identifier: Mohammadnezhad, Mahyar  (2019). Carbon Nanomaterials for Dye-Sensitized Solar Cells.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 195 p.

subject: énergie matériaux

abstract: According to the late Nobel Laureate Richard E. Smalley, energy is one of the biggest problems to be faced by humanity over the next 50 years. At the dawn of the 21st century, with the rapid development of industrialization and globalization, worldwide energy demands have rapidly increased. Different forms of fossil fuels represent over 80% of the world’s energy use. However, the limited availability of fossil fuels, together with climate change and environmental pollution dictates a transition towards sustainable, clean and carbon-neutral energy sources, including wind power, hydroelectric and solar energy. Amongst different sources of renewable energy, solar energy is one of the cleanest energy resources to be considered as a viable alternative to fossil fuels since sunlight is the most abundant of all available carbon-free energy sources. A solar cell is an optoelectronic device that directly converts the energy of light into electricity by the photovoltaic (PV) effect. Silicon (Si) solar cells currently constitute the most widespread commercial product in this field due to their high conversion efficiency and relatively longterm stability compared to other solar cell technologies. However, their high production cost and environmental impact are restricted to the terrestrial PV market. In recent years, dye-sensitized solar cells (DSSCs) have been regarded as a promising alternative to Si solar cells. DSSCs are considered as a promising future technology due to their appealing features, including a simple fabrication process, eco-friendly materials, colour choice and transparency. DSSCs must pass three main filters for large-scale commercialization: power conversion efficiency (PCE); long-term stability; and production cost. Although the design of new and modified devices that are structured to fabricate highly efficient cells are widely investigated, thus far the long-term stability and production costs have rarely been investigated and reported in the field of DSSCs. The first part of this thesis demonstrates the effect of adding carbonaceous materials, in particular multi-wall carbon nanotubes (MWCNTs), on the stability of DSSCs under continuous simulated sunlight, indoor and ultraviolet (UV) light irradiation. After light aging, DSSCs are characterized by different techniques, to document the degradation mechanisms. The results indicate that MWCNTs can act as a strong conductive support and reinforcement of the titanium dioxide (TiO₂) matrix, which is able to significantly improve the long-term stability of DSSCs under continuous simulated one sun and indoor light by 22% and 42%, respectively. Based on UV stability measurements, MWCNTs, as an efficient absorbing and blocking agent for UV light, can successfully stabilize DSSCs for long-term operation with a 24% improvement in UV stability. The second part of this work describes an investigation into the effect of incorporating MWCNTs in the thermal stability of DSSCs. Under identical measurement conditions (aging at 80°C for 240 h in the dark), standard DSSCs present a significant loss in PCE, dropping to 59% of their initial value, while a composited device with MWCNTs attained a promising thermal stability with only a 20% reduction. This loss in cell performance in standard DSSCs is mainly associated with a dramatic reduction in short circuit current density (Jsc). The composite anode exhibited excellent microstructure stability due to the bonding between MWCNTs and TiO2 nanoparticles. Furthermore, transient photovoltage decay and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurements confirm the higher electron lifetime and reduction in charge recombination in the composite network due to the excellent conductivity of MWCNTs. The final part of this work describes a simple and low-cost approach to preparing a nanocomposite film of copper sulfide-graphene (CuS-G) as a transparent conducting oxide (TCO) and platinum (Pt)-free counter electrodes (CEs) for DSSCs. Different measurements verified the structure and the composition of a nanocomposite of CuS-G with uniform distribution of graphene between the CuS particles. The results demonstrated that the addition of graphene improves the PCE of the DSSCs (~12%) compared to the DSSCs based on CEs made of pristine CuS. The prepared CuS-G nanocomposite thin films that exhibit good catalytic performance towards the reduction of the tri-iodide electrolyte exhibited an impressive PCE of 4.83%, which is comparable to that of using the Pt CE (5.14%).


identifier: Oulad Elhmaidi, Zakaria  (2020). Élaboration de couches minces de Cu₂ZnSnS₄ par ablation laser pulsée et leur intégration en cellules solaires à haut rendement de photoconversion.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 148 p.

type:
Thèse
Non évalué par les pairs

subject:
films minces
Cu₂ZnSnS₄
ablation laser pulsée
nanofils de silicium
dispositifs photovoltaïques
photoconversion
thin films
pulsed laser deposition
silicon nanowires
photovoltaic devices

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.Le but de ce travail de thèse est d’élaborer des films minces de Cu2ZnSnS4 (CZTS) par ablation laser pulsée (ALP), l’optimisation de leurs propriétés physiques ainsi que leur intégration dans des dispositifs photovoltaïques (PVs) à haut rendement de photoconversion. Dans un premier temps, des films de CZTS ont été élaborés par l’ALP (248 nm, 14 ns, 20 Hz) à la température ambiante suivi d’un recuit à différentes températures sous une atmosphère d’argon. Les résultats obtenus, à partir des caractérisations structurales, morphologiques, optiques et électriques, ont permis d’identifier 300°C comme la température optimale pour la croissance de films de CZTS de bonne qualité cristalline et ayant les propriétés optoélectroniques appropriées pour la conversion photovoltaïque. Dans un second temps et afin de mieux contrôler la composition des films de CZTS, nous avons développé une approche originale, basée sur l’ablation concomitante de la cible de CZTS et de bandes de Zn. En effet, la variation du rapport surfacique des bandes de Zn par rapport à la cible de CZTS (RZn/CZTS), a permis d’élaborer des films de CZTS avec différentes compositions. Ceci nous a permis de diminuer le rapport des concentrations [Cu]/(([Zn]+[Sn])) en fonction de RZn/CZTS. Ensuite, ces films de CZTS avec différentes compositions ont été déposés sur du silicium, puis intégrés en dispositifs photovoltaïques (PV) de type ITO/p-CZTS/n-Si/Al, après les dépôts d’électrodes avant (ITO) et arrière (Al) par pulvérisation-magétron. Ces dispositifs réalisés sur les substrats de silicium plat ont donné des rendements de photoconversion de puissance de 2,2 %. D’un autre côté, les plaquettes de n-Si ont été nanostructurées en formant des nanofils de silicium à leur surface au moyen de la gravure chimique assistée par métal dans le but d’augmenter l’étendue de l’interface entre le n-Si et le p-CZTS. Ainsi, des films de CZTS ont été déposés par ALP sur les réseaux de nanofils de Si, pour la première fois. En optimisant à la fois la longueur des nanofils de Si et l'épaisseur du film de CZTS, nous avons pu atteindre un rendement de conversion de puissance de 5,5%, considéré jusqu'à présent comme le record mondial pour ce type de dispositifs. Enfin, nous avons également étudié l'effet de la température du substrat de films CZTS déposés par PLD sur des substrats de Mo, et avons suivi leur performance photovoltaïque, après les avoir intégrés en cellules solaires multicouches (du type : SLG/Mo/CZTS/CdS/ZnO/ITO). À une température de dépôt de 400°C, ces cellules PV ont livré une efficacité de conversion de puissance de 3,3%.

The symbols and special characters used in the original abstract could not be transcribed due
to technical problems. Please use the PDF version to read the abstract.The aim of this thesis is twofold, first, the growth of Cu2ZnSnS4 (CZTS) thin films by pulsed laser deposition (PLD) while optimizing their structural and optoelectronic properties, and second the successful integration of PLD-grown CZTS films into high-performance photovoltaic devices (PVs) with n-silicon substrates without resourcing to any post-deposition treatments. Firstly, CZTS films were deposited by the pulsed laser deposition (PLD) technique (248 nm, 14 ns, 20 Hz) at room temperature and were then subjected to annealing treatment at different temperatures under Argon atmosphere. The results obtained from the structural, morphological, optical and electrical characterizations of the CZTS films have enabled us to identify 300ºC as the optimal temperature for their growth with good crystalline quality and appropriate optoelectronic properties. In a second step and in order to gain more control on the elemental composition of the CZTS films, we have developed an original approach based on the concomitant ablation of Zn-strips and CZTS target. Indeed, the variation of the number of the Zn-strips (or Zn to CZTS target surface ratio; (RZn/CZTS)), made it possible to produce CZTS films with different compositions, in which mainly the [Cu]/(([Zn]+[Sn])) ratio decreases as a function of RZn/CZTS. Thus, these CZTS films with different compositions were deposited on silicon, and then integrated into relatively simple ITO/pCZTS/n-Si/Al photovoltaic devices. These first devices using flat silicon wafers have yielded power conversion efficiencies of 2.2 %. In a subsequent step, the n-Si wafers were nanostructured by forming silicon nanowires at their surface by means of metal-assisted chemical etching (MACE) with the objective to provide an extended interface with the CZTS films that were deposited afterwards onto the SiNWs arrays. By optimizing both the length of SiNWs and the CZTS film thickness, we were able to achieve a power conversion efficiency of 5.5 %, considered so far as the world record for the p-CZTS grown by PLD associated n-silicon. Finally, we have also studied the effect of substrate temperature of PLD-deposited CZTS films onto Mo substrates and followed their photovoltaic performance when integrated into classical multilayered (SLG/Mo/CZTS/CdS/ZnO/ITO) solar cells. At a deposition temperature of 400ºC, these PV cells were found to yield a power conversion efficiency of 3.3 %.


identifier: Avila, Anderson  (2020). Signal processing and machine learning for robust in-the-wild voice applications.  Thèse.  Québec, Doctorat en télécommunications, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 197 p.

