accepted as Zaghmi, A.; Dopico-López, A.; Pérez-Mato M.; Iglesias-Rey R.; Hervella P.; Greschner A. A.; Bugallo-Casal A.; Da Silva A.; Gutiérrez-Fernández M.; Castillo J.; Campos Pérez F.; Gauthier, M. A., Sustained blood glutamate scavenging enhances protection in ischemic stroke. Commun Biol 2020. I participated in the design and conception of the study, carried out most experiments (synthesis, characterisation, and purification of the bioconjugates; in vivo experiences including the functional tests). I also wrote and revised the manuscript. Antonio Dopico-López contributed with the production of the ischemic rat model. María Pérez-Mato contributed with the production of the ischemic rat model and commented on the manuscript at all stages. Ramón Iglesias-Rey and Pablo Hervella helped with technical assistance (mainly for MRI). Francisco Campos Pérez participated to the design and conception of the study, results discussion, and commented on the manuscript at all stages. Marc A. Gauthier was the supervisory author and was involved with concept formation and manuscript composition and revision. Chapter 5: General discussion, conclusion and perspectives. Summarizes the main elements of the articles and how they are related. This discussion also presents the contribution of this thesis to the field, as well as the limitations of this work. Both are framed with possible future directions that can be explored. Chapter 6: Appendix. Contains additional information to complement the body of the text and includes elements that are essential to the understanding of the thesis or to support its argumentation. It further presents scientific papers in which I am first author.  - Appendix A: Supplementary information of Paper 1. - Appendix B: Supplementary information of Paper 2.  - Appendix C: Review paper, accepted as Zaghmi, A.; Drouin-Ouellet J.; Brambilla, D.; and Gauthier, M. A., Treating Brain Diseases using Systemic Parenterally-administered Protein Therapeutics: Dysfunction of the Brain Barriers and Potential Strategies. Biomaterials 2020. - Appendix D: Data in Brief paper, published as Zaghmi, A.; Greschner, A. A.; Mendez Villuendas, E.; Liu, J. Y.; de Haan, H. W.; Gauthier, M. A., Determination of the degree of PEGylation of protein bioconjugates using data from proton nuclear magnetic resonance spectroscopy. Data Brief 2019, 25. - Appendix E: Book Chapter, published as Zaghmi, A.; Greschner, A. A.; Gauthier, M. A., In vivo properties of therapeutic bioconjugates composed of proteins and architecturally/functionally complex polymers. Polymer-Protein Conjugates: From PEGylation and Beyond 2020, 389-406. Chapter 7: Contains the bibliography used in this thesis. It should be noted that the references used for each scientific paper are included in this chapter (except for Appendix D and E).


identifier: Balistreri, Giacomo  (2020). Implementation of signal-processing functionalities in the terahertz frequency domain.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 216 p.

subject: énergie matériaux

abstract:
L’objectif principal de ce travail de thèse est la mise en œuvre de dispositifs intégrés dans des guides d’ondes qui sont capable d’accomplir des opérations de traitement du signal dans le domaine de la radiation Térahertz (THz). Le rayonnement Térahertz possède des fréquences qui se situent dans la région du spectre électromagnétique entre les régions des micro-ondes et de l’infrarouge lointain, c’est-à-dire entre 0.1 et 10 THz. Cette région est connue depuis longtemps sous le nom de « Térahertz gap », principalement en raison de l’absence de tout dispositif fiable fonctionnant dans cette gamme de fréquences spécifique. Toutefois, les efforts considérables déployés pour le développement de la technologie Térahertz au cours des dernières décennies ont permis de réduire considérablement, voire de combler presque entièrement, cette lacune technologique. Parmi les nombreuses applications intéressantes de la technologie Térahertz, on trouve les technologies de l’information et de la communication. En fait, au cours des dernières décennies, nous avons observé une forte augmentation de la demande de largeurs de bande et de taux de transfert de données plus élevées dans les systèmes de communication sans fil. Deux des principaux problématiques des systèmes de communication actuels sont l’absorption atmosphérique du signal infrarouge, ainsi que les turbulences atmosphériques, qui entraînent toutes deux un mauvais alignement du faisceau infrarouge sur l’émetteur-récepteur. Les liaisons de communication utilisant la technologie Térahertz présenteraient plusieurs avantages par rapport aux ondes millimétriques ou aux infrarouges. Plus précisément, par rapport aux ondes millimétriques, les liaisons de communication en Térahertz conduiraient à une plus grande largeur de bande utilisable, par rapport à la fréquence porteuse plus élevée. D’autre part, ils entraîneraient une moindre susceptibilité aux effets de scintillation, si on le compare aux liaisons infrarouges. Afin d’accommoder les capacités de transfert de données à haut débit, qui sont fortement requises pour la conception et la construction de nouveaux réseaux de communication, il est crucial de concevoir et de mettre en œuvre des fonctionnalités de traitement du signal intégrées dans une structure de guidage pour le rayonnement Térahertz, en raison des nombreux avantages potentiels d’une telle approche, par rapport aux schémas en espace libre, tels qu’une performance plus efficace du dispositif, ainsi qu’une plus grande compacité du dispositif expérimental. Après une brève introduction sur le rayonnement Térahertz, ses propriétés et l’état de l’art de la technologie Térahertz, nous passerons en revue les principaux guides d’ondes, à base de matériaux diélectriques ou métalliques, proposés et démontrés jusqu’à présent, ainsi que les approches adoptées jusqu’à présent dans le domaine Térahertz pour la conception et la réalisation d’opérations de traitement du signal. En outre, nous donnerons un bref aperçu des dispositifs pour le traitement du signal développé jusqu’à présent, en exploitant soit l’espace libre, soit les approches intégrées aux guides d’ondes. Par la suite, nous montrerons qu’il est possible d’induire des résonances dans la partie basse fréquence du spectre Térahertz, en exploitant la fabrication de tranchées sur un côté d’un guide d’ondes à plaques parallèles, qui provoque la génération de polaritons plasmonique de surface à l’interface entre un métal et un matériau diélectrique. Plus précisément, nous rendrons compte des résultats obtenus à partir des investigations numériques effectuées sur les tranchées ainsi construites sur l’un des fils d’un guide d’ondes bifilaire dans le but de récupérer un ensemble optimal de paramètres qui aboutissent à l’apparition d’une seule résonance dans l’ensemble du spectre Térahertz. De plus, nous discuterons du processus de fabrication des échantillons, ainsi que des résultats obtenus lors de leur caractérisation expérimentale, qui a été réalisée par une installation typique de spectroscopie dans le domaine temporel pour le rayonnement Térahertz. Enfin, nous expliquerons comment une configuration effilée d’un guide d’ondes bifilaire, qui présente une valeur de sous-longueur d’onde de l’espacement entre les fils, c’est à-dire l’entrefer entre les deux fils, entraîne une forte augmentation du champ Térahertz couplé à son entrée. Plus précisément, la tendance de l’amélioration du champ obtenue à la sortie du guide d’ondes ressemble beaucoup au comportement idéal d’un intégrateur temporel du premier ordre. En outre, nous démontrerons qu’une condition nécessaire qui doit-être remplie pour obtenir une telle amélioration, implique les valeurs des paramètres géométriques du guide d’ondes, c’est-à-dire le rayon et l’espacement des fils. Après une explication détaillée des aspects théoriques de ce phénomène, nous montrerons et discuterons d’abord les résultats obtenus par les études numériques de telle structure, puis les résultats expérimentaux obtenus par la caractérisation de la structure conçue avec un dispositif de spectroscopie dans le domaine du temps pour le rayonnement Térahertz.

Terahertz radiation owns frequencies falling in the region of the electromagnetic spectrum between the microwave and far-infrared regions, i.e. between 0.1 and 10 THz. This region has been known for a long time as the “Terahertz gap”, mostly because of the lack of any reliable device operating in this specific frequency range. However, the tremendous efforts made towards the development of Terahertz technology in the past decades, has resulted in a significant decrease, if not almost a closure, of this technological gap. Among the many interesting applications of Terahertz technology, we can find Information and Communication Technologies. As a matter of fact, in the past decades, we have observed a steep increase in the demand for higher bandwidths and data-transfer rates in wireless communications. Two of the most significant bottlenecks in current wireless communication systems are the atmospheric absorbance of the infrared signal, as well as the atmospheric turbulence, both ultimately leading to a misalignment of the infrared beam on the transceiver. Communication links employing Terahertz technology would exhibit several advantages over either the millimeter-wave or the infrared ones. More specifically, compared to the millimeter waves, Terahertz communication links would lead to a larger utilizable bandwidth, relative to the higher carrier frequency. On the other hand, they would result in a less susceptibility to scintillation effects, with respect to the infrared links. In order to accommodate the capacities for high data-rate transfers, which are strongly required for the design and building of new communication networks, it is crucial to design and implement signal-processing functionalities embedded in a Terahertz guiding structure, due to the many potential advantages of such an approach over free-space schemes, such as a more efficient performance of the designed component, as well as a larger compactness of the experimental set-up. Following a brief introduction on Terahertz radiation, its properties and the state-of-the art of the related technology, we will review the main waveguides, both dielectric- and metal based, proposed and demonstrated so far, as well as the approaches adopted so far in the Terahertz domain for the design and realization of signal-processing operations. Additionally, we will briefly review the signal-processing components developed so far, by exploiting either free-space or waveguide-embedded approaches. Subsequently, we will show that it is possible to induce resonances across the low-frequency portion of the Terahertz spectrum, by exploiting the fabrication of trenches on one side of a parallel-plate waveguide, which causes the generation of Spoof Surface Plasmon Polaritons at the interface between a metal and a dielectric material. More specifically, we will report on the results obtained from the numerical investigations performed on the so-fabricated trenches on one of the wires of a two-wire waveguide with the goal of retrieving an optimal set of parameters that results in the occurrence of a single resonance in the whole Terahertz spectrum. Additionally, we will discuss the fabrication process of the samples, as well as the results obtained from their experimental characterization, which was performed via a typical Terahertz Time-Domain Spectroscopy setup. Finally, we will report on how a tapered configuration of a two-wire waveguide, which exhibits a subwavelength value of the wire interspacing, i.e. the air gap between the two wires, results in a strong field enhancement of the Terahertz field coupled at its input. In more detail, the trend of the field enhancement obtained at the waveguide output closely resembles the ideal behavior of a first-order temporal integrator. We will also demonstrate that, a necessary condition that has to be satisfied in order to achieve such an enhancement, involves the values of the waveguide geometrical parameters (the wire radius and interspacing). After a detailed explanation of the theoretical aspects beneath this phenomenon, we will first show and discuss the results obtained from the numerical investigation of a similar structure, and then the experimental ones obtained from the characterization of the designed structure with a Terahertz Time-Domain Spectroscopy setup.

