identifier: Corbellini, Luca  (2017). Growth and characterization of epitaxial thin films of epsilon ferrite (ε-Fe₂O₃).  Thèse.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, 203 p.

subject:
couches minces
épitaxie
ablation laser pulsé
oxyde de fer
oxydes multifonctionnels
magnétisme
ferroélectricité
multiferroïque
résonance ferromagnétique
thin films
epitaxy
pulsed laser deposition
iron oxide
multifunctional oxides
magnetism
ferroelectricity
multiferroic
ferromagnetic resonance

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.L’oxyde ferrique epsilon (ε-Fe2O3) est une phase métastable de l'oxyde de fer(III), intermédiaire entre la maghemite (γ-Fe2O3) et l'hématite (α-Fe2O3). ε-Fe2O3 a été étudié essentiellement en raison de ses propriétés magnétiques, en particulier sa forte anisotropie magnétocristalline qui a pour conséquence un champ coercitif gigantesque pouvant atteindre 2T pour les nanoparticules, avec une température de Curie d'environ 500 K. Compte tenu de sa structure cristalline appartenant au groupe d'espaces polaires Pna21, il doit présenter un comportement pyroélectrique et possiblement ferroélectrique, ce qui en ferait l'un des rares matériaux monophasés multiferroïques à température ambiante. En outre, son anisotropie magnétocristalline géante résulte également en une fréquence de résonance ferromagnétique naturelle (FMR) dans la gamme des bas THz. Ceci est particulièrement intéressant compte tenu de son utilisation potentielle dans les communications sans fil à courte portée (par exemple 60 GHz Wi-Fi) et les mémoires non volatiles ultra-rapides.
Pour surmonter sa nature métastable, la stabilisation de ε-Fe2O3 a été obtenue principalement en le synthétisant par sol-gel en tant que nanoparticules incorporées dans une matrice de SiO2. Récemment cependant, le dépôt de couches minces épitaxiales de ε-Fe2O3 a été démontré, soit directement sur SrTiO3, soit, avec l'utilisation d'une couche tampon, sur YSZ et Al2O3. La capacité de déposer une couche mince épitaxiée de ε-Fe2O3 de haute qualité est une caractéristique clé pour son application potentielle à des dispositifs intégrés.
Dans ce manuscrit, le dépôt par ablation laser pulsé de couches minces épitaxiales de ε-Fe2O3 pur et dopé avec de l’aluminium sur différents substrats monocristallins, tels que SrTiO3, LaAlO3, LSAT et YSZ est décrit, et l'influence du substrat choisi et du dopage d'aluminium sur les propriétés structurelles et fonctionnelles est discuté. La caractérisation structurale détaillée réalisée par diffraction de rayons X et microscopie électronique à transmission, a mis en évidence les différences résultant de la croissance de ε-Fe2O3 sur les divers substrats, en particulier la formation de macles avec diverses orientations selon le choix du substrat. La caractérisation magnétique a confirmé l'anisotropie magnétocristalline élevée de nos films et a révélé la présence d'une phase secondaire qui a été identifiée comme étant de magnétite (Fe3O4). L'analyse angulaire des propriétés magnétiques a révélé comment la présence de macle affecte leur dépendance azimutale. L'insertion d'aluminium dans le réseau ε-Fe2O3 a également été réalisée, ce qui a permis de contrôler le champ coercitif et l'aimantation à saturation en fonction du pourcentage d'aluminium. Enfin, des dépôts sur des substrats STO et YSZ monocristallin avec un « miscut » ont été effectués pour prévenir la formation de macles, ce qui pourrait représenter une avance fondamentale compte tenu de la façon dont les applications, par exemple les mémoires non-volatiles, nécessitent des couches cristallines sans macles pour pouvoir être mises en oeuvre dans des dispositifs.

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.Epsilon ferrite (ε-Fe2O3) is a metastable phase of iron(III) oxide, intermediate between maghemite (γ-Fe2O3) and hematite (α-Fe2O3). ε-Fe2O3 has been investigated essentially because of its magnetic properties, in particular its strong magnetocrystalline anisotropy which results in a gigantic coercive field, as high as 2T for nanoparticles, with a Curie temperature of circa 500 K. Given its crystal structure belonging to the polar space group Pna21, it should exhibit pyroelectric, and possibly ferroelectric behavior, potentially making it one of the few single phase room temperature multiferroic materials. Moreover, the material anisotropy also results in a natural ferromagnetic resonance (FMR) frequency in the low THz range. This is of particular interest given its potential use in short-range wireless communications (e.g. 60GHz Wi-Fi) and ultrafast computer non-volatile memories.
To overcome its metastable nature, stabilization of ε-Fe2O3 has been obtained mainly by synthesizing it by sol-gel as nanoparticles embedded inside a SiO2 matrix. Recently however, deposition of epitaxial thin films of ε-Fe2O3 was demonstrated, with the growth occurring directly, on SrTiO3, as well as, with the use of a buffer layer, on YSZ and Al2O3. The ability of depositing high-quality epitaxial thin films of ε-Fe2O3 is a key feature for their development towards integrated devices.
In this thesis, the growth by Pulsed Laser Deposition of epitaxial thin films of pure and Al substituted ε-Fe2O3 on different single crystal substrates, such as SrTiO3, LaAlO3, LSAT, and YSZ, is reported, and the influence of the chosen substrate and of the aluminum doping on the structural and functional properties of ε-Fe2O3 is discussed. Detailed structural characterization performed by x-ray diffraction and transmission electron microscopy highlighted the differences resulting from growing epsilon ferrite on the diverse substrates, in particular the formation of twins with orientation depending on the choice of substrate. Magnetic characterization confirmed the high magnetocrystalline anisotropy of our film and revealed the presence of a secondary phase which was identified as the well-known magnetite (Fe3O4). Angular analysis of the magnetic properties revealed how their azimuthal dependence reflects the angular geometry of the twins. Aluminum insertion inside the ε-Fe2O3 lattice was also achieved, resulting in the ability to modify the coercive field and the magnetization at saturation by controlling the aluminum substitution into the film. Finally, depositions over vicinal STO and YSZ substrates have been performed to overcome the formation of twins, which might represent a fundamental advance given how some applications, e.g. non-volatile memories, require films of materials characterized by a single magnetic easy axis, thus twin-free, in order to be implemented into devices.