subject:
qualité d’expérience
évaluation de la qualité de la parole
i-vector
fiabilité
quality of experience
speech quality assessment
reliability

abstract:
La qualité et la fiabilité sont des concepts clés dans le monde technologique d’aujourd’hui. Les entreprises s’efforcent de toujours bien performer afin de dépasser les attentes des utilisateurs à leur égard. Par conséquent, des sommes d’argent considérables sont investies chaque année dans le monde pour produire des produits et des services hautement fiables et de bonne qualité. Pour rester compétitif à l’échelle mondiale, les principes de qualité et de fiabilité sont appliqués à différents secteurs de l’économie, tels que l’ingénierie, la robotique, les soins de santé, Internet et les logiciels en général. Dans ce travail, nous nous intéressons à la qualité perçue de la parole et à la fiabilité des technologies basées sur la parole. Il est connu que ces technologies ont fait leur chemin hors des laboratoires pour être utilisées dans des applications réelles. Par conséquent, leur performance au-delà des paramètres de laboratoire est devenue une préoccupation croissante pour la communauté des chercheurs. La première partie de cette thèse porte sur l’estimation de la qualité perçue de la parole dans des environnements bruyants et réverbérants. Pour ce faire, nous présentons un nouvel estimateur de la qualité perceptuelle basé sur le cadre du i-vector. Bien qu’ils soient largement utilisés dans de nombreuses applications vocales, le potentiel des i-vectors pour résumer la qualité d’un enregistrement vocal a été ignoré. Nous effectuons donc une analyse détaillée de la façon dont l’espace de variabilité totale est capable de capturer des facteurs ambiants, tels que ceux liés au bruit de fond et aux niveaux de réverbération. Nous proposons ensuite un modèle de qualité de la parole à référence complète basé sur les similitudes du i-vector. La principale motivation derrière cette démarche réside dans le fait que les i-vectors sont connus pour fournir à la fois des informations sur les haut-parleurs et les canaux. Ainsi, en considérant un modèle de référence complète, nous ne pouvons supposer aucune variabilité du locuteur et de la parole entre les représentations de référence et dégradées, c’est-à-dire que le contenu de la parole restera essentiellement le même pour le signal de référence et dégradé, et que seuls des changements dans les facteurs de canal seront présents. Nous mettons également de l’avant une nouvelle mesure de qualité instrumentale non intrusive basée sur la similitude entre deux représentations i-vectorielles. Comme le signal propre de référence n’est pas disponible dans ce cas, nous proposons l’utilisation d’un modèle de mélange gaussien de parole propre pour estimer les spectres de parole propre à partir de son homologue dégradé, qui est ensuite utilisé pour atteindre l’i-vector de référence. La deuxième partie de cette thèse est consacrée à la fiabilité des technologies basées sur la parole, en particulier la reconnaissance automatique des émotions (RAE) de la parole et la vérification automatique du locuteur (VAL). Nous explorons d’abord la RAE de la parole spontané “in-thewild”, où des facteurs tels que le bruit, la réverbération et leurs effets combinés compromettent les performances du RAE de la parole. Nous montrons que les systèmes SER existants basés sur des caractéristiques par trame (calculées à partir du spectre de modulation), bien qu’utiles pour les émotions mises en scène/posées, fonctionnent mal pour la parole spontanée. Pour surmonter cette limitation, un schéma de mise en commun des fonctionnalités robuste à l’environnement, qui combine des informations provenant de trames voisines, est proposé pour prédire l’excitation spontanée et les primitives émotionnelles de valence. Deuxièmement, la fiabilité de la vérification des locuteurs est également abordée. Nous proposons une nouvelle méthode pour minimiser l’impact de la parole affective sur les performances de la VAL. Pour ce faire, un modèle de mélange gaussien est utilisé pour apprendre une distribution de probabilité antérieure de la parole neutre pour un locuteur donné (c’est-à-dire caractériser son espace source). Ces connaissances sont ensuite utilisées pour minimiser les différences entre les espaces cibles (affectifs) et sources (neutres). Outre la variabilité intra-locuteur causée par le discours émotionnel, les attaques par rejeu représentent également une menace sérieuse pour la fiabilité de la VAL. Pour atténuer ces problèmes, nous mettons de l’avant un frontal basé sur l’utilisation d’une estimation aveugle de l’amplitude de la réponse du canal et d’un réseau neuronal résiduel comme back-end. Notre hypothèse est que la réponse en amplitude du canal, obtenue en soustrayant le spectre de magnitude logarithmique du signal observé du spectre de magnitude logarithmique estimé de la contrepartie propre du signal observé, capturera les nuances des ambiances de la pièce, des enregistrements et des appareils de lecture. Cela peut ensuite être utilisé pour distinguer la bonne foi de la parole usurpée.

Quality and reliability are key concepts in today’s technological world. Companies strive to perform consistently well in order to surpass users’ expectations. Hence, considerable amounts of money are being invested annually worldwide to produce highly reliable and good quality products and services. To remain globally competitive, quality principles and reliability are being applied across different sectors of the economy, such as engineering, robotics, health care, Internet and software in general. In this work, we are interested in the perceived quality of speech and the reliability of speech-based technologies. It is known that such technologies have made their way out of laboratories to be employed in real-world applications. Therefore, their performance beyond laboratory settings has become an increasing concern for the research community. The first part of this thesis focuses on the estimation of perceived speech quality in noisy and reverberant environments. We propose a new perceptual quality estimator based on the i-vector framework. While widely used across numerous speech applications, the potential of i-vectors to summarize the quality of a speech recording has been overlooked. We conduct a detailed analysis of how the total variability space is capable of capturing ambient factors, such as those related to background noise and reverberation levels. We then propose a full-reference speech quality model based on i-vector similarities. The main motivation behind this lies on the fact that i-vectors are known for carrying out both speaker and channel information. Thus, by considering a full-reference model, we can assume no speaker and speech variability between the reference and degraded representations. That is, speech content will remain mostly the same for the reference and degraded signals and only changes in the channel factors will be present. We also propose a new non-intrusive instrumental quality measure based on the similarity between two i-vector representations. As the reference clean signal is not available in this case, we propose the use of a clean speech Gaussian mixture model to estimate the clean speech spectra from its degraded counterpart, which is then used to attain the reference i-vector representation. The second part of this thesis is dedicated to the reliability of speech-based technologies, specifically speech emotion recognition (SER) and automatic speaker verification (ASV). We first explore spontaneous SER in-the-wild, where factors such as noise, reverberation and their combined effects compromise SER performance. We show that existing SER systems based on per-frame features (computed from the modulation spectrum), while useful for enacted/posed emotions, perform poorly for spontaneous speech. To overcome such limitation, an environment-robust feature pooling scheme, which combines information from neighbouring frames, is proposed to predict spontaneous arousal and valence emotional primitives. Second, the reliability of speaker verification is also addressed. We propose a new method to minimize the impact of affective speech on ASV performance. For that, a Gaussian mixture model is used to learn a prior probability distribution of the neutral speech for a given speaker (i.e., characterizing his/her source space). This knowledge is then used to minimize the differences between target (affective) and source (neutral) spaces. Besides intra-speaker variability caused by emotional speech, replay attacks also represent a serious threat to ASV reliability. To mitigate such problems, we propose a front-end based on the use of blind estimation of the channel response magnitude and a residual neural network as back-end. Our hypothesis is that the magnitude response of the channel, obtained by subtracting the log-magnitude spectrum of the observed signal from the estimated log-magnitude spectrum of the observed signal’s clean counterpart, will capture the nuances of room ambiences, recordings and playback devices. This can then be used to distinguish bonafide from spoofed speech.


identifier: Romero Cortés, Luis  (2018). Generalized Talbot effect theory and application to advanced optical wave processing.  Thèse.  Québec, Doctorat en télécommunications, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 275 p.

subject: télécommunications

abstract: The capability to generate precisely-timed periodic trains of optical pulses has pushed forward many fields of science and technology. Periodic optical waves are key to disciplines such as optical communications and computing, optical signal processing, sensing, spectroscopy, nonlinear and quantum optics, and many others. Periodic optical waveforms can be generated through electro-optical means, external modulation of continuous-wave lasers, and through mode-locking, perhaps one of the most significant recent advances in optical science and technology. Mode-locking is the process by which the different longitudinal modes oscillating in a laser cavity are tightly locked in phase, giving rise to the repetitive emission of a light pulse, i.e., a periodic pulse train. The spectrum of such a signal is a collection of equally-spaced discrete frequency components, known as a frequency comb for the characteristic comb-like shape of its power spectrum. Currently, optical frequency combs are the most precise man-made clocks in history. These signals are used in a myriad of fundamental and applied disciplines, and they are the key enabling factor of many scientific and technological fields, ranging from high-resolution spectroscopy of molecules and atoms, to next-generation optical communication systems and the astronomical search for exo-planets. The separation between adjacent frequency components of a frequency comb, known as the free spectral range (FSR), is the inverse of the repetition period of the corresponding pulse train in the time domain representation of the signal. This is a fundamental parameter from an application viewpoint. Not only most applications of periodic optical signals require their periodicity to be fixed with precision (for instance, the rate at which information is transmitted in a telecommunication system, and processed in a computing system, is strongly related to the pulse period of the clock signal), but distinct applications require fundamentally different orders of magnitude. As an example, typical atomic and molecular spectroscopy applications require combs with FSR values in the MHz regime, while astronomical spectrographic measurements, as well as applications aimed at arbitrary waveform generation and processing, are performed with frequency combs in the GHz regime. Conventional, well-established approaches for periodicity control through manipulation of pulse trains and frequency combs include spectral amplitude filtering and temporal pulse picking (or time gating). The main drawback of these approaches is their low energy efficiency, as they rely on directly discarding signal energy. Additionally, these methods suffer from practical implementation shortcomings. The amplitude filtering method needs high-finesse filters, with tight design and operational requirements (e.g., precise spectral alignment between the filter and the comb), in order to achieve signals with high quality. Similarly, the imperfect suppression of undesired pulses in pulse picking techniques results in spectral line-to-line amplitude fluctuations of the obtained comb. The relatively low extinction ratio of current electro-optic intensity modulators often forces to use optical gates based on nonlinear effects (incurring in even higher energy inefficiency), or optical switches based on semiconductor optical amplifiers and acousto-optic modulators (with typically low operation speeds). Precise timing between the pulse train and the pulse picking gate also becomes a critical factor for a correct pulse suppression. Another fundamental metric for the applicability of periodic optical waveforms is related to their noise content. Indeed, our ability to detect signals or events and to extract information contained therein is ultimately limited by the strength of said signal and that of the noise content of the measurement. Noise is ubiquitous, and its origin mechanisms are often random and difficult to control. In the particular case of periodic optical signals, the aforementioned techniques for periodicity control typically result in the degradation of the signal-to-noise ratio of the waveform of interest. This is mainly due to the fact that a large amount of energy from the input signal is deliberately thrown away (e.g., in the form of line suppression by spectral amplitude filtering of frequency combs, or pulse rejection by temporal amplitude gating of pulse trains). Versatile methods to control the pulse period of optical trains and the FSR of frequency combs with high energy efficiency and low signal degradation based on passive, linear processes are highly desired. Periodicity control methods for optical signals based on phase-only manipulations – temporal phase modulation and/or spectral phase filtering – are particularly attractive solutions to the problem, as these techniques recycle the energy of the input signal, rather than discarding part of it, redistributing it to form the desired output signal. Several techniques for periodicity control through phase-only manipulations have been proposed. In particular, an important set of these techniques relies on periodic phase transformations based on the theory of Talbot self-imaging. Realizations of Talbot phenomena have been reported across several observation domains, including time and frequency (for pulse trains and frequency combs respectively), and although the phenomenon has been extensively studied, a description that unifies its manifestations across all observation domains is still missing. The main goal of this dissertation is to propose a universal method for arbitrary, energy-preserving control of the period of repetitive optical signals, through the development of a unified mathematical description of the Talbot effect in Fourier-dual representation domains of waves. Such a generalization of the phenomenon is presented in Chapter 3, followed by the formulation of the aforementioned universal periodicity control model. Chapters 4 and 5 present experimental demonstrations of arbitrary, energy-preserving control of the repetition period of temporal pulse trains, and the FSR of frequency combs, respectively. In both chapters, the properties of the method to increase the signal energy over the level of incoherent noise propagating alongside are analyzed. The proposed method is indeed capable of redistributing the energy content of the signals of interest, producing an effect of passive amplification, thus avoiding the need for conventional active gain mechanisms (which are known to amplify both the signal and its noise content, and typically inject additional external noise contributions to the signal). Finally, Chapter 6 presents experimental examples and applications of the developed period control method to the spectra of arbitrary, aperiodic signals. In particular, two applications are reported: (i) a method for introducing reversible frequency gaps (frequency bands free of energy in the spectrum of a wave) to the spectrum of isolated optical waveforms, allowing for implementation of a novel technique for invisibility cloaking; and (ii) a method for compressing the spectra of modulated sequences of short pulses, while preserving the temporal shape of the pulses (including pulse duration), thus combining the performance advantages and robustness of short pulses for transferring and processing information with the convenience of frequency-domain multiplexing and processing operations. Considering the wide range of application of periodic temporal and spectral waveforms (e.g., trains of pulses and frequency combs), interest in the methods reported in this dissertation can be foreseen across many different fields. A particularly appealing feature of the proposed methods for pulse period/FSR control is that they offer a high flexibility and energy efficiency. Furthermore, this project could inspire the development of new applications that would take advantage of the energy redistribution strategies for the design of signal processing systems and techniques.