La radiazione Terahertz contiene quelle frequenze che ricadono nella porzione dello spettro elettromagnetico che si trova tra le microonde ed il lontano infrarosso, ovvero nell’intervallo di frequenze compreso tra 0.1 e 10 THz. Per lungo tempo, nel campo scientifico, ci si è riferiti alla radiazione Terahertz come “Terahertz gap”, a causa della mancanza di dispositivi efficienti funzionanti in questa regione. Da allora, l’intenso lavoro svolto da molti gruppi di ricerca ha portato ad un notevole sviluppo in questo campo, avendo come risultato l’implementazione di diverse sorgenti e rivelatori. Questo, a sua volta, ha portato ad un significativo restringimento, se non una quasi totale chiusura, di questo gap tecnologico. Tra le tante ed interessanti applicazioni di questa particolare radiazione, sono sicuramente da annoverare quelle volte allo sviluppo del campo delle telecomunicazioni. Infatti, negli ultimi decenni, abbiamo potuto notare un rapido aumento nelle richieste per comunicazioni a banda sempre maggiore e per velocità di trasferimento dati più elevate. Allo stato attuale, i sistemi di comunicazione wireless mostrano due grandi problematiche, ovvero l’assorbimento atmosferico del segnale e la sensibilità all’umidità dell’ambiente, che risultano in un disallineamento del fascio infrarosso sul ricevitore. Lo sviluppo di un nuovo sistema di comunicazione basato sulla tecnologia Terahertz mostra diversi vantaggi su quelli già esistenti. Ad esempio, uno dei vantaggi rispetto ai sistemi basati sulle onde millimetriche riguarda la larghezza di banda utilizzabile, legata alla frequenza portante più elevata. Dall’altro lato, rispetto alle comunicazioni basate sulla radiazione infrarossa, le onde Terahertz sarebbero meno suscettibili agli effetti di scintillazione. Uno degli obiettivi principali da raggiungere per aumentare le velocità di trasferimento dati in un sistema di comunicazione basato sulla tecnologia Terahertz è la progettazione, nonchè l’implementazione di dispositivi integrati in strutture guidanti, che siano capaci di effettuare delle operazioni di signal-processing su un impulso Terahertz arbitrario al suo ingresso. Nel contesto di questo progetto di ricerca, inizieremo la dissertazione fornendo una breve introduzione sulla radiazione Terahertz, sulle sue proprietà e sullo stato dell’arte della tecnologia in questo range spettrale. In seguito, introdurremo le principali guide d’onda, basate sia su materiali dielettrici e metallici, sviluppate finora in questo range spettrale, forniremo un’esaustiva panoramica sugli approcci adottati finora per la progettazione e la realizzazione di funzionalità di signal-processing nel campo Terahertz. In particolare, noteremo come uno degli approcci più efficaci sia l’integrazione di tali dispositivi in una struttura guidante, considerati i notevoli vantaggi che questa soluzione offre rispetto ad un approccio in free-space, come ad esempio una prestazione più efficace del dispositivo così implementato, e una maggiore compattezza. Vedremo inoltre come la tecnica principale impiegata finora per la realizzazione di filtri elimina-banda consista nella fabbricazione di solchi periodici sulla superficie di una guida metallica. Nel corpo di questa dissertazione mostreremo come, seguendo un simile approccio suna guida bifilare, sia possibile innescare delle risonanze nella parte inferiore dello spettro Terahertz, causate dall’eccitazione di plasmoni di superficie all’interfaccia tra un materiale metallico ed uno dielettrico. In particolare, mostreremo dapprima i risultati ottenuti dall’investigazione teorica di tale fenomeno, eseguita col fine di valutare l’effetto dei parametri geometrici dei solchi fabbricati sulla risposta spettrale del dispositivo. In seguito discuteremo il processo di fabbricazione di questi solchi, nonchè i risultati ottenuti dalla caratterizzazione sperimentale dei campioni fabbricati, eseguita impiegando un tipico sistema di spettroscopia Terahertz. Infine, dimostreremo che, confinando il campo Terahertz in una particolare configurazione della struttura bifilare, detta “a tromba”, inneschi un arricchimento del campo elettromagnetico alla sua uscita, il cui andamento somiglia notevolmente a quello ideale di un integratore temporale del primo ordine. Più in dettaglio, dimostreremo che, una condizione necessaria al fine di ottenere un arricchimento del campo con un simile andamento coinvolge i parametri geometrici della guida, ad esempo il raggio del filo e la distanza tra i due fili. Dapprima introdurremo i risultati ottenuti dall’investigazione teorica di una tale struttura, ed infine quelli ottenuti dalla sua caratterizazzione sperimentale.


identifier: Dörfler, Andreas  (2021). Ferroelectric Tunnel Junctions:Models for Memory and Neuromorphic Applications.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 169 p.

subject:
jonction tunnel ferroélectrique
mémoire résistive
couche mince de hafnia
changement de valence
modélisation numérique
synapse artificielle
ferroelectric tunnel junction
resistive memory
thin film hafnia
valency switching
numerical modeling
artificial synapse

abstract:
Les ferroélectriques sont des matériaux qui manifestent une polarisation spontanée et inversible. Les plus célèbres représentants de ces matériaux sont les cristaux ioniques ayant une structure de pérovskite telle que le titanate de baryum et le titanate de zirconate de plomb, qui sont utilisés dans des capteurs et actionneurs [1–3], dans des applications électro-optiques [4], et dans des applications spécialisées de technologie de mémoire [5, 6]. Un de ces dispositifs de mémoire émergents est de type ferroélectrique à jonction de tunnel. Ce dispositif utilise l’état ferroélectrique pour moduler des courants tunnel entre les deux électrodes, constituant un dispositif de mémoire résistive non volatil et compact. Malgré le fait que cela a été prédit de façon théorique par T. Esaki en 1971, d’un point de vue pratique, le fait qu’un film ferroélectrique doive avoir une épaisseur nanométrique a fait en sorte que ce n’est aux débuts des années 2000 que cela a été démontré expérimentalement. Un des plus grands défis reliés aux pérovskites ferroélectriques consiste leur intégration dans les dispositifs semiconducteurs, particulièrement dans des applications telles que des dispositifs de mémoire, des enjeux de compatibilité avec les procédés de fabrication des semiconducteurs et des restrictions reliées à leur extensibilité à de plus grandes échelles ont entravé l’application industrielle étendue des ferroélectriques. Un nouveau matériau était nécessaire pour atténuer ces obstacles. Une alternative prometteuse est devenue disponible avec la découverte d’une phase ferroélectrique dans le HfO₂ dopé de silicium en 2011 par T. Böscke [7]. Cela a été une surprise puisque le matériau avait fréquemment été utilité comme diélectrique dans l’industrie des semiconducteurs. Cependant, une multitude de conditions de traitement et de transformation devaient être satisfaites pour obtenir une phase ferroélectrique. Tandis que la plupart des ferroélectriques perdent leurs caractéristiques à l’échelle nanométrique, des dimensions nanométriques sont nécessaires pour le HfO₂ dopé pour la formation d’une phase ferroélectrique suffisante, ce qui fait de ce matériau un candidat idéal pour la construction de minces couches de cellules de mémoire, notamment le type ferroélectrique à jonction de tunnel. Cependant, malgré les progrès significatifs, la compréhension actuelle de cette structure métastable et polycristalline demeure incomplète. Ce travail se penche sur certaines des exigences de conception théoriques et pratiques de la jonction de tunnel ferroélectrique à base de Hf₀.₅Zr₀.₅O₂. Nous évaluons ce dispositif de mémoire à deux terminaux à la lumière de ce nouveau matériau dans le but de comprendre et d’optimiser ses fonctionnalités et ses défauts en fonction de l’application d’une mémoire ou d’une configuration de réseau neutre. En fonction de sa polarisation, le film ferroélectrique induit des charges image dans les électrodes ce qui module la hauteur effective de la barrière de potentiel. En utilisant des matériaux avec des propriétés d’écrantage différentes, la barrière de potentiel effective est abaissée ou élevée, selon la polarisation. Pour fixer le dispositif à un certain état résistif, une tension est appliqué au-dessus du seuil du champ coercitif. L’état est lu à l’aide des voltages sous-coercitifs. Malgré ses excellentes propriétés prédites par la théorie, notamment une longue rétention, un affichage non-destructif, une adaptabilité excellente à grande échelle, une compatibilité aux CMOS et des vitesses d’écriture élevées prédites par la théorie, il existe plusieurs défis tels que la dégradation des électrodes, l’induction de sites vacants et des variations dans la performance électrique. Le dernier point est partiellement inhérent aux films polycristallins dans lesquels la hauteur des structures approche la taille du grain. À cause de sa capacité à commuter graduellement, le dispositif peut aussi être utilisé comme synapse pour le calcul neuromorphique. Dans ce contexte, nous étudions et quantifions la réponse d’apprentissage de la jonction tunnel ferroélectrique (FTJ).