identifier: Guadane, Mohamed  (2017). Prototypage rapide et évaluation en conditions d’opération réelles d’algorithmes de localisation pour les réseaux de capteurs sans fil.  Mémoire.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en télécommunications, 73 p.

type:
Thèse
Non évalué par les pairs

subject:
Contiki-Cooja
DV-Hop
localisation
MICAz
range-free
RCSF
Wireless Sensor Networks

abstract:
Les réseaux de capteurs sans fil (RCSFs) sont l’un des domaines de recherche les plus populaires
sur lesquels travaillent des chercheurs de différentes disciplines depuis plusieurs années. Un RCSF
est constitué de petits capteurs à faible coût qui sont généralement déployés dans une zone d’intérêt
et peuvent interagir avec l’environnement en détectant ou en contrôlant des paramètres physiques
tel que la température, la lumière, la pression, etc. et offrent des possibilités de surveiller et de
contrôler des maisons, des villes et des environnements. Ces dispositifs ont une capacité de calcul
très limitée, et ils sont alimentés par de petites batteries ou un composant de captage d’énergie, et
ils communiquent par des liaisons sans fil.
Les RCSFs collectent les données des capteurs et les transmettent à une station centrale (noeudpuits).
Cependant, ces données sont souvent totalement ou partiellement inutiles si l’emplacement
à partir duquel elles ont été mesurées est inconnu, ce qui fait de la localisation des noeuds une tâche
essentielle dans les RCSFs à saut multiple. Il est donc crucial de connaître l’emplacement des noeuds
de capteurs sans fil, par exemple dans des applications telles que la surveillance des pipelines dans
les zones arides, le suivi des animaux, la détection des incendies dans les forêts, etc.
Plusieurs algorithmes de localisation ont été proposés. Une de ces techniques, qui a été largement
étudiée dans la littérature, est le DV-Hop. Afin de développer davantage cet axe de recherche, le
travail présenté dans ce mémoire consiste à développer et analyser les performances d’une nouvelle
version améliorée de cette technique de référence en utilisant une nouvelle expression pondérée de
la taille du saut et son évaluation en conditions d’opération réelles sur des platformes MICAz à
l’aide de système d’exploitation open source Contiki et le simulateur COOJA. Les résultats de
la simulation par Matlab montrent une amélioration de la performance en termes de précision
de localisation. De plus, l’implémentation de cet algorithme en utilisant des noeuds capteurs réels
présente un proof-of-concept valorisable aux yeux de la communauté scientifique et industrielle.

Wireless sensor networks (WSN) are one of the most popular research domains that researchers
from different disciplines have been working on for the last several years. A WSN consists of individual
low-cost tiny sensor devices that are usually scattered in a sensor field and are able to interact
with the environment by sensing or controlling physical parameters such as temperature, light,
pressure, etc and provide unprecedented opportunities for monitoring and controlling homes, cities,
and the environment. These devices have a very limited computational capability, are powered by
small batteries or an energy harvesting component, and communicate over wireless links.
WSNs gather sensor data and forward it to a central station (sink). However, their data are
often fully or partially meaningless if the location from where they have been measured is unknown,
making the nodes localization an essential task in multi-hop WSNs. It is therefore crucial to know the
locations of wireless sensor nodes location, for instance in applications such as pipeline monitoring
in arid areas, animal tracking, forest fire detection, etc.
Various localization algorithms have been proposed. One of the widely investigated WSN localization
techniques is the DV-Hop. In order to further develop this line of research, the work
presented in this thesis consists to develop and analyze the performance of a new enhanced version
of this reference technique using a novel weighted hop-size expression and its implementation in
the real-world motes on MICAz platforms using the Contiki open source operating system and a
COOJA simulator. The Matlab simulation results indicate an improvement of the performance in
terms of accuracy, and the implementation on real-world motes makes a proof-of-concept of our
proposed localization algorithm.


identifier: Hamidi, Naeemeh  (2017). Pattern Reconfigurable Antenna Using Active Frequency Selective Surface.  Mémoire.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en télécommunications, 94 p.