identifier: Gernez, Simon  (2019). Assimilation de mesures électriques et hydrauliques pour la caractérisation des propriétés hydrauliques des aquifères complexes.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de la terre, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 130 p.

format: application/pdf application/pdf

subject:
anisotropie
hydrogéophysique
tomographie de résistivité électrique
assimilation de données
anisotropy
hydrogeophysics
electrical resistivity tomography
data assimilation

abstract:
La conductivité hydraulique a une forte influence sur l’écoulement des eaux souterraines et le transport des solutés dans les aquifères. En raison de la complexité de certains environnements géologiques, cette propriété a une distribution généralement hétérogène et présente une anisotropie à différentes échelles. Bien que la connaissance de l’anisotropie de la conductivité hydraulique soit essentielle pour l’évaluation des ressources en eau et la remédiation des sites contaminés, ce paramètre est souvent négligé car son estimation est complexe. Certaines méthodes hydrauliques basées sur des essais en puits ont récemment été développées pour estimer l’anisotropie de la conductivité hydraulique. La mise en œuvre de ces méthodes est cependant laborieuse, ce qui limite la caractérisation sur de grands territoires. Pour atténuer cette limitation, l’objectif principal de cette thèse est de combiner des essais hydrauliques de l’anisotropie de la conductivité hydraulique à des levés de résistivité électrique. L’intérêt des levés électriques est que ceux-ci ont une sensibilité à l’anisotropie similaire aux essais hydrauliques tout en permettant une plus grande couverture spatiale. Le parachèvement de cet objectif a été réalisé en trois temps. Dans un premier temps, les détails de l’algorithme d’inversion électrique anisotrope développé sont présentés ainsi que son application à travers une étude synthétique d’un milieu fortement anisotrope. Pour ce faire, des levés de résistivité électrique de surface et en puits ont été acquis et inversés selon une procédure spécifique favorisant la reconnaissance de l’anisotropie des matériaux géologiques. L’anisotropie électrique ainsi obtenue se compare favorablement à l’anisotropie de conductivité hydraulique estimée par essais hydrauliques. Ces résultats suggèrent que la circulation du courant électrique dans les matériaux géologiques exempts de particules argileuses se fait de manière similaire à l’écoulement de l’eau, et permet ainsi de substituer l’anisotropie hydraulique à l’anisotropie électrique. Cette étude montre que la tomographie électrique a la capacité de reproduire l’état électrique du sous-sol de manière réaliste avec une erreur faible, même lorsque celui-ci présente une forte anisotropie. Elle a également permis de procéder à une analyse de sensibilité révélant les dispositions d’électrodes aptes à résoudre le problème inverse en milieu anisotrope. Par la suite, les résultats de l’étude synthétique sont appliqués à un aquifère granulaire présentant une forte anisotropie de conductivité hydraulique au site d’étude de Saint-Lambert-de-Lauzon près de Québec. Finalement, en se basant sur la similarité entre les différentes anisotropies, une approche d’assimilation des données hydrauliques et électriques est proposée. Cette approche combinant la simulation stochastique bayésienne et l’optimisation par la méthode de déformation graduelle permet de produire un modèle unique de conductivité hydraulique anisotrope. La vérification avec des essais hydrauliques indépendants du processus d’assimilation indique que l’approche permet de reproduire avec succès le comportement fortement anisotrope de l’écoulement souterrain. Cette thèse montre ainsi que l’hydrogéophysique permet la caractérisation de la conductivité hydraulique des aquifères, en nécessitant une quantité réduite de données hydrauliques du fait de l’apport de la géophysique, ouvrant ainsi la voie vers de nouveaux développements tels que la caractérisation 3D haute résolution à plus grande échelle.

Hydraulic conductivity has a strong influence on groundwater flow and solute transport in aquifers. Due to the complexity of some geological environments, this property has a generally heterogeneous distribution and exhibits anisotropy at different scales. Although knowledge of the anisotropy of hydraulic conductivity is essential for the assessment of water resources and the remediation of contaminated sites, this parameter is often neglected because its estimation is complex. Some hydraulic methods based on well tests have recently been developed to estimate the anisotropy of hydraulic conductivity. However, the implementation of these methods is laborious, which limits the characterization over large areas. To mitigate this limitation, the main objective of this thesis is therefore to combine hydraulic tests of hydraulic conductivity anisotropy with electrical resistivity surveys. The interest of electrical surveys is that they have a sensitivity to anisotropy similar to hydraulic tests while allowing a greater spatial coverage. The completion of this objective was achieved in three stages. First, details of the anisotropic electrical inversion algorithm developed are presented as well as its application through a synthetic study of a highly anisotropic medium. For this purpose, surface and borehole electrical resistivity surveys were acquired and inverted according to a specific procedure that promotes the recognition of the anisotropy of geological materials. The electrical anisotropy thus obtained compares favourably with the anisotropy of hydraulic conductivity estimated by hydraulic tests. These results suggest that the flow of electric current in geological materials free of clay particles is similar to the flow of water, thus allowing the substitution of hydraulic anisotropy for electric anisotropy. This study shows that electrical tomography has the ability to realistically reproduce the electrical state of the subsurface with low error, even when the subsurface presents high anisotropy. It also allowed a sensitivity analysis to be carried out, revealing electrode arrangements able to solve the inverse problem in an anisotropic environment. Subsequently, the results of the synthetic study are applied to a granular aquifer with high hydraulic conductivity anisotropy at the Saint-Lambert-de-Lauzon study site near Quebec City. Finally, based on the similarity between the different anisotropies, a hydraulic and electrical data assimilation approach is proposed. This approach, combining Bayesian stochastic simulation and optimization using the gradual deformation method, produces a unique anisotropic hydraulic conductivity model. Verification with hydraulic tests independent of the assimilation process indicates that the approach successfully reproduces the highly anisotropic behaviour of groundwater flow. This thesis shows that hydrogeophysics allows the characterization of hydraulic conductivity in aquifers, requiring a reduced amount of hydraulic data due to the contribution of geophysics, thus opening the way to new developments such as high-resolution 3D characterization at larger scale.


identifier: Vieira Ribeiro Paulo, Maria João  (2018). Platinum and platinum-ceria catalysts for the electro-oxidation of ethanol.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 174 p.

subject: énergie matériaux

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.Direct ethanol fuel cells (DEFCs) are a promising system and a potential sustainable power source for portable, mobile, and stationary applications. The successful application of the direct ethanol fuel cells depends on the availability of a catalyst capable of breaking the carboncarbon (C-C) bond leading to the complete oxidation of this fuel to carbon dioxide and water, releasing 12 electrons through an external circuit. Pure Pt is the state of the art electrocatalyst for the oxidation of ethanol but it suffers from some limitations such as poisoning by COintermediates, resulting in a slow ethanol oxidation reaction kinetics and incomplete oxidation with the formation of by-products such as acetaldehyde (two-electron oxidation) or acetic acid (four-electron oxidation). In this work we aim at increasing the activity of Pt for ethanol oxidation, but using an approach that differs from the traditional which consists of carbon-supported platinum catalysts. Instead, we show that the electrocatalytic activity of unsupported Pt nanoparticles (NPs) for the ethanol oxidation in acid medium can be significantly enhanced by the addition of very small amounts of CeO2 nanoparticles ( 5 wt%). In order to understand and to compare the effect of ceria on Pt nanoparticles with different particle sizes, catalysts with the same composition were synthesized by two different methods, the Pechini (sol-gel) and reduction (solution-based) methods. Variations explored in this work to control and compare the size of the Pt particles include: a 1, 5 and 10 times dilution of the polymeric matrix for the Pechini method, and the addition of a citrate stabilizer for the reduction method. In the first method, Pt NPs with sizes ranging from 4 to 40 nm were obtained, whereas in the reduction method much smaller nanoparticles, with sizes varying between 2 and 6 nm, were synthesized. Comparative studies on the Pt, Pt-CeO2-1wt% and Pt-CeO2-5wt% catalysts synthesized by both methods revealed the existence of two different effects. In the Pechini method (larger particles), a strong electronic interaction between the Pt and CeO2 nanoparticles was demonstrated by a systematic shift of the Pt 4f7/2 peak to lower binding energies (BE) with the addition of CeO2. As a result, the current density normalized to Pt’s electrochemical surface area for ethanol oxidation increased up to 10  by adding 1 wt% CeO2. This positive effect is however hindered by a high coverage of the Pt nanoparticles surface by CeO2 which results in the decrease of active sites. In this sense the addition of more CeO2 (PtCeO2-5wt%) was detrimental for the catalytic activity. Because there is no sharp distinction between the nanoparticle size and ceria effects, there is no evidence of a size effect on the catalysts produced by the Pechini method. In the reduction method, we observed sharp shifts of the binding energy to higher values of Pt 4f7/2 with a decreased of the size of Pt nanoparticles. Assuming the Wertheim’s equation that establishes an inverse proportionality between the binding energy and the particle size of spherical-like clusters, there is evidence for the existence of size effect (final state effect). As expected, this relation is even more pronounced on the citrate-stabilized nanoparticles that correspond to the smallest catalysts produced in this work. In this sense we can remark a progressive BE increase from 71.4 eV (Pt-cit) to 71.9 eV (PtCeO2-1wt%-cit) which is inversely related by a decrease in the Pt-cit particle size from 4 (Pt-cit) to 2 nm (PtCeO2-1wt%-cit). The addition of 5wt% CeO2 to Pt-cit corroborates the same trend but its BE varies less than the 1wt% CeO2 since the last two composites show almost the same particle size. Thus, this enhancement is more meaningful on samples containing Pt-CeO2 1 wt%-cit and in Pt-CeO2-5wt% with current densities for ethanol oxidation of 2.7 Am-2 and 4 Am-2 respectively. Moreover, PtCeO2-5wt%, presents the ideal size for ethanol oxidation (3 nm) to which is ascribed the best compromise between structural and electronic effects and/or oxophilicity effects of the Pt surface in order to favor the formation of CO2. The HNMR analysis of the liquid products obtained from a 5h ethanol oxidation reaction showed different selectivity: PtCeO2-1wt%-cit produced slightly more acetaldehyde than acetic acid, whereas PtCeO2-5wt% produced only a small amount of acetic acid. As PtCeO2-1wt%-cit revealed a higher amount of Ce (III) and liquid products, it is possible that the ethanol oxidation to acetaldehyde and acetic acid, that requires the presence of oxygen-containing species, occurs via Ce2O3/CeO2.