Ferroelectrics are materials that exhibit spontaneous, switchable polarization. Their most promi nent representatives are ionic crystals with perovskite structure such as barium titanate and lead zirconate titanate, which are used in sensors and actuators [1–3], electrooptical applications [4], as well as in specialized applications of memory technology [5, 6]. One of these emerging memory devices is the ferroelectric tunnel junction type. This device uses the ferroelectric state to modulate tunneling currents between two electrodes, constituting a compact, non-volatile resistive memory device. Despite being theoretically predicted by T. Esaki in 1971, the practical requirement of a ferroelectric film with a nanometer thickness meant that it was not experimentally demonstrated until the early 2000s. One of the biggest challenges of the ferroelectric perovskites is their integra tion into semiconductor devices. Especially in applications such as memory devices, compatibility issues with the semiconductor manufacturing process, as well as scalability limitations impeded ferroelectrics from widespread industrial application. A new material was required to alleviate these roadblocks. A promising alternative became available with T. Böscke’s discovery of a ferroelectric phase in Si-doped HfO₂ in 2011 [7]. This came as a surprise, since the material had frequently been used as a dielectric in the semiconductor industry. However, a number of processing conditions must be met in order to obtain the ferroelectric phase. While most ferroelectrics lose their characteristics at the nanoscale, scales in the nanometer region are required for doped HfO₂  to build up significant amounts of ferroelectric phase, which makes it a prime candidate to construct thin film memory cells, including the ferroelectric tunnel junction type. However, despite significant progress, the current understanding of this metastable, polycrystalline structure is still incomplete. This work investigates some of the theoretical and practical design requirements of the Hf₀.₅Zr₀.₅O₂ based ferroelectric tunnel junction. We evaluate this two-terminal memory device in light of the new material in order to understand and optimize its features and shortcomings with respect to applications in a memory or neural network configuration. Depending on its polarization, the ferro electric film induces mirror charges within the electrodes which modulate the effective height of the potential barrier. Using materials with different shielding properties, the effective potential barrier is lowered or raised, depending on the polarization. To set the device to a certain resistive state, a voltage above the coercive field threshold is applied. The state is then read using sub-coercive voltages. Despite its theoretically excellent properties, such as long retention, non-destructive readout, excellent scalability, CMOS compatibility and high write speeds, there exist a number of challenges in the form of electrode degradation, induced vacancies, and variations in electrical performance. The last point is partially inherent to polycrystalline films where structure heights approach the grain size. Due to its ability to switch gradually, the device can also be used as a synapse for neuromorphic computing. In this context, we investigate and quantify the learning response of the FTJ.


identifier: Ehteshami, Alborz  (2021). Generation, characterization and applications of ultrashort laser pulses.  Mémoire.  Québec, Maîtrise en sciences de l’énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 148 p.

subject: impulsions ultra-brèves caractérisation

subject: FROSt

subject: la microscopie de second harmonique

subject: amélioration de la SHG

subject: de fibres à cœur creux (HCF)

subject: compression d'impulsions et élargissement spectral basés sur la réponse moléculaire Raman

subject: ultrashort pulse characterization

subject: frequency resolved optical switching (FROSt)

subject: second harmonic generation microscopy

subject: transition metal dichalcogenide (TMD)

subject: second harmonic generation enhancement (SHG enhancement)

subject: hollow core fiber (HCF)

subject: spectral broadening induced by molecular gases

subject: spectral broadening through nitrous oxide (N₂O)

abstract:
Au cours de ma maîtrise à l'INRS, j'ai travaillé sur trois sujets : (1) le transfert de la technique FROSt (Frequency Resolved Optical Switching) pour caractériser des impulsions en microscopie, (2) l’utilisation d’impulsions laser ultra-brèves pour la caractérisation de matériaux en utilisant la microscopie optique de second harmonique et (3) le développement d’une nouvelle technique pour la compression d’impulsions laser. La technique FROSt est basée sur une configuration pompe-sonde où la pompe crée une porte transitoire et la sonde est constituée des impulsions à caractériser. La porte transitoire est établie en utilisant une pompe pour induire un changement dans la transmissivité d'un matériau par photoexcitation des électrons de la bande de valence à la bande de conduction. Ainsi, la principale exigence pour utiliser le FROSt est d'avoir une intensité de pompe suffisante pour photoexciter le matériau. Au cours de ma maîtrise, j'ai travaillé à la mise en œuvre de cette technique pour la caractérisation temporelle d'un oscillateur laser Titane-Saphir ultrarapide utilisé dans notre laboratoire de microscopie non-linéaire. L'objectif était de pouvoir mesurer le profil temporel des impulsions lasers au foyer d'un objectif de microscope à grande ouverture numérique. Même si nous n'avons pas encore atteint cet objectif, nous savons ce qu'il faut faire à l'avenir pour implémenter le FROSt pour cette application. Travailler sur la mise en œuvre du FROSt pour le laboratoire de microscopie m'a encouragé à me familiariser avec le monde de la microscopie non-linéaire. La génération de second harmonique (SHG) est un effet non linéaire de second ordre, qui ne se produit que lorsque la symétrie d'inversion du milieu est rompue. L’implémentation de ce concept dans un système de microscopie permet de créer une technique de mesure puissante capable d'analyser les propriétés de symétrie. Les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) appartiennent à une grande partie de la famille des matériaux bidimensionnels (2DM) dans laquelle la symétrie d'inversion du milieu est régie par le nombre de couches. L'altération des effets de charge des excitons dans cette famille conduit à l'accordabilité de l'émission de SHG de ce milieu. Ce concept a été démontré en utilisant le dopage électrostatique et pendant ma maîtrise, j'ai travaillé sur la possibilité d’obtenir le même résultat en manipulant l'architecture moléculaire (empilage d'une couche moléculaire continue 2D en un bloc de construction bidimensionnel pour manipuler les propriétés). Nous avons démontré ce concept à petite échelle. Un nombre important d'applications comme la génération d'harmoniques d’ordre élevé (HHG) nécessite des impulsions d’énergie élevée pour atteindre des puissances crêtes très élevées. Principalement, la puissance crête de l'impulsion est inversement proportionnelle à la durée de l'impulsion et donc la post-compression temporelle non-linéaire joue un rôle important. Le produit de la durée de l'impulsion par la largeur spectrale est connu sous le nom de produit temps-fréquence et régit les limites des durées d’impulsions. Dans la compression non-linéaire d’impulsions, pour étendre la compression temporelle des impulsions, le spectre est d’abord élargi. Un excellent exemple de réussite de cette méthode est connu sous le nom d'élargissement spectral induit par l'automodulation de phase dans les gaz nobles. L'efficacité de l'élargissement obtenu avec cette technique est inversement proportionnelle à la durée de l'impulsion d'entrée. Au cours de ma maîtrise, j'ai travaillé sur l'élargissement spectral induit par la réponse moléculaire dans les gaz moléculaires (N₂O). Nos données indiquent une efficacité d'élargissement prometteuse qui est maintenue même dans les échelles de 1000 fs.

 During my M.Sc. at INRS, I worked on three topics: (1) To transfer the concept of Frequency Resolved Optical Switching (FROSt) to pulse characterization in microscopy. (2) To use ultrashort laser pulses for material characterization using second harmonic generation optical microscopy. (3) To develop a novel technique for the compression of laser pulses. FROSt is based on a pump-probe setup where the pump creates a transient gate and the probe are the pulses to characterize. The transient gate is established by using a pump to induce a change in the transmissivity of a material by photoexciting electrons from the valence band to the conduction band. Thus, the important requirement of using FROSt is to have sufficient pump intensity to photoexcite the material. During my M.Sc. thesis, I have worked to implement this technique for the temporal characterization of an ultrafast Ti Sapphire laser oscillator used in our non-linear microscopy lab. The goal was to have the capability to measure the temporal profile of laser pulses in the focus of a high numerical aperture microscope objective. Even though we have not reach success yet with this goal, we know what to do in the future to implement FROSt for this application. Working on the implementation of FROSt for the microscopy lab encouraged me to become familiar with the nonlinear microscopy world. Second harmonic generation (SHG) is a second order nonlinear effect, which only occurs when the inversion symmetry of the medium is broken. Implementing this concept inside a microscopic system creates a powerful measurement technique capable of analyzing symmetry properties. transition metal dichalcogenide (TMD) belongs to a big part of two-dimensional materials (2DMs) family in which the inversion symmetry of the medium is governed by the number of layers. Alternation of the exciton charging effects in this family leads to tunability in the SHG emission from this medium. This concept has been demonstrated using electrostatical doping and during my M.Sc. thesis, I worked on the evaluation of attaining the same outcome by manipulating the molecular architecture (stacking a 2D continuous molecular layer into a two-dimensional building block to manipulate the properties). We have demonstrated this concept in a small magnitude. This work was achieved in collaboration with the group of Prof. Emanuele Orgiu and under his scientific leadership. A significant number of applications like high harmonics generation (HHG) demands high pulse energy to reach high peak power. Principally, the peak intensity of the pulse is inversely proportional to the pulse temporal duration and thus nonlinear post temporal compression plays an important role. The product of pulse temporal duration and spectral width is known as the time-bandwidth product which governs the limits and boundaries of pulse temporal duration. In non-linear pulse compression, to extend the pulse temporal compression, the spectral width is first broadened. An excellent successful example of this method is known as the spectral broadening induced by self-phase modulation in noble gases. The broadening efficiency of this technique is inversely proportional to the duration of the input pulse. During my M.Sc. thesis I have worked on spectral broadening induced by Raman response through molecular gases (N₂O). Our data signify a promising broadening efficiency which is maintained even at the 1000 fs regime.


identifier: Valdez Aguilar, Jesus Angel  (2021). Electron microscopy techniques for the characterization of sub-particle morphologies of hollow metallic nanoparticles and their effect on cargo release applications.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 181 p.