subject:
Pattern reconfigurable antenna
telecommunications

abstract:
With the widespread improvement of wireless communication systems and appearing the new generation of mobile telecommunications such as 4G as well as 5G, a transmission of information with high data rate is feasible. Antenna is an important part of telecommunication systems where the information is transmitted and received. Most importantly, to improve the communication link and cover more users, in particular in base station antenna, it is necessary to steer the beam radiation of the antenna. This can be carried out mechanically as well as electronically which each one has its drawback and advantage. In mechanical approach, the installation infrastructure brings more difficulty. Also, in electronic methods due to using the phase shifter, it incurs a large loss and complexity to the design.
In this thesis, first and foremost, a reconfigurable radiation pattern antenna based on frequency selective surfaces is introduced. To implement that idea, a modified electric-field coupled (ELC) resonators is presented, which works at 2.4 GHz. To transmit and reflect the illuminated power a pin diode is integrated in the middle of ELC resonator, where by turning “on” or “off”, the resonant frequency of transmission coefficient is shifted to a desired frequency band.
Then, the stair-case monopole antenna operating at 2.4 GHz is proposed in the next part which is surrounded by octagon FSS walls, where each one consists of a 2x3 ELC inclusions. By switching “on” three FSS walls and keeping remaining walls in off-state, the radiation pattern in azimuth plane is switching from omnidirectional to directional pattern. To validate, a prototype of antenna along with eight FSS walls incorporated by pin-diode is fabricate and attached to the control unit part. The measured reflection coefficient of the antenna is less than -10 dB over 2.35-2.55 GHz. The measured radiation pattern in H-plane clearly shows a directional beam in different states with a measured realized gain of more than 5 dBi.
To receive a maximum power in a random angle, a transmitted antenna propagates power and the aforementioned antenna with FSS panel is switched in 8 cases by control unit part.
Finally, a design of control unit interface with proposed reconfigurable pattern antenna is presented and discussed in more details.


identifier: Hmouda, Abdurahman  (2017). Frequency Reconfigurable Antennas for Airborne Applications.  Mémoire.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en télécommunications.

subject:
Frequency reconfigurable antennas
telecommunications


identifier: Ibrahim, Akarm Yousif  (2017). Spectral Domain Interferometry for Terahertz Detection: Concept and Application.  Thèse.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, 160 p.

subject:
terahertz (THz) temporal waveform
Spectral Domain Interferometry (SDI)
electro-optic sampling (EOS) technique

abstract:
The current golden standard for measuring terahertz (THz) temporal waveform is the electro-optic sampling (EOS) technique. However, EOS technique when exploited for measuring intense THz electric field has a limited dynamic range (DR) due to a phenomenon called over-rotation. This limited DR makes it very difficult to measure intense THz signals and weak signals at the same time. Routinely, THz filters (such as silicon) are used to ensure that the measurements are within the DR of the EOS technique and then calibrated against reference data. However, this not only distorts the THz waveform but when those filters are irradiated with intense THz radiation, recent researches have shown that there could be substantial changes in their transmission characteristics due to nonlinear THz effects. Therefore, a proper interpretation of the data obtained through the EOS technique in intense THz experiments could be complicated.
In the framework of this thesis, we describe a novel technique for measuring THz waveform that does not suffer from over-rotation limitation, possessing a tremendous DR of ~7x10⁶, while at the same time having high signal-to-noise ratio (SNR) that are comparable to that of the commonly used EOS techniques. In this new technique, we make use of spectral-domain interferometry (SDI) technique to develop different detection schemes, such as Michelson interferometer type based SDI (later we distinguish it as the standard SDI), Mach-Zehnder interferometer based SDI (MZI-SDI), and fiber-based SDI (later we distinguish it as cross-polarized SDI (CP-SDI)) schemes to measure intense THz electric fields.
We perform a comparison between the three SDI schemes for THz electric field measurement schemes. Based on our experimental findings, the temporal waveform of the THz electric field measured with the standard SDI technique exhibits reasonable DR and SNR. However, the temporal scanning window is limited due to the finite fixed thickness of the glass plate that is used to create the two interfering signals. This limitation in the temporal scanning window has been avoided in both MZI-SDI and CP-SDI for THz electric field measurement schemes. We find that the SNR of the THz electric field measurement obtained with MZI-SDI scheme is inferior to that obtained with the CP-SDI scheme. We attributed this inferior SNR in the former scheme to the fact that there are more optical components in the optical probe beam signal, compared to the latter scheme. Each of these optical components is susceptible to vibrational noise in the setup, and thus contributes to the overall noise buildup in the measurement. On the other hand, in the case of the CP-SDI scheme, the situation is different, since both interfering signals are propagating along one common path (along the optical fiber). In this case, the noises associated with vibrations in the optical components, which in turn change the optical path difference (OPD) between two interfering signals, are mitigated since any change in OPD is common to both signals.
Owing to the excellent performance of the CP-SDI scheme, with an SNR ~48.97 dB and DR~7×10⁶, we find this version the best among all SDI-THz detection technique versions and thus suitable for carrying out THz spectroscopic measurements.
Furthermore, as a second objective of this thesis, the new CP-SDI THz detection technique was validated successfully in measuring the THz response -in transmission geometry- of high-permittivity materials, which are encountering challenges in the THz frequency range. In this work, we chose Barium Strontium Titanate (BST), which notoriously has significant losses in the THz frequency region, thus affecting the SNR of the THz measurement. Furthermore, we hold a comparison between the dielectric response results obtained via CP-SDI THz detection technique and those obtained via conventional EOS THz detection technique for the same BST sample. We show that from the comparison, the CP-SDI technique enables obtaining more accurate results due to its ultra-high DR and good SNR.