identifier: Nasri, Raouia  (2015). Nouvelles techniques avancées de modération des effets de l’interférence sur des réseaux LTE hétérogènes à très hauts gains en débits de transmission.  Thèse.  Québec, Doctorat en télécommunications, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 154 p.

subject:
LTE
HetNet
femtocell
macrocell
interférence
évitement
annulation
simulations
niveau lien
niveau système
interference
avoidance
cancellation
system level simulations
link level simulations

abstract:
Dans cette thèse, on étudie un système LTE afin d’évaluer sa performance et sa conformité aux exigences cités par l’UIT. Par la suite, on considère un réseau hétérogène HetNet (Heterogeneous Network) pour un système LTE à spectre partagé. Notre HetNet est composé de cellules femto à faible puissance déployées conjointement avec les cellules macro. Cette nouvelle structure en couches génère de l’interférence qui dégrade la performance du réseau. Pour résoudre ce problème dans les HetNets, on propose une stratégie d’annulation et une stratégie d’évitement de l’interférence pour la réduire au niveau de l’usager. Pour exploiter les résultats obtenus par les deux stratégies proposées quand elles sont appliquées séparément, on applique les deux stratégies conjointement pour bénéficier de leurs avantages respectifs. La stratégie qui en résulte, MUCICA pour Mitigation through Uncoordinated Interference Cancellation and Avoidance, a pour objectif d’améliorer la capacité du système tout en réduisant sa complexité. D’un côté, on considère une nouvelle stratégie d’annulation d’interférence sur le lien descendant (DL-IC) qui réduit l’interférence au niveau de l’usager en optimisant son SINR reçu (signal to interference plus noise ratio). D’un autre côté, on propose une stratégie d’évitement d’interférence où les cellules macro se voient réduire leur puissance de transmission durant certaines sous-trames pour réduire l’effet de l’interférence sur le lien descendant sur les cellules macro et femto voisines. On l’appelle low-power almost blank subframes (LP-ABS). Les deux stratégies, DL-IC et LP-ABS, permettent d’améliorer, séparément, la capacité totale du système ainsi que le SINR reçu par l’usager. Quand elles sont appliquées conjointement sous la forme MUCICA, la performance est remarquablement améliorée: on obtient un gain important en termes de débit total ainsi qu’une réduction significative en termes de complexité.

In this thesis, we study an LTE system to evaluate its performance and its conformity to ITU requirements. Then, we consider an LTE spectrum-sharing heterogeneous network (HetNet) with low-power femtocells that are deployed jointly with macrocells. This new cell layer generates interference that degrades network performance. To mitigate this critical issue in HetNets, we proposed interference mitigation and cancellation strategies to reduce the resulting interference at the user equipment. To go beyond the results obtained using our two proposed strategies when applied separately, we proposed to combine both interference cancellation and avoidance techniques to benefit from their respective advantages. The resulting strategy, MUCICA for Mitigation through Uncoordinated Interference Cancellation and Avoidance, aims at enhancing the overall system capacity at relatively low complexity. On one hand, we consider a new downlink interference cancellation (DL-IC) strategy for spectrum-sharing LTE (Long Term Evolution) HetNet that reduces the interference impact on users by optimizing their received signal to interference plus noise ratio (SINR). On the other hand, we propose an interference avoidance strategy with macrocells’ reduced power subframes referred to as low-power almost blank subframes (LP-ABS). The latter instructs macrocells to transmit with reduced power during some specific subframes to minimize the effect of downlink interference on femtocells and neighboring macrocells. When implementing DL-IC and LP-ABS separately, systemlevel simulations do suggest that both global network performance and user experience in terms of total throughput and received SNR or link-level throughput, respectively, are significantly enhanced, indeed. However, much more significant gains both in performance and complexity can be achieved by combining both newly proposed DL-IC and LP-ABS interference mitigation strategies.


identifier: Safaei mohammadabadi, Reza  (2020). Towards the advanced high-energy multidimensional laser technology through harnessing the spatiotemporal nonlinear enhancement.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 150 p.

subject: états solitoniques multidimensionnels

subject: non-linéarité par transition Raman stimulée

subject: non-linéarité par effet Kerr

subject: régime multi-TéraWatt (TW)

subject: fibre creuse (HCF)

subject: génération d’harmoniques d’ordres élevés (“High Harmonic Generation – HHG”) et laser ytterbium (Yb)

subject: multidimensional solitary states

subject: multidimensional intermodal dynamics

subject: Raman nonlinearity

subject: Kerr nonlinearity

subject: multi-TeraWatt (TW) regime

subject: hollow core fiber (HCF)

subject: high harmonic generation (HHG) and ytterbium (Yb) lasers

abstract:
Cette thèse peut être résumée en trois parties. D'abord, nous étudions les principes de la compression d'impulsions ultra-brèves dans des fibres creuses (“Hollow core fiber – HCF”) en régime monomode. Des simulations numériques et des expériences étudiant l’élargissement spectral dans les fibres creuses avec un gaz inactif d’un point de vue des transitions Raman sont réalisées. Dans la deuxième partie, nous démontrons une nouvelle approche pour augmenter l'efficacité de l'élargissement spectral vers les grandes longueurs d’onde (vers le rouge) dans des fibres creuses remplies d’un gaz actif en transition Raman. La contribution rotationnelle via des transitions Raman à l'indice de réfraction non linéaire provient de l'alignement des molécules interagissant avec le champ laser, modélisée en solutionnant l'équation de Schrödinger dépendante du temps. Nous constatons que l'alignement induit par des impulsions laser dont la durée est comparable à l'échelle de temps caractéristique de l'alignement améliore l'élargissement spectral décalé vers le rouge par rapport aux gaz nobles (inactif du point de vue Raman). L'applicabilité de cette approche à la technologie laser ytterbium (Yb) ayant des durées d'impulsion plus longues (des centaines de femtosecondes) que les laser Titane-Saphir (Ti-Sa, quelques dizaines de femtosecondes), pour laquelle un élargissement efficace basé sur la non-linéarité par effet Kerr conventionnel est difficile à réaliser, est découverte. Cette approche introduit une nouvelle façon d'augmenter la puissance crête des laser ytterbium et de possiblement atteindre le régime multi-TéraWatt (TW) est discuté. Par ailleurs, cette approche a le potentiel de rendre les systèmes d’élargissement spectral plus compact. Enfin, nous explorons la propagation d'impulsions non-linéaires en régime multimode à travers des simulations numériques multidimensionnelles et comparons avec nos résultats expérimentaux. Dans ce régime, des effets non-linéaires se produisent entre les modes, et des quantités comme l'énergie, la phase et la fréquence sont modifiées sur une base intermodale. Nous constatons qu'en contrôlant la dynamique intermodale multidimensionnelle, il est possible de fournir une non-linéarité suffisante pour contrer la diffraction potentielle tout en maintenant le diamètre du faisceau constant en régime de haute énergie. De plus, nous démontrons plusieurs caractéristiques clés du régime spatio-temporel contrôlé qui sont contre-intuitives, et elles sont opposées aux résultats obtenus à partir d'un élargissement spectral basé sur la non-linéarité par effet Kerr. La capacité de générer des champs lumineux cohérents de haute énergie et de contrôler leurs caractéristiques spatio-temporelles pourrait conduire à des percées en optique et photonique grâce à un large éventail d'applications telles que l'augmentation de la puissance, la génération de sources accordables ultra-large bandes à grande longueur d'onde et l’augmentation de l’énergie de coupure obtenue par génération d'harmoniques d’ordres élevés (“High Harmonic Generation – HHG”). Au-delà de telles percées technologiques, la formation d’états solitoniques multidimensionnels de haute énergie dans une fibre creuse remplie de gaz moléculaire actif du point de vue Raman combine les avantages d'une capacité à plusieurs modes avec une faible dispersion modale et une dispersion et une non-linéarité réglables en pression. Cela fournit une perspective innovante pour l'exploration des concepts de multidimensionnalité dans d'autres systèmes physiques qui sont limités par des conditions expérimentales complexes.