subject: nanoparticules cargo in-situ creux MET sous-particule livraison température nanoparticles hollow TEM sub-particle delivery temperature

abstract:
Les détails structurels des nanoparticules au niveau des sous-particules sont essentiels pour comprendre leurs fonctionnalités et les mécanismes impliqués dans leur formation. En particulier, les géométries de ces caractéristiques déterminent la réponse optique globale de la particule. Les nanoparticules métalliques creuses de géométries cubiques, avec des morphologies variables sur leurs parois et leurs vides, offrent une plate-forme pour étudier les effets de ces caractéristiques structurelles sur les propriétés de nanoparticules uniques et de leur ensemble. Dans cette thèse, je rapporte le contrôle des trous et des vides des sous-particules en modifiant la dynamique de la réaction de remplacement galvanique (GRR). Avec l’usage de la microscopie électronique à balayage et à transmission (MEB et MET), des analyses statistiques et des simulations électromagnétiques, j'ai observé que la rupture de symétrie dans les particules individuelles, causée par les morphologies des sous-particules telles que les trous, les vides, les coins ouverts et les pores ont un effet drastique sur les positions des pics de résonance plasmonique dans leurs spectres ultraviolets-visible-proche infrarouge (UV Vis-NIR). Ces observations sont essentielles pour comprendre la formation des structures pendant le GRR, utilisées pour concevoir les nanoparticules creuses pour diverses applications. Dans mon travail de thèse, j'emploie les MNP creux comme agents de livraison. J'ai abordé l'effet des morphologies de sous-particules sur la livraison du cargo. Par imagerie en champ clair par MET, j'ai calculé la proportion de livraison du cargo sous la surface (ARR) des nanoparticules creuses. J'ai observé que l'incrémentation des coins ouverts augmente l'ARR dans les petits et grands modèles. J'ai également observé que l'accumulation de polyvinylpyrrolidone (PVP) au-dessus des régions de sous-particules altère la livraison du cargo. Dans les analyses MET, pour les petites morphologies représentées par des pores, ce phénomène provoque un blocage de la morphologie des sous-particules en raison du comportement PVP dans les expériences en phase solide. Cependant, lorsque des particules avec de petites morphologies de sous-particules sont stimulées thermiquement dans la phase liquide, la livraison du cargo est obtenue. De plus, lorsque la taille des morphologies de sous-particules augmente dans les expériences en phase solide, comme les trous et les coins ouverts, l'effet de blocage PVP est minimisé, augmentant la livraison du cargo. En outre, j'ai observé que l'utilisation de différents substrats altère la livraison du cargo des nanoparticules creuses. Alors qu'un substrat isolant améliore la livraison du cargo, un excellent matériau thermiquement conducteur le diminue. Cet effet est dû au fait que le substrat isolant augmente excessivement la température locale autour des nanoparticules creuses et du substrat de support adjacent en comparaison au reste des régions. Nos résultats décrivent la conception de nanoparticules via des morphologies de sous particules pour plusieurs applications. Par ailleurs, notre méthodologie propose une nouvelle méthode de caractérisation par microscopie électronique pour étudier in-situ les mécanismes de livraison du cargo des nanostructures. À ma connaissance, la caractérisation in-situ de nanoparticules uniques pour les études structurelles, optiques et de livraison du cargo n'a pas été abordée auparavant.

 The structural details of nanoparticles at the sub-particle level are critical for understanding their functionalities and the basic mechanisms involved in their formation. In particular, the geometries of such features determine the particle's overall optical response. Hollow metallic nanoparticles (hollow-MNPs) with cubic geometries, and varying morphologies on their walls and voids, offer a platform to study the effects of such structural features on the properties of single nanoparticles and their ensemble. In this thesis, I report the control over sub-particle pinholes and voids by modifying the galvanic replacement reaction (GRR) dynamics. Using scanning and transmission electron microscopy (SEM and TEM), statistical analyses, and electromagnetic simulations, I observe that symmetry breakage in individual particles, caused by the sub-particle morphologies such as pinholes, voids, open corners, and pores, has a drastic effect on the plasmon-resonance peak positions in their ultraviolet-visible-near infrared (UV-Vis NIR) spectra. These observations are essential to understand the formation of the step like structures during the GRR, used to engineer the hollow-MNPs for diverse applications. In my thesis work, I employ hollow-MNPs as cargo release agents. I address the effect of sub-particle morphologies on the cargo release. From bright-field images, I calculate the area release ratio (ARR) of the hollow-MNPs. I observe that the increment of open corners increases the ARR in both small and large templates. I also observe that the accumulation of polyvinylpyrrolidone (PVP) over the sub-particle regions alters the release of the cargo. In TEM analysis of small pores, this phenomenon blocks the pore in the solid phase experiments. However, when particles with small sub-particle morphologies are thermally stimulated in the liquid phase, the cargo release is achieved. In addition, when the sub-particle morphologies' sizes increase in the solid phase experiments, like pinholes and open corners, the PVP blocking effect is minimized, increasing the cargo release. Also, I observe that the use of different substrates alters the cargo release of hollow-MNPs. An insulator substrate enhances the cargo release, while an excellent thermally conductive material decreases it. This effect is because the insulator substrate excessively increases the local temperature around the hollow-MNPs and the adjacent-supporting substrate compared to the rest of the regions.  Our results outline nanoparticle design via sub-particle morphologies for several applications. Besides, our methodology proposes a new characterization method via electron microscopy for studying in-situ the cargo release mechanisms of nanostructures. To the extent of my knowledge, single nanoparticles' in-situ characterization for structural, optical, and cargo delivery studies has not been addressed before.


identifier: Wang, Haixia  (2020). Study of ethanol oxidation reaction on rh- and sno2- based pt catalysts in acidic medium.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 186 p.

subject:
piles à combustible à éthanol direct
ablation laser
catalyseurs à plusieurs composants
empoisonnement au monoxyde de carbone
électrooxydation à l'éthanol
direct ethanol fuel cell
laser ablation
multicomponent catalysts
carbon monoxide poisoning
ethanol electrooxidation

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.Avec la détérioration du climat mondial et la pénurie croissante de ressources pétrolières, l'exploration de sources d'énergie propres, renouvelables et durables est devenue la priorité absolue. On s'attend à ce que les piles à combustible à éthanol direct (DEFC) deviennent un combustible alternatif pour leurs applications potentielles en tant que sources d'énergie portables, car l'éthanol possède une haute densité d'énergie, une faible toxicité et peut-être produit à partir de la biomasse, ce qui en fait un combustible vert. Néanmoins, la commercialisation des DEFC est entravée par la faible sélectivité de la génération de CO2 et la lente cinétique à l'anode. Il est très important de développer un catalyseur anodique avec une activité, une stabilité et une efficacité d'oxydation élevées. Cette thèse débute par l'étude de l'effet de l'épaisseur de la couche de Rh (liée au nombre d'impulsions laser Nlp) sur la morphologie, la taille des particules et l'électrooxydation du CO. Afin d'améliorer l'efficacité de l'électrooxydation de l'éthanol, du SnO2 est ajouté comme support. Une série d'électrocatalyseurs Pt/SnO2, Rhx/Pt et Rhx/Pt/SnO2 sur du papier carbone déposé couche par couche fabriquée en PLD sont étudiés pour l'électrooxydation du CO ainsi que de l'éthanol. Les résultats révèlent le rôle du promoteur du dioxyde d'étain et du rhodium dans l'amélioration de l'activité électrocatalytique envers la réaction d'oxydation de l'éthanol (ROE). Il concerne en particulier l'effet de la quantité de Rh (Nlp, Rh). On constate que le catalyseur ternaire Rh5/Pt/SnO2 (Nlp, Rh=5000) présente les meilleures performances, tandis que le catalyseur Rh50/Pt/SnO2 est le plus mauvais. En outre, un accent particulier est mis sur l'influence du substrat pour améliorer la surface électrochimique et l'activité catalytique. Les résultats montrent que les nanotubes de carbone supportés par les catalyseurs CNT sont supérieurs aux catalyseurs supportés par le papier carbone (PC). En outre, la disposition et la composition de Pt et Rh sont soigneusement prises en compte. Le rapport atomique optimal du Pt et du Rh est établi lors de la caractérisation électrochimique. Nos résultats suggèrent que les électocatalyseurs PtxRh100-x supportés par le PC co-déposés par CBPLD, en particulier Pt3Rh, surpassent le catalyseur déposé couche par couche Pt/Rh, voire Rh5/Pt/SnO2/CNT. Ces études fournissent des informations fondamentales sur l'électrooxydation de l'éthanol et sont propices à la conception de nouveaux électrocatalyseurs anodiques avec une activité et une sélectivité améliorée vis-à-vis de la ROE, ce qui est important pour d'ultérieures études sur les DEFC

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.
. With the deterioration of global climate and the growing shortage of oil resources, exploring clean, renewable and sustainable energy sources has become the top priority. Direct ethanol fuel cells (DEFCs) have been expected to become an alternate fuel for their potential applications as portable power sources, because ethanol is in high energy density and low toxicity. Besides, ethanol can be produced from biomass, making it a green fuel. Nonetheless, the commercialization of DEFCs is hindered by the low selectivity of CO2 generation and sluggish kinetics at the anode. It is of great significance to develop an anodic catalyst with high activity, stability and oxidation efficiency. This thesis is started by investiging the effect of the Rh thickness layer (related to number of laser pulses Nlp) on the morphology, particle size and CO electrooxidation. In order to improve the efficiency of ethanol electrooxidation, SnO2 is added as carrier. A series of PLD-made layer by-layer structured carbon paper (CP) supported electrocatalysts Pt/SnO2, Rhx/Pt and Rhx/Pt/SnO2 are studied for ethanol electrooxidation. The results reveal the role of tin oxide and rhodium promoter in enhancing electrocatalystic activity towards ethanol oxidation reaction (EOR). It particulary concerns the effect of the Rh amount (Nlp, Rh) on EOR. It is found the ternary catalyst Rh5/Pt/SnO2 (Nlp, Rh = 5000) has the best performance, while the catalyst Rh50/Pt/SnO2 is the worst. In addition, a special focus is on the the influence of substrate on improving the electrochemical surface area and catalystic activity. The results manifest the carbon nanotubes CNT supported catalysts are superior to the corresponding CP supported catalysts. Furthermore, the arrangement and composition of Pt and Rh are carefully taken into account. The optimal atomic ratio of Pt and Rh is established during the electrochemical characterization. Our findings suggest the CBPLD-syntheised co-deposited CP supported electocatalysts PtxRh100-x alloy, especially Pt3Rh, outperform the layer-by-layer depositied catalyst Pt/Rh, even Rh5/Pt/SnO2/CNT. These investigations provide fundamental insight on ethanol electrooxidation and conducive to designing novel anodic electrocatalysts with enhancing activity and selectivity toward EOR, which is important for further DEFCs study.