identifier: Sokullu, Esen  (2017). Design of phage-templated gold assemblies as contrast agent.  Thèse.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, 206 p.

subject:
plasmonics
nanotechnology
nanofabrication
optical properties
gold nanoparticles (AuNPs)

abstract:
“Plasmonics”, the study of the interaction between an electromagnetic field and free electrons in a metal, is a growing field due to the recent developments in nanotechnology and nanofabrication that enable the design of new materials with properties suitable for locally concentrating light. One strategy to concentrate light is to create small gaps between metallic nanoparticles by organizing them into assemblies that display new, collective properties. The resulting enhancement of optical properties is mainly due to the coupling of the localized electric fields of the assembled nanoparticles, which is a phenomenon that depends on the inter-particle distance. Amongst the different metallic nanoparticles that have been explored for the production of plasmonic nanostructures, gold nanoparticles (AuNPs) have been the most popular owing to their general chemical inertness, biocompatibility, ease of synthesis, and simple surface modification. Given these important features, ‘isolated’ AuNPs have been investigated for several applications, including imaging biomaterials, via their ability to generate contrast for surface-enhanced and non-linear spectroscopies. Moving forward, the generation of assemblies of gold nanostructures could yield greater contrast than their isolated nanoparticle building blocks, because of the coupling of their plasmonic properties. As a consequence, this could enable the use of smaller AuNPs that do not intrinsically exhibit plasmonic features. As such, it is exciting and timely to investigate new plasmonic structures that exploit the collective properties of ensembles of AuNPs. Generally, plasmonic nanostructures are fabricated by ‘top-down’ techniques such as electron beam lithography, focused beam lithography, and nanoimprint lithography, which are limited by high cost, low-speed, and limited ability to generate three-dimensional structures. On the other hand, the self-assembly of AuNPs onto a template material is emerging as an alternative ‘bottom-up’ approach for producing colloidal plasmonic structures that could potentially have the ability to label biological structures. In this context, the use of very small AuNPs could be particularly advantageous because of their lesser expected detrimental effect on binding target biological molecules/structures, and better image resolution (i.e., smaller contrast agents). For the ‘bottom-up’ approach, nanoparticles are immobilized onto pre-determined binding sites on a template material. Viruses are one of the most studied biological template materials because of their great structural diversity and the ability to precisely position binding motifs in a controlled manner on their surface by genetic manipulation. Moreover, viruses naturally target and bind to cells, which make them suitable for producing colloidal contrast agents for specific types of cell. Notwithstanding, developing procedures for producing virus–AuNP assemblies can be technically complex (depends on AuNP size), and little information is available on the plasmonic properties of such assemblies prepared with very small AuNPs.
In the present work, two bacteriophage templates (virus that selectively infect bacteria), M13 and T4, were examined as biological templates to create well-defined assemblies of AuNPs. These phage were selected because of their considerably different geometries (filamentous vs icosahedral for M13 and T4, respectively), which will allow us to investigate both the effect of short-range and longer-range ordering of the AuNPs on plasmonic properties. Because of the paucity of data on the assembly of very small (<13 nm) AuNPs on bacteriophage, several gold-binding motifs were explored and, for T4, the relative disposition of these motifs on the phage surface was also varied. In Chapters 2 and 3, the genetic engineering of the phage is presented, and protocols for the assembly of 3, 9, and 13-nm AuNPs were established. The resulting assemblies were characterized by several complementary analytical techniques. Furthermore, the ability of the assemblies to bind to bacteria, despite the presence of AuNPs covering the surface of the phage, was verified. This finding supports the investigation of very small AuNPs in this work, because target binding is an important property for developing imaging contrast agents. In Chapters 4 and 5, the plasmonic properties of the phage–AuNP assemblies were examined by surface-enhanced Raman scattering (SERS) and two-photon excitation fluorescence (2PEF) microscopy. These Chapters evaluate the influence of the structural parameters of the assemblies on their stability (i.e., suitability to typical sample handling procedures such drop casting and drying on microscope slides), their ability to enhance SERS and 2PEF, and the influence of binding to bacteria on the observed SERS/2PEF signals. For SERS, only the assemblies prepared with 13 nm AuNPs were able to generate strong local electric field enhancements yielding signals which were clearly distinguishable from the background. The recorded SERS spectra corresponded to peaks associated with the stabilizing ligand on the surface of AuNPs, which was used as SERS reporter, indicating that signal enhancement originated from within the gaps formed between adjacent AuNPs. Binding of the assemblies to bacteria did not significantly affect the SERS spectrum or signal enhancement. Higher SERS enhancement was observed for M13-templated assemblies compared to T4-templated assemblies, and the ensemble of data suggests that short-range ordering is the dominant factor affecting enhancement. It was further demonstrated that covalent attachment of AuNPs to phage via a gold–thiolate bond was indispensable for stability of the assemblies, given that assemblies designed with non-covalent gold-binding motifs disassembled during sample handling, resulting in little or no SERS enhancement compared to AuNPs alone. For 2PEF, several of the phage–AuNP assemblies demonstrated signal enhancement. However, in contrast to SERS, the absolute intensity of 2PEF signals obtained for the clusters was closer to that of the background noise. Therefore, an image processing techniques was employed to objectively discriminate 2PEF signals from background, which enabled straightforward quantitative analysis. Reproducible 2PEF signal enhancement was observed for M13-templated assemblies prepared with 9 and 13 nm AuNPs, but not with 3 nm. Only a small effect of AuNP size was observed between the 9 and 13 nm AuNPs. In contrast, assemblies prepared with T4 typically did not exhibit 2PEF and signals and were only rarely distinguishable from the background. Only one T4-templated assembly, prepared with 13 nm AuNPs, produced reliable 2PEF signal, and the magnitude of the intensity was comparable in magnitude albeit slightly lower than that observed for equivalent assemblies prepared with M13. This difference could be explained with different spatial geometries of AuNP assemblies templated on M13 and T4 phages and their corresponding stabilities. It should be noted that isolated AuNPs (3–13 nm) never enhanced SERS of 2PEF in any of the experiment conducted. Indeed, these AuNPs are much smaller than those typically examined for their ability to enhance SERS/2PEF.
Overall, this thesis presents the design, production, and characterization of new colloidal plasmonic structures combining AuNPs and bacteriophage. It should be emphasized that this work explores very small AuNPs, for which a great paucity of data exists in the literature, both in terms of chemistry (i.e., conditions for assembly onto biological templates) and plasmonic properties. Drop casting and drying these assemblies, followed by their analysis by SERS and 2PEF provided essential information on how the design of the assemblies affected their performance as targeted imaging contrast agents, in terms of signal enhancement, stability, and effect of binding to cells. Screening a wide range of design parameters susceptible to influence these properties above has led to the identification of phage–AuNP assemblies that are suitable for use as biological contrast agents for SERS and 2PEF, and the relevant opportunities and limitations are discussed in each appropriate chapter. This body of work sets the stage for future experiments, which can now be performed because of the refinement achieved from within the large library of phage–AuNP assemblies above. For instance, analysis of the plasmonic properties of the assemblies in solution, while technically challenging, should provide additional data on some of the less-stable or meta-stable assemblies, which did not survive sample handling. This could enable a comparison of optical properties with, for instance, plasmonic characteristics determined by simulation. Furthermore, an additional level of matrix complexity can now be examined, such as the use of the assemblies as contrast agents within complex aqueous matrices (e.g., bacteria detection in wastewater) or for mixtures of cell populations. Indeed, the ability of the assemblies to be re-engineered to bind to different targets (beyond their native bacterial targets), may make them suitable for several imaging- and detection-related applications.