 This dissertation can be summarized in three parts. First, we study the principles of the pulse compression in gas filled hollow core fibers (HCF) in single mode regime. Simulations and experiments about the spectra after the fiber filled with Raman inactive gas are studied. In the second part, we demonstrate a new approach for scaling the efficiency of spectral broadening towards the red in HCF filled with Raman active medium. The rotational Raman contribution to the nonlinear index arises from the alignment of molecules interacting with the laser field, modeled by solving the time-dependent Schrödinger equation. We find that alignment induced by laser pulses whose duration is comparable to the characteristic timescale of alignment, enhances the red-shifted spectral broadening compared to noble gases. The applicability of this approach to state-of-the-art ytterbium (Yb) laser technology with longer pulse durations (hundreds of femtoseconds) is discovered, for which efficient broadening based on conventional Kerr nonlinearity is challenging to achieve. This approach paves a new way to upscale the peak power to the multi-TeraWatt (TW) regime while increasing the compactness of nonlinear systems. Finally, we explore nonlinear pulse propagation in multimode regime through multidimensional numerical simulations and compare with our experimental results. In this regime, nonlinear effects occur between modes, and quantities like energy, phase and frequency are modified on an intermodal basis. We find that by controlling multidimensional intermodal dynamics, it is possible to provide sufficient nonlinearity to counter the potential diffraction while keeping the beam diameter constant in high-energy regime. Furthermore, we demonstrate several key features of the controlled spatiotemporal regime which are counter-intuitive, and they are opposite to the results obtained from spectral broadening based on Kerr nonlinearity. The ability to generate high-energy and spatiotemporally engineered coherent light fields is expected to lead to breakthroughs in laser science through a wide range of applications such as power scalability, the generation of tunable ultra-broadband long-wavelength sources and scaling of high harmonic generation (HHG) cut-off to generate higher photon energies. Beyond these technology breakthroughs, the formation of high-energy multidimensional solitary states in a molecular gas-filled large core HCF combines the advantages of a many–modes capacity with low modal dispersion and pressure-tunable dispersion and nonlinearity. This provides an influential horizon for the exploration of multidimensionality concepts in other physical systems which are limited by complex experimental conditions.


identifier: Kumar, Pratik  (2020). Systèmes de biofiltres avancés pour l'élimination efficace de la microcystineleucine arginine et les principaux polluants de l'eau.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de l'eau, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 445 p.

subject:
microcystine-LR
eau potable
biodégradation
adsorption
biofiltre
sable
graphène
sable enrobé
dynamique des fluides numérique
mise à l’échelle
microcystin-LR
drinking water
biodegradation
adsorption
biofilter
sand
graphene
coated sand
computational fluid dynamics
scale-up

abstract:
La transcription des symboles et des caractères spéciaux utilisés dans la version originale de
ce résumé n’a pas été possible en raison de limitations techniques. La version correcte de ce
résumé peut être lue en PDF. La microcystine-LR (MC-LR) est la toxine provenant d’une algue la plus répandue dans l’écosystème aquatique. La MC-LR est principalement excrétée par l’espèce dominante Microcystis aeruginosa de manière extracellulaire pendant les fleurs d’eau (« bloom »). Les changements climatiques et l’intervention humaine permettent désormais le déclenchement des fleurs d’eau tout au long de l’année, particulièrement durant les saisons d’été et d’automne. L’utilisation des eaux de surface en tant que source d’eau potable oblige maintenant les usines de filtration des eaux potables (UFE) à traiter la MC-LR afin d’éliminer les toxines de l’eau et la rendre sécuritaire pour la consommation humaine. Plusieurs méthodes conventionnelles de traitement telles que l’ozonation et la chloration se sont montrées efficaces pour l’enlèvement de la MC-LR. Cependant, leur utilisation peut mener à la formation de sous-produits toxiques et ces méthodes sont sensibles aux différentes conditions d’opération, incluant le pH, et la présence de composés organiques naturels et d’autres polluants organiques. Une option prometteuse est l’utilisation des procédés biologiques. Ces procédés ont démontré la possibilité de produire une eau exempte de toxine MC-LR, mais les cinétiques de dégradation obtenues étaient lentes (de 10 à 100 µg MC-LR L-1 d -1 en présence d’un média en suspension). Dans cette étude, l’idée d’une méthode biologique par biofiltre (procédé par média fixé) utilisant un sable non-modifié et modifié comme média adsorbant pour éliminer la MC-LR et d’autres contaminants des eaux est explorée. La faisabilité des biofiltres à sable (« biosand filters ») pour l’enlèvement de la MC-LR a été explorée afin d’éviter la production de sous-produits toxiques et d’offrir une option de modernisation du procédé de traitement des UFE existantes. Les communautés bactériennes indigènes (Pseudomonas fragi and Chryseobacterium sp., identifiées par « X ») ayant la capacité de dégrader la MC-LR ont été isolées à partir d’une unité de filtration de l’usine de filtration du Chemin Ste-Foy, Québec, Canada. Ces bactéries indigènes ont été individuellement cultivées en présences de 3 espèces de bactéries capables de dégrader la MC-LR (Arthrobacter ramosus (A), Bacillus sp. (B) Sphingomonas sp. (S)). Ensuite, chacune des co-cultures (X+A, X+B and X+S) a été mise à l’essai pour la biodégradation de la MC-LR et l’enlèvement d’autres contaminants des eaux avec deux configurations de biofiltre : a) filtre à sable (filtre statique), et a) réacteur à biofilm à lit mobile (« RBLM », filtre dynamique). Dans tous les cas, la concentration initiale en MC-LR était de 50 µg/L. Le RBLM a démontré un taux de dégradation de la MC-LR significativement plus faible que le filtre à sable (>70% d’enlèvement en 36 heures), nécessitant d’important temps de rétention. De son côté, le biofiltre à sable a démontré un taux d’enlèvement <50% de la MC-LR avec un temps de rétention d’environ une heure (filtre témoin). De plus, >80% d’enlèvement de la MC-LR a été obtenue avec un biofiltre bioaugmenté avec la culture S+X. Cependant, ce filtre a démontré une plus faible activité biologique (par rapport à la formation du biofilm) à la surface des grains de sable et une percée prématurée du filtre (<1 semaine d’opération) par la MC-LR a été observée dans l’eau filtrée. Afin de contrer ce défi, l’activité bactérienne a été améliorée par l’utilisation de résidus d’agriculture (fibre de chanvre, boues de désencrage, boues de pâtes et papier déshydratées) comme matériaux filtrants de surface potentiels. Ces matériaux ont démontré desefficacité d’enlèvement de la MCLR de >85%. Cependant, les longs temps de résidence (>2 heures) et les phénomènes de percée prématurée ont persisté et demeurent un défi. Par conséquent, le sable adsorbant nécessite des améliorations dans sa porosité et la taille de sa surface spécifique afin d’atteindre des plus faibles temps de résidence et une formation efficace de biofilm, respectivement. La grande taille de la surface de l’adsorbant modifié a également été supposée adsorber une plus grande quantité de MC LR, ce qui permettrait de prolonger la période d’opération avant la percée. Par conséquent, le média de sable a été modifié paur un composite graphène-sable en utilisant une solution de sucre à faible coût (effluent de brasserie comme source de sucre ; GS1), sable de dioxide de manganèse (MN), et leur mélange (GS+MN). À titre de comparaison, le sucrose a été utilisé comme solution de sucre à haut coût pour graphiter le média de sable (GS2). Le GS2 s’est avéré dégrader 10-15% moins de MC-LR et des autres contaminants des eaux que le GS1. Un plus faible temps de résidence hydraulique (< 0.75 heure) et des taux d’enlèvement de la MC-LR s’élevant jusqu’à 98% ont été observés avec le GS1. De plus, le GS1 a démontré un temps de percé jusqu’à 8 fois supérieur à celui du sable pur avec l’absence de lixiviation de la MC-LR pour une période d’opération de plus de 20 semaines. D’autres médias de filtration ont également été synthétisés pour relever les défis mentionnés dans les hypothèses ci-haut (en italique), incluant un sable enrobé d d’oxyde de graphène (GO), un sable enrobé de graphène réduit (rGO), un sable enrobé d’oxyde de Fe (Fe), et un mélange FeGO. Les biofiltre avec médias rGO et GO ont démontré des enlèvements de la MC-LR >85% avec des périodes de percé 5 semaines plus tôt que le biofiltre avec média GS1. En général, le biofiltre avec media GS1 a été identifié comme étant le plus réalisable des filtres, offrant une solution durable à faibles coûts (avec l’utilisation d’effluents de brasseries), qui, en plus d’atteindre un enlèvement complet de la MC-LR, augmente l’enlèvement de 30-40% des autres contaminants retrouvés dans les eaux de surface par rapport aux filtres à sable conventionnels. Comme résultat, la faisabilité de la mise à l’échelle a été évaluée par l’utilisation de programmes informatiques de calcul de dynamique des fluides (Programme : ANSYS/CFX) et la taille minimale suggérée de la dimension du bioréacteur (« minimum subjective bioreactor dimension ») offrant la meilleure canalisation par rapport au régime d’écoulement a été comparée à celle du réacteur à l’échelle laboratoire. L’eau d’un lac pollué a été utilisée comme alimentation pour des essais en laboratoire et analysée pour tous les paramètres importants de la qualité des eaux qui sont habituellement analysés dans les stations de filtration des eaux, incluant la MC-LR. Une simulation de station de filtration des eaux à l’échelle laboratoire, nommée SAP-1©, a été créée pour la mise à l’essai du média GS1. Les essais ont démontré un enlèvement complet de la MC-LR (<1 µg/L). Le module de traitement (Filtre GS1) peut offrir une solution à faible coût aux usines de filtration des eaux pour un enlèvement efficace des contaminants d’eaux de surface et pour l’enlèvement saisonnier ou à l’année des éclosions de MC-LR. Le module GS1 peut aussi agir comme unité de traitement individuelle à des fins domestiques.