identifier: Zhang, Hui  (2021). Design and synthesis of colloidal quantum dots and their optoelectronic properties.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 181 p.

subject: quantum dots

subject: thiourea

subject: manganese doped

subject: photoluminescence mechanism

subject: lead sulfide

subject: temperature-dependent optical properties

subject: engineered optoelectronic properties

subject: Heterostructured core/shell quantum dots

subject: band alignment tunable

subject: theoretical calculation

subject: quantum dots sensitized solar cells

subject: photoelectrochemical cells

abstract: Colloidal quantum dots (QDs) are semiconductor nanocrystals (several to tens nm), whose size is smaller than the exciton Bohr radius of the bulk material. QDs exhibit discrete energy levels resulting from quantum confinement effect in all three spatial dimensions, rendering them unique size/composition/shape-dependent optoelectronic properties. Compared to bulk materials, QDs have unique properties such as tunable band gaps, broad absorption spectra, multiple exciton generation and high extinction coefficients. The controlled synthesis of colloidal semiconductor QDs has defined a new way to use them as potential building blocks in multiple emerging technologies such as biomedical labels, thermal sensors, light-emitting diodes, QDs sensitized solar cells (QDSCs), solar-driven photoelectrochemical (PEC) cells for hydrogen (H₂) generation and photodetectors. In this thesis, colloidal bare, doped and core/shell QDs are designed and synthesized with tunable size and narrow size distribution. Subsequently, their structural and optoelectronic properties are investigated systematically. A facile approach was designed for the synthesis of colloidal PbS QDs using thiourea and lead acetate as precursors for sulfur and lead, respectively. The sizes of the PbS QDs could be systematically controlled by simply adjusting the reaction parameters. Then, a Cd post-treatment on the bare PbS QDs via a cation exchange method was performed for increasing the stability of QDs, which is favorable for the fabrication of device under ambient environment. As a proof of concept, as-synthesized PbS QDs were employed as light harvesters for both (i) solar-driven PEC cells for H₂ generation and (ii) QDSCs. A saturated photocurrent density of ~2 mA/cm² under one sun illumination (AM 1.5G, 100 mW/cm²) is observed for PEC device based on PbS QDs synthesized using thiourea, which is comparable with that of PEC device based on PbS QDs synthesized using air-sensitive and unstable bis(trimethylsilyl) sulfide [(TMS)₂S]. For QDSCs, the devices fabricated with QDs synthesized from thiourea reveal a better power conversion efficiency (2.00%) compared to devices fabricated with QDs synthesized from traditional (TMS)₂S (1.40%) under one sun illumination (AM 1.5G, 100 mW/cm²). This work demonstrates that the developed synthetic method is a promising alternative to existing methodologies of PbS QDs and holds great potential for future solar technologies. Instead of adjusting the size of bare QDs to tune their optoelectronic of properties, doping of transition metal ions (such as Mn, Co, Cu, Ag, etc.) in semiconductor QDs is another promising approach for introducing unique properties. Although manganese (Mn) ions doped wide band gap (larger than the energy for Mn ⁴T₁₋⁶A₁ transition of 2.12 eV, such as ZnSe) QDs have been widely studied, the optical properties and emission mechanisms of Mn-doped narrow band gap (smaller than 2.12 eV, such as PbS) QDs are not well understood. The oil-soluble Mn-doped PbS QDs of identical size were designed and synthesized with different Mn contents. Compared with pure PbS QDs, the photoluminescence (PL) peak positions of Mn-doped PbS QDs are observed significantly red shifts, resulting in an enlarged Stokes shift. The large Stokes shift of Mn-doped QDs is attributed to a new emission mechanism (named as “Mn-PbS” emission), in which the photogenerated electron is transferred to the electronic states of Mn ions (⁴T₁) and then recombined with holes in the valence band (VB) of QDs host. The Mn-doped PbS QDs is also found to exhibit a faster temperature-dependent PL response compared to pure PbS QDs, demonstrating that the Mn-doped PbS QDs are promising alternatives for use in thermal sensing. Colloidal bare QDs suffer from high density of surface traps that acts as recombination center, resulting in undesirable charge recombination and limiting the efficiency and long-term stability for their application in optoelectronic device. The core/shell architecture is regarded as a promising approach to resolve these issues. The optoelectronic properties and band alignment in colloidal heterostructured CdS/CdSe core/shell QDs are engineered by tuning the shell thickness. The changes in structural and optical properties were investigated as a function of CdSe shell thickness (0.6-1.9 nm) overgrowth on a CdS core QD with a size of 3.0 nm in diameter. Results demonstrate that the optimization of the shell thickness can significantly broaden the light absorption range towards longer wavelengths and enhance the rate of photoelectron separation and transport in QDs/TiO₂ photoanode. Complementing by theoretical modeling, it is found that the band alignment in this heterostructured system could be engineered from a quasi type-II (electrons are localized over the whole QDs region but holes are delocalized mostly in the shell) to an inverted type-I (both electrons and holes are mostly delocalized in the shell) localization regime by changing the shell thickness. Optimizing the optoelectronic properties and band alignment in this colloidal core/shell QD system with a shell thickness of 1.6 nm together with carbon nanotubes (CNTs)-TiO₂ hybrid photoanode has enabled the demonstration of a PEC cell with a high photocurrent density of up to ~16.0 mA/cm² (at 0.9 V vs. reversible hydrogen electrode, RHE), which represents the highest value ever reported for PEC cells based on CdS/CdSe QDs. The PEC cells also reveal excellent long-term stability, remaining 83% of its initial value after 4 h under one continuous sun illumination (AM 1.5G, 100 mW/cm²). These results indicate that the design and optimization of the optoelectronics and band alignment of heterostructured core/shell QDs is a facile and efficient approach to fabricate highly efficient and stable QD-based PEC cells for H₂ generation and other optoelectronic devices.


identifier: Lebordais, Marc  (2020). Impacts moléculaires des nanoplastiques combinés à l’arsenic, effets comparés entre des huîtres caribéennes (Isognomon alatus) et canadiennes (Crassostrea virginica) exposées par voie trophique.  Mémoire.  Québec, Maîtrise en sciences de l'eau, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 128 p.

subject:
nanoplastiques
arsenic
expression de gènes
bioaccumulation
adsorption
voie trophique
huîtres
microalgues
nanoplastics
gene expression
trophic pathway
oysters
micro alga

abstract:
Compte tenu de la contamination majeure de notre environnement en plastiques, la présence des nanoplastiques (NP) inquiète. Les NP étant capables de traverser les barrières biologiques ils représentent un risque pour les organismes aquatiques. Toutefois leur toxicité est peu connue, notamment en présence d’autres contaminants. En effet, les NP peuvent adsorber des métaux et augmenter leur biodisponibilité pour des organismes filtreurs comme les bivalves. J’ai donc exposé des huîtres caribéennes (Isognomon alatus) et canadiennes (Crassostrea virginica) par voie trophique à des concentrations environnementales de NP (10 et 100 µg L⁻¹). Trois types de NP ont été utilisés pour comparer leur toxicité, seuls ou combinés à l’arsenic présent dans l’eau (1 mg L⁻¹). Les interactions des NP sur la bioaccumulation de l’arsenic ont été évaluées, ainsi que l’expression des gènes dans les branchies et masses viscérales des deux espèces. Nos résultats montrent que les traitements de NP combinés à l’arsenic ont déclenché des effets protecteurs sur le niveau d’expression des gènes chez I. alatus et des effets synergiques chez C. virginica. Cette étude environnementalement pertinente met en avant l’écotoxicité des NP en comparant leurs impacts sur une espèce d’huîtres sauvages et d’élevages.

 Considering plastics are major contaminations in our environment, the presence of nanoplastics (NPs) raises concern. NPs pose a risk to aquatic organisms as they could cross biological barriers. However little is known about NPs toxicity, particularly in the presence of other contaminants. Indeed, NPs can adsorb metallic contaminants and increase their bioavailability to filter-feeding organisms, such as bivalves. I therefore exposed Caribbean oysters (Isognomon alatus) and Canadian oysters (Crassostrea virginica) by trophic way to NPs at environmental concentrations (10 and 100 µg L⁻¹). Three types of NPs were used to compare their toxicity, alone or in combination with arsenic in the water (1 mg L⁻¹). Interactions of NPs on arsenic bioaccumulation were studied, along with the expression of genes in gills and visceral mass of both species. Our results show that NP treatments combined with arsenic triggered protective effects on gene expression levels in I. alatus and synergetic effects in C. virginica. This is an environmentally relevant study that showcases ecotoxicity of NPs by comparing their impacts on wild and cultured oyster species.


identifier: Nasr, Maher  (2021). Élaboration d’un flux de travail pour suivre l'instabilité d'une falaise par écoute microsismique.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de la terre, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 262 p.