identifier: Tan, Long  (2017). Investigations on semiconductor material synthesis and on morphology manipulation towards high efficiency and stable solar technologies.  Thèse.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, 204 p.

subject:
photovoltaic devices
solar cells technologies
solar energy
photons
polymers
perovskite materials

abstract:
Solar cells, which harvest renewable solar energy via the photovoltaic (PV) effect, have been considered as one of the cleanest and most promising technologies to address the press energy crisis and environmental issues. In order to make solar cells the feasible and best replacement of fossil fuels, the concept of the third-generation PV devices based on inorganic nanomaterials, dye molecules, conjugated polymers and perovskite materials was proposed to largely decrease the cost of the solar cell devices, at the same time maintaining comparable or even achieving higher power conversion efficiency (PCE) compared to that of the existing ones. Additionally, luminescent solar concentrators (LSCs), which convert a wide range of photons into concentrated light in a specific range, are another potential approach to achieve these goals by reducing the use of expensive PV materials. In principle, the development of both PV and LSC devices depends on the material chemistry and device engineering, which are the two main directions to optimise the performance of these solar technologies. In this thesis, the work performed focuses on the synthesis of near infrared (NIR) absorbing quantum dots (QDs), their characterizations, and solar-related applications, as well as morphology optimisation of the photoactive film of polymer solar cells (PSCs), leading to enhanced PCE and stabilities.
In the first part, we successfully synthesized high-quality NIR PbS QDs in very small sizes using PbCl2 and elemental sulfur (S) as lead and sulfur precursor, respectively, by introducing tributylphosphine (TBP) into the reaction. This route is much “greener” and facile as compared to the glove-box-involved method using toxic bis(trimethylsilyl)sulfide as sulfur precursor. Afterwards, the synthesis mechanism of very small QDs and their optical properties, morphology, dispersity, surface properties and LSC application were systematically investigated. In detail, this work can be divided into three sections (I-III): two sections are related to the PbS QDs synthesis, and the last section is about LSC application based on these synthesized QDs.
In section Ⅰ, the S-oleylamine (OLA) solution was mixed with different contents of TBP prior to its injection into the pre-heated PbCl2-OLA solution. For the TBP-free reaction, the shortest absorption wavelength of synthesized PbS QDs was limited to ~1056 nm. With increasing the TBP content to 40 μL, the first-excitonic absorption peak of obtained PbS QDs was gradually blue-shifted to ~705 nm, due to the decreased QD size. Further increasing the contents of TBP, no QDs could be collected. The key factor leading to the blue-shifted first-excitonic absorption peak and final disappearance of QDs with increasing TBP content is the formation of strong bond between S and TBP. The S-TBP could have participated into the QD growth process, which prevented the QDs further growing to larger size with TBP as a type of rigid ligands on the surface. However, the stable S-TBP itself was not able to start the nucleation reaction with the lead precursor, then failed to form the QD once the S-OLA concentration was below a critical point. In addition to decreasing the size of QDs, as extra ligands located at the S sites on the QD surface (rather than on the Pb site as OLA ligands), TBP could change the QD surface composition, morphology and dispersity, and benefit its optical properties. In brief, TBP-assisted synthesis of PbS QDs shows narrow QD size distributions without any QD aggregation and demonstrates high photoluminescent quantum yield (PL QY) in the range of 60–90%, depending on the QD size. All of these results underline that this route is convenient for synthesis of high-quality PbS QDs in very small sizes.
Different from that of section Ⅰ, a two-step injection synthesis is introduced in section Ⅱ. For instance, large amounts of TBP were first injected into the preheated lead precursor, followed by the sulfur precursor solution. Based on this synthesis, the first-excitonic peak of the PbS QDs can be largely extended to ~780 nm (corresponding to diameter ~2.5 nm) as compared to that of the TBP-free reaction. The resulted PbS QDs show excellent dispersity without any aggregation and high PL QY around 80%. Moreover, the TBP chemical was revealed to assist the transformation of PbCl₂-OLA into more reactive Pb(OH)Cl, that can directly participate into the nucleation process, yielding ultrasmall PbS QDs. It indicates that Pb(OH)Cl can be potentially applied for synthesis of other lead-based small size QDs as a new precursor.
In section Ⅲ, LSC devices using PbS and PbS/CdS QDs as the phosphor were fabricated, respectively, and their performance of concentrating the wide range of photons into a specific range of light was also tested. The high performance is mainly attributed to their high PL QY, wide separation of absorption and PL spectrum and good photo-stability. Clearly, ultrasmall PbS QDs are promising for LSC application. More specifically, the LSC device showed optical efficiency around 1.2% at a geometric factor of 50 (10 cm in length) by using the 2.5 nm QDs with a 0.1 nm CdS shell, which is record-high compared to other QD-based LSCs. The devices using pure PbS QDs and PbS/CdS QDs with thick shell were also fabricated and tested, and all of them showed promising results. Over all, these results confirmed the high quality of our synthesized QDs via TBP involved synthetic route, which is promising for large-area LSCs application and has high potential for other NIR-related applications.