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. Microcystin-LR (MC-LR) is the most prominent algal toxin prevalent in an aquatic ecosystem. MC-LR is excreted extracellularly by the cyanobloom dominated by Microcystis aeruginosa. Climate change and human intervention has triggered the cyanoblooms to break all year round, especially during the summer-autumn season. The use of surface water as a drinking water source has necessitated the drinking water treatment plant (DWTPs) operators to treat MC-LR in order to render and avail toxic-free drinking water for human consumption. Various conventional treatment methods such as ozonation and chlorination have shown effective MC-LR removal albeit formation of toxic by-products and found sensitive under various experimental parameters including pH, natural organic matter and other pollutants. On the other hand, biological process was found to undergo toxic-free MC-LR removal but the degradation kinetics were reported slow (from 10-100 µg MC-LR L-1 d -1 under suspended growth mechanism). Herein, this study explores the idea of biological method for the removal of MC-LR and other water quality parameters (WQPs) via biofilter (attached growth mechanism) using non-modified and modified sand as a cheap adsorbent media. The feasibility of MC-LR removal using biosand filters were explored to report no toxic by-products formation as well as quick treatment option to retrofit the research idea in an existing DWTP. The native bacterial community (Pseudomonas fragi and Chryseobacterium sp. named: ‘X’) potent in degrading MC-LR was isolated from the filtration unit of a DWTP, Chemin Ste-Foy, Quebec City, Canada. These native bacteria (‘X’) were co-cultured with three known MC-LRdegraders individually (Arthrobacter ramosus (A+X), Bacillus sp. (B+X) Sphingomonas sp. (S+X)) and tested for MC-LR biodegradation and removal of other water contaminants (water quality parameters: WQPs) using two kinds of biofilter: a) sand filter (static bed filter) and b) moving bed biofilm reactor (MBBRs: dynamic bed filter). In all cases, the initial MC-LR concentration was 50 µg/L. The MBBRs showed a relative slower MC-LR degradation rate (>70% removal in 36 hours) along with a high retention time while the biosand filter showed <50% MCLR removal but with a better retention time (~1 hour: control filter (sand)). Moreover, >80% MC-LR removal was achieved for filter bioaugmented with S+X. However, lower bacterial activity (biofilm formed) over the sand surface and an early leaching/breakthrough (<1 week of filter operation) of MC-LR was observed in the filtered water. To counter this challenge, bacterial activity was enhanced using agro-residues microfibers (hemp fiber, deinking sludge, pulp and paper dried sludge) as a potential ‘filter-top’ material that showed >85% MC-LR removal. However, high retention time (>2 hours) and early leaching phenomenon persisted and remained a challenge. Hence, the sand adsorbent needed enhancement in its porosity and specific surface area to achieve lower retention time and effective biofilm formation, respectively. The high surface area of the modified adsorbent was also hypothesized to adsorb more MC-LR that could help in prolonging the leaching period. Hence, sand media was modified to graphene sand composite using a low-cost sugar solution (brewery effluent as the sugar source: GS1), manganese dioxide sand (MN) and their mixture (GS+MN). As a comparison, sucrose was used as a high-cost sugar solution to graphitize the sand material (GS2) and was found to degrade 10%-15% less MC-LR and other WQPs than GS1. A lower retention time (< 0.75 hour) and high MC-LR removal up to 98% by GS1 was observed. Moreover, GS1 showed a breakthrough time up to 8 times more than the raw sand with no leaching phenomenon observed for over 20 weeks of filter operation. Some other filter media was also synthesized for the above-mentioned hypothesis (in italics) including graphene oxide coated-sand (GO), reduced graphene coated-sand (rGO), iron oxide coated sand (Fe), and FeGO. Biofilter rGO and GO showed >85% MC-LR removal with leaching period less (5 weeks) than GS1 biofilter. Overall, GS1 biofilter was marked as the most feasible filter offering a low-cost sustainable solution (use of waste brewery effluent) that not only achieved a complete MC-LR removal but also an enhanced removal by up to 30%-40% for other WQPs as compared to raw sand. As a result, scale-up feasibility was introspected using the computational fluid dynamics (software: ANSYS/CFX) and ‘minimum subjective bioreactor dimension’ was determined that offered better channelization of fluid regime as compared to the bench-scale filter. The polluted lake water was used as an influent and analyzed for all the important WQPs that are usually checked in a real DWTP, including MC-LR using scale-up GS1 biofilter. A simulated laboratory-scale DWTP micro-model named SAP-1© was created for the above purpose where complete MC-LR removal was observed (< 1 µg/L). The treatment module (GS1 filter) can offer a low-cost solution in a DWTP for an effective removal of WQPs and for the seasonal or year-round breakout of MC-LR in surface water which can also act as a stand-alone treatment module for household purposes.


identifier: Aglieri, Vincenzo  (2020). Tapering resonant nanoantennas for enhanced THz light – nanomatter interactions.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 119 p.

subject: nanoantennes

subject: science et technologie térahertz

subject: interaction renforcée lumièrematière

subject: nano-antenne

subject: scienza e tecnologia terahertz

subject: interazione radiazione-materia migliorata

subject: nanoantennas

subject: terahertz science and technology

subject: enhanced light-matter interaction

abstract:
Au cours des dernières décennies, la technologie Terahertz (THz) est devenue un domaine de recherche fructueux grâce à la promesse d'applications exceptionnelles. L'industrie, la biologie, la médecine et l'ingénierie ne sont qu'une partie des secteurs technologiques à la recherche de nouvelles avancées technologiques. Un tel intérêt trépidant, naît des propriétés particulières et uniques des ondes THz, telles que le caractère non ionisant, l’opacité de nombreux matériaux généralement transparents dans d’autres gammes de fréquences et le potentiel offert, entre autres, pour les technologies de l’information. Une des applications les plus prometteuses est la spectroscopie. En fait, des nombreux matériaux et composés présentent des caractéristiques d’excitation élémentaires dans le régime THz. Pendant de nombreuses années, de telles caractéristiques n'ont pas pu être étudiées en raison de la faible efficacité avec laquelle la longue longueur d'onde associée au rayonnement THz (~300 μm à 1 THz) interagit avec des objets de taille nanométrique (~10 nm). Cependant, grâce aux antennes plasmoniques, capables de localiser la lumière dans des volumes inférieurs à la longueur d'onde, il est possible de faire interagir l’onde THz avec les nanoparticules. Un tel procédé améliore considérablement l'efficacité de l'absorption de nanoparticules, permettant de récupérer des informations spectroscopiques de matières auparavant inaccessibles. De plus, des expériences d'interaction lumière-matière sont maintenant possibles dans le régime THz donnant accès, par exemple, à des études de couplage lumière-matière. Néanmoins, les performances des antennes plasmoniques peuvent encore être améliorées pour augmenter l’amélioration de champ et le volume de mode, ce qui, à son tour, accroît l’efficacité de la détection des impacts et du couplage lumière-matière. Dans cette thèse, une stratégie est présentée pour améliorer les performances de THz nanoantenne (NA) en termes d’amélioration de champ proche et de volume de mode. Tout d’abord, j’ai démontré qualitativement, par le biais d’un modèle quasianalytique, qu’en augmentant de manière appréciable le champ proche à la pointe, il est possible d’obtenir une augmentation sensible du champ proche à la pointe. La méthode est également validée par le biais de simulations approfondies avec la méthode des éléments finis, dans lesquelles des paires NA coniques, appelées antennes «bowtie», en or, résonant à 1 THz et couplées par un intervalle de 30 nm (le gap), montrent un champ proche amélioré de plus de deux fois et un volume de mode réduit de sept fois dans l’espace lorsqu’il est effilé avec un angle de conicité optimal. Cinq échantillons à différents angles de conicité ont été fabriqués et caractérisés pour valider expérimentalement cette méthode. Les caractérisations par spectroscopie dans le domaine temporel THz (THz-TDS) ont révélé un bon accord avec les résultats de la simulation, confirmant la validité des études théoriques. Dans la dernière partie de cette thèse, nous montrons comment cette méthode peut être efficacement utilisée pour réaliser des NAs en forme de lune (moon antennes), convenant à des expériences de couplage fort améliorées. De plus, il est également démontré numériquement l’applicabilité plus large de cette méthode dans la gamme de fréquences infrarouges (IR) et pour antennes fabriquée avec des matériaux alternatifs à l'or.

Nel corso degli ultimi decenni la tecnologia terahertz (THz) è diventata un fruttuoso campo di ricerca grazie alla spinta ricevuta dal desiderio di sfruttarne le promettenti applicazioni in questa porzione dello spettro elettromagnetico. La biologia, la medicina e l’ingegneria sono soltanto alcuni dei settori che guardano con interesse alle ultime scoperte nella ricerca sulle onde THz. Questo enorme interesse nasce dalle peculiari proprietà di tali onde, come ad esempio: il carattere non ionizzante, l’opacità di svariati materiali solitamente trasparenti in altri intervalli di frequenze e per le potenziali ricadute positive nel campo della tecnologia dell’informazione. Una fra le applicazioni più interessanti consiste nell’uso delle onde THz per la spettroscopia. Infatti molti materiali presentano delle risonanze in questo campo di radiazione, e il loro studio darebbe accesso a molte e preziose informazioni che potrebbero svelare proprietà della materia ancora sconosciute. Per molti anni, tali risonanze non sono state studiate a causa della relativamente grande lunghezza d’onda corrispondente alla radiazione THz (~300 μm a 1 THz) da cui conseguiva una scarsa efficienza di accoppiamento con oggetti di dimensioni nanometriche. Tuttavia grazie alle antenne plasmoniche, che sono in grado di localizzare la luce assorbita in uno spazio il cui volume è inferiore alla lunghezza d’onda coinvolta, noto come volume modale, è possibile far interagire le onde THz con delle nano-particelle. Tale metodo ha migliorato a tal punto l’efficienza di assorbimento delle nano-particelle della radiazione THz che è stato reso possibile recuperare informazioni spettroscopiche della materia a cui prima non si aveva accesso. Inoltre grazie a questa tecnica è possibile effettuare proficuamente molti altri esperimenti nel regime THz, come ad esempio quelli sull’accoppiamento forte tra radiazione e materia. Cionondimeno le prestazioni delle antenne plasmoniche non sono ottimali e possono essere ulteriormente migliorate per aumentare il “field enhancement”, cioè il tasso di incremento del campo elettrico ottenuto dal confinamento generato dalle antenne plasmoniche all’interno del volume modale, che a sua volta influisce fortemente sull’efficienza e la qualità degli esperimenti nel regime THz. In questa tesi viene presentata una strategia per il miglioramento delle prestazioni di nano-antenne (NA) THz sia in termini di field enhancement che di volume modale. Tale strategia consiste nell’attenta rastremazione di NA cilindriche in oro, così da formare dei coni troncati. Per prima cosa, mostro attraverso un modello quasi-analitico che tale strategia, per mezzo di un angolo ottimo di rastremazione, permette di ottenere un miglioramento considerevole delle prestazioni. Successivamente il metodo di rastremazione delle antenne viene validato attraverso l’uso di un simulatore software, col quale vengono simulate coppie di antenne a diversi angoli di rastremazione, separate da un gap di 30 nm e risonanti attorno a 1 THz. Da tale studio si trova che in corrispondenza dell’angolo ottimo, le NA rastremate mostrano il doppio di field enhancement e un volume modale sette volte inferiore a quello offerto da una antenna non rastremata. Lo stesso software è utilizzato per ricavare il design di cinque campioni per la fabbricazione. Su tali campioni è stata eseguita una caratterizzazione ottica nel THz attraverso un sistema di spettroscopia THz nel dominio del tempo (THz-TDS), e il risultato è in accordo con i risultati simulati ottenuti durante il design degli stessi, confermando la validità degli studi teorici. Nell’ultima parte di questa tesi viene mostrata anche l’applicazione di questo metodo per il miglioramento della risposta delle antenne moon (caratterizzate da una geometria alternativa a forma di luna) realizzate nell’ambito di esperimenti di accoppiamento forte radiazione-materia. Inoltre lo stesso metodo viene qui mostrato essere valido anche in altri regimi di frequenza, in particolare nell’infrarosso.