subject: sismique passive

subject: tracé de rai

subject: maillage tétrahédrique

subject: rectilinéarité

subject: filtre de polarisation

subject: inversion des hypocentres

subject: détection et pointé des évènments sismiques

subject: passive seismic

subject: ray tracing

subject: tetrahedral mesh

subject: rectilinearity

subject: polarization filter

subject: hypocenter inversion

subject: seismic event detection and picking

abstract:
Le changement climatique est un fléau qui touche les quatre sphères de la Terre : l’atmosphère, l’hydrosphère, la biosphère et même la géosphère. Cette dernière se trouve particulièrement menacée par des phénomènes météorologiques extrêmes qui redessinent les paysages partout dans le monde. L’érosion côtière, les mouvements de terrain et la dégradation de la qualité du sol ne sont que quelques exemples à citer. Dans ce sens, nous assistons ces dernières décennies à une hausse de nombre des zones à risque et l’élargissement de leurs périmètres. Une surveillance permanente et étroite de ces sites est nécessaire pour comprendre leurs évolutions et élaborer des plans d’intervention. La sismique passive s’impose parmi les outils incontournables pour un suivi de longue durée. La méthode démontre une efficacité inédite pour étudier différents mouvements gravitaires allant des éboulements jusqu’aux glissements de terrain. Nous proposons dans ce projet de réaliser une écoute microsismique sur une falaise rocheuse montrant des fréquents éboulements. L’objectif ultime est de repérer les parties instables de la falaise afin d’orienter les opérations d’écaillage visant à minimiser les éboulis qui s’accumulent sur une voie ferroviaire voisine. Une analyse des données par détection et localisation est retenue ce qui implique trois tâches: 1- la détection et le pointé de temps d’arrivée, 2- la localisation des hypocentres, et 3- la modélisation des ondes sismiques par tracé de rai pour résoudre le problème d’inversion. Le deuxième objectif de cette thèse est d’améliorer ces trois composantes fondamentales. Le premier fruit de ce travail est l’élaboration d’une méthodologie innovatrice pour optimiser le traitement des données microsismiques. La stratégie combine à la fois des nouvelles approches et des méthodes classiques soigneusement choisies. Ainsi, nous avons proposé des nouvelles techniques de détection, de pointé et de filtrage de données basées sur l’estimation de la polarisation par une analyse de la matrice de corrélation. L’approche s’avère plus robuste vis-à vis du bruit et facilite énormément la distinction entre les ondes à polarisation linéaire et les signaux parasites. Concernant la modélisation par tracé de rai, une nouvelle méthode appelée ‘the Dynamic Shortest Path’ a été introduite. L’approche mise sur un raffinement local du maillage autour des sources sismiques et sur la mise à jour de temps d’arrivée à partir des rais sismiques. La méthode est capable d’assurer une erreur inférieure à 1% pour un coût de calcul raisonnable pour des problèmes d’inversion. Le troisième essor pour cette thèse est un code d’inversion conjointe hypocentre-vitesse adapté aux maillages non-structurés. Des nouvelles techniques de régularisation et d’analyse de données de calibration y sont intégrées. Le temps d’exécution du code a été optimisé en implémentant certaines tâches en parallèle.

Climate change is a global phenomenon affecting the four spheres of the Earth: the atmosphere, the hydrosphere, the biosphere and even the geosphere. The geosphere is particularly exposed to extreme weather events which contribute to significant reshaping of landscapes worldwide. Coastal erosion, ground movements and degradation of soil quality are just a few examples. In this context, an increase in the number of areas at high gravitational risk and their perimeters were noted in recent decades. In sensitive areas, permanent monitoring of the stability of such sites is necessary in order to track their developments and to prepare intervention strategies. Passive seismic is considered to be one of the best tools for long-term monitoring of ground stability. This method was shown to be an efficient mean to track landmass movements that range from rockfalls to landslides. In this project, we propose to carry out a microseismic monitoring experiment for an unstable cliff that hosts episodic rockfalls. The ultimate goal of this experiment is to identify portions of the cliff that become unstable over time and dispatch mitigation strategies to avoid unplanned rockfalls on a nearby railway. A strategy of data analysis by detection and localization was selected for this project, which implies three main steps: 1- detection and picking of seismic arrival times, 2- hypocenter localization, and 3- seismic wave modeling by raytracing to solve the inversion problem. This work proposes new techniques that were developed to tackle these three fundamental tasks in microseismic. The first outcome of this research project is the development of an innovative methodology to optimize microseismic data processing. This methodology combines several novel approaches with many classical methods well selected. The first achievement concerns new techniques for microseismic data detection, picking and filtering based on estimation of the linear polarization via the analysis of the correlation matrix. The developed methods show robust performance against seismic noise added to synthetic datasets and noise present in real data. The sought linearly polarized wavefields are therefore easily separated from unwanted signals. This work also introduces an enhanced method for ray-tracing modeling called 'the Dynamic Shortest Path'. The strategy relies on a local mesh refinement around seismic sources and on the updating of traveltimes along the seismic ray paths. The method shows a global error less than 1% with a reasonable computational cost for inversion problems. The last achievement of this thesis is a joint hypocenter-velocity inversion code adapted to unstructured meshes. New techniques for regularization and calibration data interpretation are also tested and integrated in this last contribution. The inversion code runtime was optimized using a parallel approach.


identifier: Légaré-Couture, Guillaume  (2021). Géologie du Quaternaire, modélisation géologique 3D et courants glaciaires dans l’estuaire moyen du Saint-Laurent : Applications du LiDAR aéroporté.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de la terre, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 249 p.

subject: Wisconsinien supérieur

subject: géologie du quaternaire

subject: courants glaciaires

subject: modélisation géologique 3D

subject: LiDAR

subject: modèles numériques de terrain haute-résolution

subject: Courant glaciaire du Saint-Laurent

subject: méga-linéations glaciaires

subject: réavancée glaciaire

subject: Late Wisconsinan

subject: Quaternary geology

subject: ice streams

subject: 3D geological modeling

subject: LiDAR

subject: high-resolution digital terrain models

subject: St. Lawrence Ice Stream

subject: mega-scale glacial lineations

subject: glacial readvance

subject: St. Nicholas ice flow

abstract:
La cartographie de la géologie du Quaternaire des terrains glaciaires par photo-interprétation comporte un lot de défis lorsque la région ciblée a une forte densité du couvert végétal, une grande anthropisation, un relief montrant peu de variation ou encore très accidenté et difficilement accessible. Cette thèse montre que l'utilisation de la technologie LiDAR aéroporté permet la production de modèles numériques de terrain à haute résolution dont les produits dérivés peuvent être utilisés directement dans un environnement numérique pour l’interprétation de la géologie et de la paléogéographie à l’échelle régionale. Le premier volet de recherche présente une démarche permettant d’obtenir une image cartographique qui montre l’essentiel de la variabilité du terrain et qui permet de cartographier la géologie de surface avec un niveau de détails essentiellement impossible à obtenir par photo interprétation classique. Cette méthode a été appliquée à la cartographie de la géologie de surface de la rive sud de la vallée du Saint-Laurent entre les régions de Lotbinière et Rivière-du-Loup à l’aide d’une mosaïque de divers levés LiDAR aéroportés. Cette application a permis de préciser plusieurs aspects de la géologie des formations superficielles de la région d'étude. La limite de submersion des mers de Champlain et Goldthwait a pu être cartographiée avec précision. Une série de moraines mineures ont été identifiées dans le secteur de Lotbinière, incluant une portion de la moraine de Saint-Édouard. Finalement, des anciens glissements de terrain sous des zones de couvert forestier important ont été identifiés dans le secteur de Kamouraska. Le deuxième volet propose un modèle géologique 3D du même secteur, où la cartographie réalisée au premier volet sert de jalon afin de contraindre les relations stratigraphiques. La réalisation de forages, de sondages, de levés géophysiques, de coupes géologiques et d’analyses paléoécologiques a permis la reconstruction de la colonne stratigraphique, de la surface du roc jusqu’à la surface du sol. La nature, la distribution et l’architecture d’une succession de 12 unités géologiques a été ainsi reconstruite. Ce modèle géologique a été appliqué à la définition du potentiel aquifère des dépôts meubles, en fournissant des cibles d'aquifères, notamment dans le secteur de Saint-Henri. Le troisième volet de recherche porte sur l'étude d'une partie de l’empreinte du Courant glaciaire du Saint-Laurent, un épisode d’écoulement rapide de la glace en direction nord-est dans l’axe du fleuve Saint-Laurent. Les résultats de la cartographie des méga-linéations glaciaires dans cette partie de la vallée montrent que cette phase a été un événement majeur de la déglaciation du secteur nord-est de l’Inlandsis Laurentidien. Une grande variété de formes diagnostiques de paléo courants glaciaires a été identifiée au-dessus de la limite marine. Diverses zones d’alimentation sont identifiées dans les Laurentides, alors que des zones de cisaillement ont été reconnues sur le piémont appalachien. Le quatrième volet de recherche revisite l’hypothèse d’une réavancée glaciaire dans la Mer de Champlain au Dryas récent. Un nouvel ensemble de moraines, cartographiées dans la région de Lotbinière et identifiées sur la base de données de terrain à haute résolution, est présenté. Ces moraines représentent vraisemblablement les positions récessionnelles d'un front de glace laurentidien suite à une réavancée dans un bassin précoce de la Mer de Champlain. Leur découverte soutient et renforce l'hypothèse de la phase d’écoulement glaciaire dite de Saint-Nicolas.