In the second part, we focused on improving the air-stability of the PSCs using the blend of Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) and phenyl-C₆₁-butyric acid methyl ester (PCBM) as the research system. To do so, the inorganic NIR QDs were selected as a stabilizer, which extended the photoresponse of the device to the NIR range in the same time. Considering the energy level alignment of P3HT and PCBM, PbS QDs sample with an average diameter of ~3.3 nm was preferred, which can facilitate the charge transfer processes in the device. Moreover, further surface treatments of QDs were performed before applying them for PV application. First, a thin CdS shell (0.1 nm) on the surface of PbS QDs was formed by cation-exchange reaction. It can significantly improve the air-stability of QDs as well as their thermo- and photo-stability, without blocking charge carrier transport. Second, large amounts of insulating, long-chain oleic acid ligands (OA-) on the QD surface were replaced by short inorganic Cl- via metal halide treatment. The atomic Cl- ligands can form a dense “ligand shell” on the surface and reach the mid-gap trap states, which can’t be achieved by the long-chain ligands, due to the “steric effect”. Therefore, the QD stability can be further enhanced and the density of trap states can be effectively reduced, which makes these ligand-exchanged QDs suitable for PV application. It is worth mentioning that the surface ligand manipulation also affected the morphology of the P3HT:PCBM:QDs film, which played a significant role in device stability. As evidenced by the images obtained from atomic force microscopy (AFM) measurements, the QDs with Cl- ligands formed continuous QD-networks in the P3HT:PCBM film, whereas QDs without Cl- ligands were homogeneously distributed in the film. Importantly, PSCs device based on the film with the unusual QD-networks showed excellent long-term stability under relative high humidity air (50-60%), while accomplishing over 3% of PCE simultaneously. After 30 days storage without any encapsulation, around 91% of the pristine PCE can be retained. It was a remarkable improvement as compared to that of the devices based on pure P3HT:PCBM film (~53%). We verified that such improvement was attributed to the prevention of PCBM aggregation and oxidation of the thiophene ring in P3HT. Furthermore, the presence of QD-networks efficiently improved the thermal stability of the device as well by suppressing the thermal stress/oxidation under relative high humidity air. Around 60% of pristine PCE was retained after 12 h thermal treatment at 85 °C, which was more than twice higher than that of the device without QD networks. To the best of our knowledge, this work represents the first unambiguous demonstration of the formation of QD networks in the photoactive layer and of their important contribution to stability of PSCs. This strategy is highly promising for other fullerene based PSCs, and opens a new avenue towards achieving PSCs with high PCE and excellent stability.
The third part was focused on morphology manipulation of the P3HT:PCBM blend, in order to improve the PCE of the PSCs. The key point is to control the mobility of the film components in the fabrication process. To do so, butylamine was introduced as an additive into the P3HT:PCBM solution with dichlorobenzene as the solvent. It was confirmed that PCBM has a higher solubility than P3HT in butylamine. As a result of different solubilities, the addition of butylamine improved the accumulation of P3HT and PCBM at the top and bottom of the blend film, respectively, leading to a P3HT-enriched top surface and buried abundance of PCBM as evidenced by the results from AFM and X-ray photoelectron spectroscopy characterizations. Then, solar cell devices with the configuration of ITO/ZnO/P3HT:PCBM/MoO3/Ag were fabricated to evaluate the effect of resulted morphology change by butylamine on the performance of device. The butylamine affected device showed largely enhanced fill factor (FF: ~70%) and PCE (~4.03%) compared to the standard device, which can be attributed to the improved charge transport in the P3HT:PCBM film and enhanced electrode selectivity. The formation of such morphology offers a possibility to further optimize the thickness of the active layer in order to absorb more light, without prohibiting charge transport. In other words, it is possible to further enhance the PCE by increasing the short-circuit current (Jsc) without significantly sacrificing the FF, if the same preferable bicontinuous interpenetrating morphology can also be achieved in a thicker film. Therefore, we further fabricated devices based on thicker P3HT:PCBM film by doubling the concentration of precursor solution. The results from the current-voltage measurement indicate that FF of ~63% was obtained for the butylamine involved device, which is even higher than that of the standard device based on relatively thin film. In the same time, the Jsc was also largely enhanced due to the increased thickness of the active layer, leading to a high PCE of 4.61%, among the best efficiencies of P3HT:PCBM-based devices. Over all, these results well confirmed that butylamine as an additive can effectively improve the performance of P3HT:PCBM device. Besides, it has the advantages of free of malodorousness and halogen ions compared to commonly applied alkane dithiols and halogen additives, which makes it promising for the use in large scale fabrication of PSCs in the future.