In the last decades, Terahertz (THz) technology has become a fruitful research field thanks to the promise of outstanding applications. Industry, biology, medicine and engineering are only a part of the technological sectors looking into THz researches for the latest advances. Such hectic interest born from the peculiar and unique properties of the THz waves, such as the non-ionizing character, the transparency of many materials usually opaque in other frequency ranges, and the potentiality offered for information technologies, among others. One of the most promising application is spectroscopy. In fact, many materials and compounds present elementary excitation features in the THz regime. For many years, such features could not be exploited with nanosystems because of the poor efficiency with which the long wavelength associated to THz radiation (~300 μm at 1 THz) interacts with nanosized objects (10 nm). However, thanks to plasmonic antennas, capable of localizing light in sub-wavelength volumes, it has become possible to make the long THz wave interacting with nano-particles. Such method greatly enhances nano-particle absorption allowing to retrieve spectroscopic information of nanomatter previously not accessible. Moreover, lightnanomatter interaction experiments are now possible in THz regime giving access to, e.g., strong THz light-nanomatter coupling studies. Nevertheless, the performance of plasmonic antennas can be still improved to increase the field enhancement and reduce the mode volume, which in turn impact sensing and light-matter coupling efficiency. In this thesis, a strategy is presented to improve THz nanoantenna (NA) performance in terms of near field enhancement and mode volume reduction. First, I qualitatively show through a quasianalytical model that by judiciously tapering gold NAs, an appreciable increase of the near field at the tip can be achieved. The method is also validated through extensive finite element method simulations, where gold bow-tie NA pairs, resonating at 1 THz and coupled by a 30-nm-wide gap, show a more than two-fold enhanced near field and a seven-fold reduced mode volume in the gap when tapered with an optimum angle. Five samples at different tapering angles have been fabricated and characterized to experimentally validate such method. The THz time domain spectroscopy (THz-TDS) characterizations revealed a good agreement with the simulation results, confirming the validity of the theoretical studies. In the last part of this thesis, it is shown how this method can be effectively extended to other geometries, in particular to realize “moon-shaped” NAs suitable for improved strong coupling experiments. Moreover, it is also numerically demonstrated the applicability of this method to higher frequencies, up to the infrared (IR) range.


identifier: Bensekhria, Ahmed Abderrahim  (2020). Élaboration de couches minces de ZnO:V transparentes conductrices à basse pression et à pression atmosphérique pour applications photovoltaïques.  Mémoire.  Québec, Maîtrise en sciences de l’énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 119 p.

subject: oxyde transparent conducteur OTC

subject: oxyde de zinc dopé vanadium ZnO:V

subject: décharge à barrière diélectrique DBD

subject: décharge homogène luminescente à pression atmosphérique APGD

subject: dépôt par Laser pulsé PLD

subject: pulsation laser deposition PLD

subject: dielectric barrier discharge DBD

subject: atmospheric pressure glow discharges (APGD)

subject: transparent conductor oxide TCO

subject: vanadium doped ZnO

abstract:
L’oxyde de zinc dopé vanadium est un prometteur oxyde transparent conducteur OTC qui peut se substituer à l’oxyde d'étain indium, ce dernier est actuellement le plus utilisé dans l’industrie photovoltaïque, un matériau très performant pour les électrodes transparentes, mais son cout d’élaboration et sa rareté ont accéléré la recherche de son remplaçant. La plupart des procédés d’élaboration de couches minces fonctionnent à basse pression, ce qui implique un temps d’attente très important pour la mise sous vide et des couts d’installations très élevés. Le dépôt par ablation laser PLD est la technique sous vide la plus connue pour élaborer des couches de haute qualité cristalline. Récemment, des systèmes plasmas hors équilibre à pression atmosphérique ont été conçus et exploités pour l’élaboration de couches minces. Nombreux sont les défis qui se présentent dans la voie de l’industrialisation de ces procédés ; la maitrise des paramètres du dépôt, la stabilité du processus et l’homogénéité de dépôt. Cette maitrise vise dans un premier temps l’optimisation des conditions de réalisation des couches minces de ZnO:V par PLD. Plusieurs paramètres ont été étudiés ; la concentration de vanadium dans la cible métallique de zinc, la fluence du laser, la pression de l’oxygène et la température du substrat dans l’optique d’avoir des couches denses avec une bonne transmission dans le domaine du visible et une meilleure conductivité électrique. Aux conditions optimales, La transmission optique dans le visible est de l’ordre de 80% et la résistivité électrique est proche de 10⁻⁴ Ohm·cm. Dans un deuxième temps, Un procédé innovant de dépôt contrôlé par barrière diélectrique fonctionnant à pression atmosphérique a été conçu. L’innovation dans ce procédé se caractérise par la séparation du dépôt en deux zones. Le procédé ne fait pas recours aux liquides, ce qui le rend totalement un dépôt par voie physique. Le défi dans cette approche est d’avoir un taux de pulvérisation très élevé tout en assurant un dépôt homogène. En raison de la pandémie de COVID-19, le travail expérimental n’a pas été effectué dans sa totalité, Une étude d’un modèle 1D de simulation basé sur nos conditions expérimentales a eu lieu. Cette dernière s’est inscrit e dans la même optique, avoir une meilleure compréhension de la physique des décharges homogènes et luminescentes utilisées dans le procédé du dépôt. Les simulations montrent que la configuration optimale dans la zone de pulvérisation est la configuration double fréquence RF-5MHz+BF-50kHz polarisée avec une forte tension BF. Dans la zone de dépôt, l’ajout d’une polarisation BF-5 kHz à la décharge 50 kHz augmente légèrement le flux ionique à la cathode et ne modifie pas les caractéristiques de la décharge 50kHz.

 Vanadium doped ZnO (ZnO:V) is a promising transparent conductor oxide material (TCO). Up to now, the Indium tin oxide ITO is the most wildly used TCO in many applications, but there are ongoing global pushes to replace it because of sustainability (Indium is a rare material) and price concerns. Production costs are not limited to the used materials, their manufacturing costs are becomin g very large and they also must be optimized, most of them are operating under vacuum. The pulsed laser deposition PLD is by far the most sophisticated low pressure method, popular for the deposition of oxide semiconductors. Recently, Atmospheric Pressure Glow Discharges (APGD) have recently attracted much attention, pushed by their potential to rival low -pressure glow discharges and their facilitation of different applications through the replacement of indispensable vacuum systems. The aim of this master thesis is twofold. Firstly, the optimization of vanadium doped zinc oxide ZnO:V film properties deposited at low pressure for photovoltaic application. Thin films of ZnO:V were deposited by PLD under a variety of growth conditions, the vanadium concentration in the Zn metallic target, the oxygen pressure, the laser fluence, and the substrate temperature were varied to optimize the growth conditions for a higher electric conductivity and a high transmission in the visible region ac cording to the device demand. At optimal conditions, the film shows very low resistivity ≈4x10⁻⁴ Ohm·cm and very high optical transmittance in the visible region 80%. Secondly, The optimization of the deposition process for low -temperature growth of ZnO:V on large area at atmospheri c pressure. Another challenge for ZnO:V at these conditions is the deposition uniformity., For that, a novel method of deposition at atmospheric pressure using a dielectric barrier discharge DBD was used, a totally physical method without using liquids or precursors. The challenge in this work is to find the best frequencies combination to get a high sputtering rate of the ZnO:V nanoparticles target and a good deposition uniformity. Experiments couldn’t be accomplished as there were expected due to the rec ent events regarding COVID-19. A computational study took place and we are able to investigate different DBD configurations with the aim to find a compromise between the power injected and the ion flux to the target, which is a key parameter for a high deposition rate. The optimal configuration in the pulverization zone was found to be the dual frequency discharge RF-5MHz+LF50kHz biased with a high LF voltage (>600 V). In the deposition zone, adding the LF-5kHz polarization to the BF-50kHz discharge enhances slightly the ion flux to the cathode and it doesn’t change the BF -50kHz behavior.


identifier: Chouteau, Simon  (2020). Synthèse et caractérisation de couches minces de VO₂ et HfO₂ pour intégration aux régulateurs thermiques spatiaux SRD.  Mémoire.  Québec, Maîtrise en sciences de l’énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 75 p.

subject: énergie matériaux


identifier: de Jesus Junior, Belmir Jose  (2020). Exploring resting state eeg and mri features to predict Alzheimer’s disease severity leve.  Mémoire.  Québec, Maîtrise en télécommunications, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 99 p.

subject:
la maladie d’Alzheimer
électroencéphalographie
imagerie par résonance magnétique
la gravité de la maladie d’Alzheimer
Alzheimer’s disease (AD)
electroencephalography (EEG)
magnetic resonance imaging (MRI)
AD severity

abstract:
Le nombre de personnes atteintes de démence a augmenté, car l’espérance de vie mondiale augmente également. La maladie d’Alzheimer est encore aujourd’hui une maladie incurable et irréversible. Cependant, le développement de thérapies visant à ralentir les premiers stades de la maladie a été une option de traitement prometteuse pour les personnes qui en souffrent. Par conséquent, les diagnostics précoces actuels constituent toujours un défi puisque l’apparition des symptômes est susceptible de se produire vingt ans après l’apparition des changements physiologiques associés à la maladie. De ce fait, le diagnostic repose sur des analyses invasives ou extensives, tout comme les évaluations cognitives, qui s’appuient principalement sur des tests "papier-crayon", nécessitant des professionnels de santé spécialisés. L’importance de mesurer la capacité cognitive des patients à évaluer les traitements possibles et même à mesurer le taux de progression de la maladie exige une technologie plus accessible et plus abordable. Dans cette thèse, une tentative de développement d’un système automatisé capable de prédire le score du mini-état mental des patients ayant reçu un diagnostic de maladie d’Alzheimer au stade léger a été étudiée. Le système a été mis en œuvre à partir de l’exploration des caractéristiques extraites des signaux d’électroencéphalographie et des scanners d’imagerie par résonance magnétique. Tout d’abord, des techniques de sélection des caractéristiques ont été appliquées pour choisir les caractéristiques qui contribueraient le mieux à la tâche. Ensuite, quatre algorithmes de régression différents ont été mis en œuvre en utilisant des caractéristiques dérivées de chaque modalité unique, puis en utilisant deux modalités en combinaison. Les résultats expérimentaux préliminaires ont démontré que l’utilisation des informations complémentaires véhiculées par les mesures EEG et les scanners IRM pourrait être potentiellement utile pour détecter l’état cognitif des patients atteints de la maladie d’Alzheimer, et qu’elle devrait être explorée plus avant.