 Mapping the Quaternary geology of glaciated terrains by photo-interpretation presents a number of challenges when the targeted region has a high-density vegetation cover, a significant degree of anthropization, a relief showing little variation or a very rugged and poorly accessible terrain. This thesis shows that the use of airborne LiDAR addresses these problems and allows the production of high-resolution digital terrain models whose derivatives can be used directly in a digital environment for the interpretation of geology, geomorphology and paleogeography at a regional scale. The first section of the thesis presents a workflow to obtain images that include most of the terrain variability and that allow the mapping of the surficial geology with a level of detail that is essentially impossible to obtain by photo-interpretation. This method was applied to the mapping of the surficial geology of the south shore of the St. Lawrence River valley between the Lotbinière and Rivière-du-Loup areas, using a mosaic of various airborne LiDAR surveys. This application helped to clarify several aspects of the surficial geology of the study area. The submergence limit of the Champlain and Goldthwait seas was precisely defined. A series of minor moraines have been identified in the Lotbinière area, including a portion of the Saint-Édouard moraine. Finally, old landslides under areas of dense forest cover have been identified in the Kamouraska area. The second part proposes a 3D geological model of the same region, where the surficial mapping carried out in the first section of the thesis serves as a constraint to establish stratigraphic relationships. Drilling, soundings, geophysical surveys, geological sections and paleoecological analyses have allowed the reconstruction of the geology from the bedrock surface to the ground surface, thus exposing the nature, distribution and architecture of a succession of 12 surficial geologic units. This geological model was applied to the definition of the aquifer potential of unconsolidated deposits, providing aquifer targets, particularly in the Saint-Henri area. The third research section presents a major part of the footprint of the St. Lawrence Ice Stream, an episode of rapid northeastward ice flow along the axis of the St. Lawrence River. The results of the mapping of mega-scale glacial lineations in this part of the valley show that this phase was a prominent event in the deglaciation of the northeastern sector of the Laurentide Ice Sheet. A wide variety of diagnostic paleo-ice streams landforms was identified above the local marine limit. Various onset zones have been recognized in the Laurentians, while shear margin zones have been identified on the Appalachian foothills. The fourth research theme revisits the hypothesis of an ice margin readvance in the Champlain Sea during the Younger Dryas. A new set of moraines mapped in the Lotbinière region, and identified on the basis of high-resolution topographic data, are presented. These moraines likely represent the recessional positions that followed a readvance of the Laurentide ice front into an early Champlain Sea embayment. Their discovery supports and reinforces the hypothesis of the Saint-Nicolas ice flow.


identifier: Ben Souissi, Farah  (2020). Prévision des précipitations à long terme au nord-est de la Tunisie.  Mémoire.  Québec, Maîtrise en sciences de la terre, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 58 p.

subject: téléconnections

subject: indice climatique

subject: Tunisie

subject: variabilité des précipitations

subject: analyse fonctionnelle des données (FDA)

subject: modèle linéaire fonctionnel pour une réponse scalaire (FLM-S)

subject: prévision à long terme

abstract:
L'analyse de la variabilité des précipitations fait l'objet de recherches depuis plusieurs décennies.
La Tunisie est caractérisée par une forte variabilité des précipitations qui entraîne des inondations
et des sécheresses extrêmes, coûteuses en vies humaines et responsables d'innombrables dégâts
matériels. Il est donc important de développer des modèles de prévisions à long terme des
précipitations qui peuvent être utilisées efficacement dans les activités de la planification et de la
gestion des ressources en eau. L'objectif du présent travail est de développer des modèles de
prévision à long terme pour les précipitations annuelles totales et maximales en utilisant des indices
d'oscillation climatique à basse fréquence. Ainsi, deux modèles de prévision sont considérés : un
modèle de régression linéaire et un modèle fonctionnel linéaire pour la réponse scalaire (FLM-S).
Dans cette étude, les données de précipitations journalières collectées à la station pluviométrique
"Kélibia" située au nord-est de la Tunisie sont utilisées. L'impact du potentiel des modèles
climatiques à grande échelle de l'oscillation de l'Atlantique du Nord (NAO) et l’oscillation
décennale du Pacifique (PDO) est évalué dans la modélisation de la variabilité des précipitations.
Étant donné que la station est située dans la région méditerranéenne, l'oscillation méditerranéenne
(MO) et l'oscillation de la méditerranée occidentale (WeMO) sont également étudiées. Les résultats
montrent que les indices NAO, PDO et MO représentent les meilleures variables pour la prévision
des précipitations totales annuelles. Les indices MO et WeMO sont les meilleures variables pour
la prévision des précipitations maximales annuelles. Les résultats de cette étude peuvent avoir des
applications pratiques pour améliorer l'anticipation des catastrophes et la gestion des ressources en
eau.


identifier: Dip, Cecilia  (2021). Surveillance microsismique de mines avec le filtre de Kalman d’ensemble.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de la terre, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 169 p.

subject:
surveillance microsismique
coup de terrain
modèle de vitesse 3D
filtre de Kalman d’ensemble
microseismic monitoring
rockbursts
3D velocity model
Ensemble Kalman Filter

abstract:
L’augmentation de la demande en métaux causée par la croissance économique mondiale et la diminution de découvertes de gisements minéraux peu profonds oblige l’extraction minière à aller exploiter dans des nouvelles zones plus profondes, en marge des camps miniers connus (Wagner, 2019). Au Canada, l’industrie minière se tourne vers l’exploration et l’exploitation de mines très pro fondes et une conséquence directe de cette évolution est l’augmentation du risque dû aux éboule ments, qui sont des libérations soudaines et violentes d’énergie stockée dans la masse rocheuse. Ces coups de terrain catastrophiques entraînent non seulement l’arrêt des opérations minières, ou des dommages à l’équipement, mais ils menacent la sécurité des travailleurs souterrains (Ge, 2005). Il a toujours été difficile d’étudier et de prévoir les coups de terrain (rockbursts), car ils ré sultent d’une interaction complexe entre les activités minières et la géologie. Cependant, ces évé nements catastrophiques sont généralement précédés d’événements sismiques plus faibles. Ces micro séismes, induits par la libération de contraintes autour des tunnels, provoquent la propaga tion d’ondes sismiques dans la masse rocheuse. La surveillance microsismique est une technique largement utilisée pour étudier ce type d’événements dans la roche. Bien que principalement utili sés pour la localisation de l’événement, les temps d’arrivée provenant de la microsismique passive peuvent être utilisés comme un outil pour cartographier la distribution des vitesses des ondes sis miques dans la masse rocheuse. Les vitesses sismiques sont une propriété fondamentale des matériaux, et elles varient avec les changements de conditions tant externes (contrainte, tempé rature) qu’interne (saturation du fluide, densité de fissure) (Daley et al., 2010). Il suffit alors de déterminer les vitesses sismiques facilement mesurables au lieu des contraintes beaucoup moins accessibles dans les roches (Körmendi et al., 1986). Mon projet de doctorat propose de détecter les changements de vitesses sismiques de la masse rocheuse comme variable pour les prédictions de rockbursts, dans le but de fournir une variable quantitative aux ingénieurs miniers afin de protéger leur sécurité et l’exploitation de leur mine. Je propose une méthodologie d’assimilation des temps d’arrivée au fur et à mesure que de nouveaux événements sismiques surviennent et sont enregistrés, ce qui permet des mises à jour du modèle de vitesse en temps réel d’une manière rapide et efficace. Pour évaluer l’assimi lation de données microsismiques en temps réel à des fins de surveillance minière, nous avons proposé d’utiliser le filtre de Kalman d’Ensemble (EnKF)(Evensen, 2009) pour calculer les mises à jour de la zone affectée en temps réel. L’EnKF permet d’incorporer les observations des variables à travers un processus de conditionnement dans lequel les paramètres et la réponse dynamique sont mis à jour chaque fois que de nouvelles observations sont disponibles. Dans ce travail, les variables d’état sont la vitesse de l’onde P, les observations sont les temps de parcours des ondes sismiques enregistrées au niveau des geophones situés dans la mine et ses environs et la fonction dynamique consiste en l’inversion des données pour la localisation de l’hypocentre. À partir d’un ensemble stochastique initial de modèles de vitesse, nous procédons à la prévision de son évolu tion au prochain pas de temps. Pour cette étape, nous effectuons la localisation de l’hypocentre et le lancer de rais. Ensuite, nous assimilons de nouveaux temps de parcours pour corriger les prévi sions. L’ensemble de modèles initiaux sont générés par simulation séquentielle gaussienne (SGS), en intégrant des données géologiques et géophysiques. La SGS permet de générer plusieurs mo dèles de vitesse équiprobables honorant les données de vitesse dure mesurées en forage, et le variogramme théorique (Journel, 1994). Pour tester la procédure proposée, divers tests ont été réalisés, à la fois sur des données synthétiques et réelles. Les exemples synthétiques ont exposé le potentiel de la méthodologie pour surveiller les changements de vitesse dans le sous-sol. Les résultats préliminaires obtenus avec des données synthétiques nous ont poussé à tester les limites et le potentiel de la méthode sur des données réelles. Les données d’une mine de nickel au Canada présentant des variations importantes de leurs propriétés sismiques ont été utilisées à cette fin. Avec les exemples présentés, nous avons montré le potentiel de la méthodologie proposée pour la surveillance des processus souterrains en temps réel. La technique permet d’observer les changements de vitesse dans la masse rocheuse suffisamment à l’avance, en mettant en évidence les zones où la masse rocheuse est sous contrainte, et donc les zones susceptibles de se rompre. Cela aidera les ingénieurs miniers à mieux prévenir les rockbursts en temps réel.

 Increasing demand for metals caused by global economic growth and exploitation of shallow mineral deposits forces mineral extraction to go deeper (Wagner, 2019). A direct consequence of this development is the increase of risk due to rockbursts, which are sudden and violent releases of energy stored in the rock mass. The occurrence of catastrophic failures causes not only the obstruction of mining operations, or damages of the equipment but it threatens the safety of un derground workers (Ge, 2005). It has always been a challenge to study and predict rockbursts as they result from complex interaction between mining activities and geology. However, these large events are usually preceded by weaker seismic events. These micro earthquakes, induced by the release of stress around tunnels, cause seismic waves to propagate in the rock mass. A technique widely used for studying rockbursts is microseismic monitoring. Though mainly used for event’s location, arrival time data from passive microseismic can be used as a tool to map the distribution of seismic wave velocities in the rock mass. Seismic velocities are a fundamental property of ma terials, and they vary with changes in conditions both external (stress, temperature) and internal (fluid saturation, crack density) (Daley et al., 2010). It is then reasonable to determine the easily measurable seismic velocities instead of the much less accessible stresses in the rocks (Körmendi et al., 1986), and use these as proxy for stress increase. This PhD project proposes to use the changes in rock mass seismic velocities as a comple mentary variable for rockburst predictions, aiming to provide additional value to microseismic data. This is done by assimilating traveltimes on the run, yielding real time velocity model updates in a fast and efficient way. To assess real time microseismic data assimilation for mining monitoring purposes, we proposed to use the Ensemble Kalman Filter (ENKF) (Evensen, 2009) to compute updates of the area in real time. The EnKF allows incorporating observations of a variables through a conditioning process in which the parameters and the dynamic response are updated whenever new observations are available in two steps : forecast and analysis. In this work, the state variables are P-wave velocity, the observations are traveltimes of seismic waves registered at geophones located in the mine and its surroundings and the dynamic function consists on data inversion for hypocenter location. Starting from an initial ensemble of velocity models we proceed to forecast its evolution at the next time step. This forecast is performed through hypocenter location and raytra cing. Next, we assimilate new travel times to correct the predictions. To build the initial ensemble for the EnKF assimilation, we proposed implementing Sequential Gaussian Simulation (SGS), integra ting well, geological and geophysical data. SGS permits to generate multiple equiprobable velocity models honouring the hard velocity data measured at drill-holes, while preserving the theoretical variogram (Journel, 1994). To test the methodology, various tests were performed, both on synthetic and real data. Several synthetic examples exposed the potential of the methodology to monitor velocity changes in the underground. The preliminary results achieved with synthetic data led us to test the limits and po tential of the method on real data. Data from a hard rock mine in Canada, with significant variation in their seismic properties, was used for this purpose. With the examples presented, we showed the potential that the proposed methodology has for monitoring underground processes in real time. The technique allows to observe velocity changes in the rock-mass before a rockbursts takes place, highlighting areas where the rock-mass is under stress, and therefore the areas likely to break. This will assist mine operators to better prevent rockburst in real time.