identifier: Agati, Marta Antonella  (2017). Transmission Electron Microscopy studies of the nanostructural characteristics of the Inductively Coupled Plasma synthesized Silicon Nanowires.  Thèse.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, 123 p.

subject: microscopie électronique à transmission

subject: nanofils de silicium

subject: nanocristaux de silicium

subject: torche de plasma inductif

subject: propriétés optiques de silicium

subject: nanostructuré

subject: transmission electron microscopy

subject: silicon nanowires

subject: slicon nanocrystals

subject: inductively coupled plasma

subject: optical properties of nanostructured silicon

abstract:
Récemment, la recherche sur les nanomatériaux a atteint sa maturité puisque
plusieurs applications de la nanotechnologie ont déjà rejoint le marché. À juste titre,
plusieurs nanomatériaux se retrouvent déjà dans les produits de la vie quotidienne. Dans ce
contexte, l'étude des matériaux à base de silicium (Si), pierre angulaire du développement
de la microélectronique pendant les dernières décennies, conservera sans doute un rôle
important dans le panorama scientifique et technologique. En particulier, les nanostructures
de Si, grâce aux effets de confinement quantique (QC), peuvent avoir des propriétés
améliorées et de nouvelles fonctionnalités par rapport au Si massif. Parmi les nanostructures
de Si, les nanofils de Si, structure unidimensionnelle, soulèvent un grand intérêt de la part
des chercheurs au cours des dernières années. En effet, les nanofils de Si ont été intégrés
avec succès dans des dispositifs de détection chimique et biologique avec haute
performance, dans des anodes de batterie au lithium de haute qualité et dans les dispositifs
thermoélectriques. Les effets de QC dans les nanostructures de Si ont conduit à une
émission optique remarquablement efficace, ce qui ne serait pas le cas pour le Si massif
puisque il s’agit d’un matériau à bande interdite indirecte. Ceci ouvre la perspective d’aller
vers des dispositifs nanophotoniques et photovoltaïques de nouvelle génération. De plus,
l'émission optique des nanostructures de silicium peut être ajustée dans le visible en
contrôlant la largeur de leur bande interdite, qui dépend directement de la taille de
nanocristaux de silicium.
Dans cette perspective, ce projet de thèse porte sur l'étude des nanofils de Si
synthétisés au moyen d'une nouvelle approche basée sur l’utilisation d’une torche de plasma
inductif (connu sous le terme anglosaxon par Inductively coupled Plasma; ICP). La technique
ICP est utilisée, depuis quelques années, pour la production industrielle de microsphères de
Si au moyen d'un procédé de sphéroïdisation. Au cours de ce procédé de sphéroïdisation, il
y a formation concomitante de nanostructures de silicium avec une large proportion de
nanofils de Si, qui feront l’objet d’étude de cette thèse de doctorat. Nous nous sommes plus
concentrés sur l’étude et la compréhension des mécanismes de croissance de ces nanofils
de Si produits dans le système ICP, qui ont, entre autres, la particularité d’être le plus fins
dans tous les nanofils rapportés dans la littérature à ce jour. Pour ce faire, nous avons
adopté une approche basée sur les caractérisations par une foule de techniques de
microscopie électronique à transmission (MET) pour étudier en profondeur les
caractéristiques nanostructurales morphologiques et chimiques des nanofils de Si. Ainsi, des
techniques liées à la microscopie électronique à transmission ont été utilisées, tels que
l’énergie filtrée, le MET à haute résolution, la tomographie électronique, la spectroscopie par rayons X, la cathodoluminescènce, et la microscopie électronique à perte d'énergie. Nous
avons ainsi pu identifier trois familles de nanofils de Si, à savoir, (i) les nanofils de Si avec un
coeur cylindrique continu de Si (ayant des diamètres allant de 2 à 15 nm) entouré d’une
couche concentrique de SiO₂  (ayant une épaisseur de 4 à 15 nm); (ii) les nanofils de Si dont
le coeur en Si est formé d’un chapelet de nanocristaux sous forme d’amande connectés par
un nanofil de Si très fin, et le tout enveloppé dans une couche de silice; et (iii) les nanofils de
Si dont le coeur en Si est formé par une chaîne de nanocristaux de Si déconnectés les uns
des autres et le tout est dans la croute nanocylindrique de silice (de 4 à 5 nm d’épaisseur).
En étudiant ces différentes nanostructures de Si, nous avons pu mettre en évidence deux
mécanismes de croissance compétitifs qui mènent à la croissance unidimensionnelle de ces
trois classes de nanofils de Si via la technique ICP, à savoir la croissance assistée par
l’oxyde et, dans une moindre mesure, la croissance catalysée par des nanoparticules de Fe
issues des impuretés résiduelles de la poudre de silicium injectée initialement dans le
réacteur ICP. Nous avons ensuite, mis l'accent sur la corrélation entre la caractérisation
structurale de ces nanostructures de Si et leurs propriétés optoélectronqiues par de mesures
de photoluminescence (PL), l’objectif étant de confirmer l’émission dans le visible de ces
nanostructures de Si, ce qui constitue une signature de la présence d'effets de confinement
quantique dans nos nanofils produits par ICP. De plus, la mise au point d'un procédé de
purification approprié a été développée par une méthode basée sur la centrifugation afin
d’extraire les nanofils de Si du reste du la poudre de nano-silicium issue du procédé de
sphéroïdisation par ICP.
Nous avons, enfin, étudié l'effet des traitements thermiques sur les changements
nanostructuraux des nanofils-ICP, via des analyses MET in-situ et ex-situ. De cette manière,
nous avons pu atteindre les conditions d'instabilité de Rayleigh et transformer
structurellement les nanofils de Si en chaînes de nanocristaux de Si à une température de
1200°C. La formation « contrôlée » d'un tel nanocomposite a contribué à la compréhension
de l'apparition de structures similaires dans les nanofils de Si tel que produits par ICP (nonrecuits).
Les propriétés optoélectroniques des nanofils de Si recuits ont été caractérisés par
PL et les valeurs de leur émissions optiques ont été déterminés et corrélés avec les tailles
des nanocristaux de Si (mesurées directement par MET). Puisque le procédé ICP constitue
déjà une technique bien développée industriellement, ces études peuvent ouvrir la voie à
l'optimisation du système ICP pour la synthèse intentionnelle de nanofils de Si en grand
volume, répondant ainsi aux besoins des applications à grande échelle. Les propriétés
optoélectroniques de ces nanofils-ICP (émission PL intense dans le visible et potentiellement
contrôlable par une sélection fine de leurs diamètres) ouvre définitivement la voie à leur
utilisation dans les futurs dispositifs nanophotoniques et photovoltaïques.