 There has been an increase in the number of people developing dementia, as global life expectancy also increases. Alzheimer’s disease is still nowadays, an incurable and irreversible disorder. However, the development of therapies to decelerate the early stages of the disease has been a promising treatment option for people suffering from it. Therefore, current early diagnoses is still a challenge since the onset of symptoms is likely to happen twenty years after the physiological changes associated with the disease appears. Due to that, the diagnosis relies on invasive or expansive analyses, and so do the cognitive evaluations, mostly relying on" pencil and paper" tests, which require specialized healthcare professionals. The importance of measuring the patients’ cognitive ability to evaluate possible treatments and even measure the disease’s progression rate demand a more accessible and affordable technology. In this thesis, an attempt to develop an automated system that can predict the Mini-Mental State score of patients that have been diagnosed with Alzheimer’s disease in its mild stage was investigated. The system was implemented from the exploration of features extracted from electroencephalography signals, and magnetic resonance imaging scans. Firstly, feature selection techniques were applied to selected the features that would best contribute to the task. Following, four different regression algorithms’ performance utilizing features derived from each unique modality and then utilizing two modalities in combination. The preliminary experimental results demonstrated that the utilization of the complementary information carried by EEG measurements and MRI scans could be potentially useful for detecting the cognitive state of patients with Alzheimer’s disease, and should be further explored.


identifier: Eddah, Mustapha  (2020). Dépôt et caractérisation de dispositifs photocatalytiques à base de T iO₂ pour traitement de l’eau.  Mémoire.  Québec, Maîtrise en sciences de l’énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 62 p.

subject:
T iO₂
BiV O₄
dépôt par laser pulsé
photocatalyse
dopage par gradient
hétérojonction
traitement de l’eau
sulfaméthoxazole
pulsed laser deposition
photocatalysis
gradient doping
heterojunction
water treatment
sulfamethoxazole

abstract:
La transcription des symboles et des caractères spéciaux utilisés dans la version originale de
ce résumé n’a pas été possible en raison de limitations techniques. La version correcte de ce
résumé peut être lue en PDF.La pollution des réserves d’eau douce et la demande croissante en eau potable constituent une menace sérieuse pour l’humanité et la planète. Les procédés de traitement biologique conventionnels ne sont généralement pas efficaces pour le traitement des divers polluants municipaux et industriels qui pénètrent les masses d’eau. Les processus d’oxydation avancée (POA), tels que la dégradation photocatalytique, se sont révélés remarquablement prometteurs pour le traitement de l’eau, notamment pour la destruction des nouveaux contaminants, toxines naturelles, pesticides et d’autres contaminants nocifs. Le procédé photocatalytique (PC) utilisant le T iO2 a été fortement étudié pour l’élimination des polluants organiques récalcitrants en raison de sa grande activité photocatalytique, de sa stabilité et de sa non-toxicité. Malgré un nombre croissant de recherches sur la photocatalyse à l’aide de T iO2 , ses applications industrielles sont encore limitées. La bande interdite relativement large du T iO2 nécessite une lumière ultraviolette (UV) pour son excitation, qui ne représente que 5% de la lumière solaire naturelle. Il est donc important de développer des photocatalyseurs qui peuvent être activés à la fois sous irradiation UV et visible. Pour pallier le problème du T iO2 présent dans l’eau après traitement, les couches minces sont une solution viable. Il est prouvé que le T iO2 dopé à l’azote (T iO2−xNx ) étend la gamme d’absorption de la lumière de 380 nm à la lumière visible, ce qui entraîne une activité photocatalytique accrue sous lumière visible. Le T iO2−xNx réduit également le taux de recombinaison des électrons et des trous photo-induits. Des couches minces dopées à l’azote à forte activité sous irradiation UV et visible permettraient de remédier aux limites de la photocatalyse du T iO2 dans les procédés de traitement de l’eau. Il est également prouvé que la fabrication d’hétérostructures avec des semi-conducteurs à bande faible bandgap déplacerait la gamme d’activation du T iO2 vers la région visible. Parmi les photocatalyseurs à faible bandgap, le BiV O4 est très prometteur en raison de sa bande interdite de 2,4-2,5 eV. Parmi les différentes méthode de dépôt de T iO2 dopé à l’azote, l’ablation laser pulsé (PLD) est une méthode prometteuse en raison de sa polyvalence, de sa simplicité et de sa grande reproductibilité. Des films dopés à l’azote et à gradient d’azote couche par couche avec différentes porosités ont été synthétisés en utilisant le dépôt laser pulsé (PLD) pour l’élimination du sulfaméthoxazole (SMX) dans l’eau. Le film T iO2 dopé au gradient créerait une homojonction avec des bords de bande potentiels différents ; la séparation des charges serait considérablement améliorée par la flexion de la bande. Des hétérojonctions T iO2 -BiV O4 ont également été déposées en utilisant la même technique pour étudier l’efficacité de l’hétérojonction pour le traitement de l’eau. Les films ont été caractérisés par différentes méthodes, donnant des informations structurelles (MEB, XPS, XRD, UV-Vis, ...) ou fonctionnelles (voltampérométrie linéaire et cyclique, traitement de l’eau, ...) La performance supérieure de T iO2 − g − N dans la région visible a été observée. L’excellente fixation des différentes couches, le taux réduit de recombinaison des électrons photoexcités et la haute porosité ont contribué à ce résultat.

The symbols and special characters used in the original abstract could not be transcribed due
to technical problems. Please use the PDF version to read the abstract. The pollution of fresh water supplies and growing demands for the clean drinking water pose a serious threat to mankind and the planet Earth. Conventional biological treatment processes are generally not effective for treatment of the variety of municipal and industrial pollutants entering into the water bodies. Advanced oxidation processes (AOPs) such as photocatalytic degradation process, have shown remarkable promise in water treatment, including for the destruction of emerging contaminants, naturally occurring toxins, pesticides, and other deleterious contaminants. Photocatalytic (PC) process using T iO2 has been extensively studied for the removal of recalcitrant organic pollutants due to its high photocatalytic activity, stability, and nontoxicity . Despite an increasing number of research studies in photocatalysis by using T iO2 , its industrial applications are still limited. For instance, the removal of the T iO2 from water after treatment is challenging which has not successfully addressed. Moreover, the relatively large band gap of T iO2 requires ultraviolet (UV) light for excitation, which is only 5% of the natural solar light. Therefore, it is of great importance to develop photocatalysts that can be activated under both UV and visible light irradiation. It is proven that nitrogen-doped T iO2 extends the light absorption onset from 380 nm to visible light which leads to a photocatalytic activity under visible light irradiation. It is reported that the nitrogen-doped T iO2 not only improves the visible light absorption edge, but also suppresses the recombination rate of photo-induced electrons and holes. It seems that nitrogen-doped thin film with high activity under both UV and visible irradiation would address the limitations of T iO2 photocatalysis in water treatment processes. It is also proven that the fabricating heterostructures with narrow band gap semiconductors would shift the activation range of T iO2 to visible region. Of narrow band gap photocatalysts, BiV O4 offers considerable promise as the results of its moderate bandgap of 2.4-2.5 eV. Among the various technique to produce N-doped T iO2 , pulsed laser deposition (PLD) is a promising method du its versatility, simplicity and high reproducibility. Nitrogen doped T iO2 and layer-by-layer gradient nitrogen doped T iO2 films (T iO2 − g − N ) with various porosity were synthesized by using pulsed laser deposition (PLD) for removal of sulfamethoxazole (SMX) in water. The gradient doped T iO2 film would create an homojunction with different potential band edges would significantly enhance the charge separation as a result of band bending. T iO2 -BiV O4 heterojunctions were also deposited using the same technique to study the efficiency of the heterojunction for water treatment. The films were characterized using various methods, giving structural (SEM, XPS, XRD, AFM, UV-Vis) or functional information (Linear and Cyclic Voltammetry, Water treatment The superior performance of T iO2 − g − N in the visible region has been observed. The excellent attachment of various layers, reduced recombination rate of photoexcited electrons and high porosity contributed to this result.


identifier: Favet, Thomas  (2020). Conversion de l’énergie solaire en carburant H₂ par photoélectrolyse de l’eau sur des nanomatériaux hybrides à base de TiO₂/nanoparticules de CoO et NiO.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 261 p.

subject:
photoélectrochimie
nanomatériaux
catalyse
production d’hydrogène
ablation laser pulsée
photoelectrochemistry
nanomaterials
catalysis
hydrogen production
pulsed laser ablation

abstract:
L'hydrogène s'avère être un vecteur d'énergie stockable et non carboné particulièrement séduisant. Une approche prometteuse pour la production propre et durable d'H₂ est la photoélectrolyse de l'eau. Ce projet vise à modifier les propriétés du TiO₂ utilisé comme photoanode dans une cellule photoélectrochimique, pour améliorer la production d'H₂ sous lumière solaire. La nanostructuration du TiO₂ sous forme de nanotubes (NTs) est un bon moyen d'améliorer sa réactivité et la séparation spatiale des charges. Une étude basée sur une stratégie de co-alliage, consistant à introduire une grande quantité d'anions (N³⁻ ) et de cations (Nb⁵⁺,Ta⁵⁺) dopants, a permis de réduire l'énergie de la large bande interdite du TiO₂ et d'étendre son absorption au visible. Les paramètres de traitement thermique sous ammoniac permettant le dopage à l'azote ont été optimisés. Une étude paramétrique sur la décoration par ablation laser pulsé de NTs de TiO₂ avec des co-catalyseurs (cobalt, nickel) a été réalisée. En faisant varier l'atmosphère de dépôt, il est possible de contrôler la composition chimique des nanoparticules. Les conditions optimales de dépôt ont été identifiées, menant à une amélioration considérable de la production photoélectrochimique d'H₂ sous lumière solaire et visible. En combinant l'approche de co-alliage et de dépôt de co-catalyseur, la production d'H₂ sous lumière solaire est triplée. Des études plus spécifiques ont été réalisées afin de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu.

 Hydrogen is an attractive non-carbonaceous storable fuel. A promising approach for clean and sustainable hydrogen production is solar driven photoelectrochemical water-splitting. This project aims to modify the properties of TiO₂ used as a photoanode, in order to enhance the photoelectrochemical hydrogen production. Designing TiO₂ at the nanometric scale with nanotubes is an interesting way to enhance both its reactivity and spatial separation of photogenerated carriers. A co-alloying strategy was investigated. The large introduction of anions (N³⁻) and cations (Nb⁵⁺,Ta⁵⁺) in the lattice was found to be an efficient way to reduce the band gap energy of TiO₂, allowing absorption of photons in the visible range. The annealing parameters under ammonia, used for the nitrogen doping, have been optimized. A parametric study on the pulsed laser deposition of co-catalysts (cobalt, nickel) on TiO₂ nts was performed. The chemical composition of the co-catalysts can be controlled with the background atmosphere used during the deposition. Under the optimal conditions determined after this study, a significant improvement of photoelectrochemical hydrogen production under both solar and visible light was reached. Combining the co-alloying approach and the co-catalysts deposition leads to tripling the hydrogen production under solar light. In order to have a better understanding of the mechanisms involved, more specific studies have been performed.