identifier: Fontaine, Anthony  (2021). Évaluation de l’impact des activités minières sur la santé des poissons et leur environnement dans le nord du Québec.  Mémoire.  Québec, Maîtrise en sciences de l'eau, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 137 p.

subject:
poissons
contamination métallique
stress oxydant
Fermont
Schefferville
mines
fish
metal contamination
oxidative stress

abstract:
Bien que les réponses écologiques et physiologiques des poissons face à une contamination minière soient bien documentées dans les régions tempérées, les connaissances ne sont pas directement transférables dans le nord du Québec où le climat subarctique influence grandement la biologie des espèces. Cette étude a pour objectif d’évaluer les impacts des opérations minières sur la santé des poissons et de leur environnement dans le bassin versant de la rivière Caniapiscau. Dans ce projet, un lac directement affecté par les activités minières passées dans la région de Schefferville (Lac Denault), deux lacs proches d’installations minières (Lac Cherny à Fermont et Lac Houston à Schefferville) et un lac référence (Lac Perroche) ont été échantillonnés pour l’eau, les sédiments et les poissons. Huit espèces de poissons ont été capturés comprenant le grand brochet (Esox lucius), le touladi (Salvelinus namaycush), l’omble de fontaine (Salvelinus fontinalis), le grand corégone (Coregonus clupeaformis), le ménomini rond (Prosopium cylindraceum), le meunier rouge (Catostomus catostomus), le meunier noir (Catostomus commersonii) et le mené de lac (Couesius plumbeus). La santé des poissons a été évaluée à travers l’estimation d’indices biométriques, la quantification des concentrations de quatorze éléments dans plusieurs tissus ainsi que l’analyse de cinq biomarqueurs du stress oxydant (8-OHdG, MDA) et des capacités antioxydantes (CAT, SOD, GPx). Les poissons capturés dans la région de Schefferville présentent des concentrations élémentaires généralement plus élevées que les individus échantillonnés à Fermont et comparés au site référence. Par ailleurs, la bioaccumulation des éléments ainsi que les impacts associés diffèrent selon les sous-familles étudiées (Salmoninae, Coregoninae, Catostominae). Les Catostominae et les Coregoninae ont démontré d’importantes concentrations hépatiques de manganèse qui étaient positivement corrélées à l’activité de la SOD chez les Coregoninae ainsi qu’à l’activité de la CAT et les concentrations de 8-OHdG en plus d’être négativement corrélée à l’activité de la GPx chez les Catostominae. Chez les Salmoninae, des concentrations élevées de sélénium dans le foie étaient associées à une augmentation de l’activité de la SOD et des concentrations de 8- OHdG. Quelle que soit la sous-famille étudiée, les concentrations de mercure dans le foie étaient positivement corrélées aux variables biométriques (longueur, masse, âge). Cette étude met donc en évidence une variabilité interspécifique dans les effets associés à une contamination minière sur la santé des poissons, particulièrement dans la région de Schefferville.

 Physiological and ecological responses of fish to mining contamination have been well documented in Southern regions; yet, research is limited in more Northern locations where climate has a major influence on fish biology. Therefore, this study aims to assess the ecotoxicological impacts of mining operations on fish and their environment in the Caniapiscau river watershed. In this project, one lake directly affected by historical mining activities (Lake Denault in Schefferville), two lakes close to mining operations (Lake Cherny in Fermont and Lake Houston in Schefferville) and one reference lake (Lake Perroche) were sampled for water, sediment and fish. Eight species were collected including Northern pike (Esox Lucius), Lake charr (Salvelinus namaycush), Brook charr (Salvelinus fontinalis) Lake whitefish (Coregonus clupeaformis), Round whitefish (Prosopium cylindraceum), Longnose sucker (Catostomus catostomus), White sucker (Catostomus commersonii) and Lake chub (Couesius plumbeus). Fish health was evaluated by using biometric indices, quantification of fourteen elements concentrations in fish tissues and the analysis of biomarkers of antioxidant capacities (CAT, SOD, GPx) and oxidative damage (MDA, 8-OHdG). Fish collected in the Schefferville area exhibited generally higher trace element concentrations than individuals from the Fermont area and compared to the reference site. Moreover, element bioaccumulation and associated impacts differed among the sub-families under study (Salmoninae, Coregoninae and Catostominae). Catostominae and Coregoninae displayed important liver concentrations of manganese, which were positively correlated with SOD activity in Coregoninae as well as CAT activity and 8-OHdG concentrations, in addition a negative correlation with GPx activity, in Catostominae. In Salmoninae, elevated liver concentrations of selenium were associated with an increase of SOD activity and 8-OHdG concentrations. Regardless of the studied sub-family, hepatic mercury concentrations were positively correlated to biometric variables (length, weight and age). This research highlights an interspecific variability in the effects of mining contamination on fish health, especially in the Schefferville area.


identifier: Aissia, Elyas  (2021). Perturbation des mitochondries par le nickel environnemental chez la truite arc-en-ciel : une question de température ?  Mémoire.  Québec, Maîtrise en sciences de l'eau, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 73 p.

subject:
nickel
température
stresseurs combinés
mitochondrie
métabolisme
truite arc-en-ciel
temperature
combined stress
mitochondria
metabolism
rainbow trout

abstract:
Dans un monde affecté par les changements globaux, aux activités anthropiques croissantes, les organismes aquatiques sont exposés de façon chronique à de multiples sources de stress, tels que les rejets miniers ou la variation de température. De nombreuses études ont démontré les effets de ces facteurs de stress individuels sur la mitochondrie, organite au cœur du métabolisme énergétique aérobie. Cependant, les études traitant des facteurs de stress simultanés sont encore rares. Cette étude met l’emphase sur les effets combinés du nickel (Ni) et de la température sur la fonction mitochondriale de la truite arc-en-ciel (Oncorhynchus mykiss). Pour cela, des truites juvéniles ont été acclimatées à deux températures contrastées (5 °C et 15 °C) en présence ou non de nickel (520 μg Ni/L). Après avoir mesuré des indices biométriques, j’ai mesuré l’activité des enzymes du système de transport des électrons (ETS) et la citrate synthase (CS), la peroxydation lipidique, et enfin dressé des profils d’acides gras phospholipidiques membranaires des mitochondries de foie. Seule la température a eu un effet sur les indices biométriques. Le Ni a affecté la réponse normale de la composition membranaire face à la variation de température. La peroxydation lipidique fut grandement inhibée par l’interaction entre le Ni et l’augmentation de température, là où la proportion en acides gras polyinsaturés était la plus élevée. La variation des ratios d’activités de l’ETS et la CS causée par le Ni à plus haute température suggère une accumulation potentielle d’électrons dans la membrane, ainsi qu’une augmentation de la production des espèces réactives de l’oxygène (ERO). De plus, le faible taux de peroxydation lipidique et la diminution de l’activité du complexe IV de l’ETS suggèrent une diminution du métabolisme mitochondrial, qui pourrait limiter l’induction des ERO par les mitochondries. Les truites arc-en-ciel démontrent une réponse adaptative face au stress synergique induit par la température et le nickel. Sans être en situation de perte de contrôle, les processus alternatifs de détoxication permettent de réduire le stress oxydant, moyennant un coût métabolique plus élevé.

In a world affected by global changes, with increasing anthropogenic activities, aquatic organisms are chronically exposed to multiple sources of stressors, such as mine wastes or temperature fluctuations. Many studies have highlighted effects of these individual stressors on mitochondria because it is the organelle responsible for aerobic energy metabolism. However, only few studies highlight combined effects. This study emphasizes on combined effects of nickel (Ni) and temperature on mitochondrial function of rainbow trout (Oncorhynchus mykiss). Juvenile trout were acclimated to two different temperatures (5 °C and 15 °C) with or without nickel exposure (520 μg Ni/L). First, biometric indices were measured. Then, activities of electron transport system (ETS) enzymes and citrate synthase (CS) were measured, together with lipid peroxidation and liver mitochondrial membrane phospholipid fatty acids. Only temperature had effect on condition indices. Ni affected normal response of membrane composition to temperature variation. Lipid peroxidation was decreased by Ni-temperature interaction, while polyunsaturated fatty acid proportion was the highest. Variation of activity ratios of ETS and CS caused by Ni exposure for warm-acclimated fish suggested a potential accumulation of electrons in the membrane, linked with an increased production of reactive oxygen species (ROS). Moreover, lower lipid peroxidation rate and complex IV activity suggested a depletion of the mitochondrial mechanism causing a reduction of ROS production by mitochondria. Rainbow trout seem to adapt under the synergistic stress of nickel and temperature. Fish metabolism remains stable, nevertheless using alternative detoxification mechanisms require a higher metabolic cost.