 Recently, nanomaterial research has reached its maturity as long as several
nanotechnology applications have reached the market. Deservedly, several nanomaterials
can be found in every-day life items. In this regard, the study of Silicon (Si) based materials,
which represented the cornerstone for the development of microelectronics in the past few
decades, will most likely preserve an important role in the scientific and technological
panorama. In particular, Si nanostructures have demonstrated to possess enhanced
properties and even new functionalities with respect to their bulk counterpart via Quantum
Confinement (QC) effects. Among Si nanostructures, Si nanowires (SiNWs), i.e. one
dimensional Si nanostructures, have grasped a lot of interest from the researchers in the
past few years. In fact, SiNWs have been successfully integrated into high-performance
chemical sensing and bio-sensing devices, high-quality lithium battery anodes or
thermoelectric devices. QC effects in Si nanostructures have been demonstrated to lead to
an efficient optical emission, which is not possible in the bulk Si, as indirect band-gap
material. This opens the possibility to prospect new generation nanophotonic and
photovoltaic devices. Moreover, the optical emission of Si nanostructures can be tuned in the
visible range by controlling the band-gap amplitude, which depends on the Si nanocrystal
size.
In this perspective, this PhD project has been devoted to the study of SiNWs
synthetized by means of a novel approach based on the exploitation of an inductively
coupled plasma torch (indicated as Inductively Coupled Plasma; ICP). So far ICP technique
was exploited for the industrial production of Si microspheres by means of a spheroidization
process. During this process, the concomitant formation of Si nanostructures occurs, mostly
constituted of SiNWs, which have been the subject of this PhD thesis. Here, it will be focused
both the study and the understanding of the growth mechanism of these ICP-SiNWs, which
have the characteristic of being the thinnest SiNWs reported in literature so far. To this aim,
an approach based on Transmission Electron Microscopy (TEM) characterizations has been
applied to thoroughly investigate the ICP-SiNW nanostructural morphological and chemical
characteristics of the ICP-SiNWs. Hence, TEM related techniques have been used, i.e.
Energy Filtered TEM (EFTEM), High Resolution TEM (HRTEM), electron tomography,
Scanning TEM Energy Dispersive X-ray spectroscopy (STEM-EDX), cathodoluminescence
(CL) and Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS). In this way, it has been possible to
identify three families of ICP-SiNWs, namely (i) cylindrical SiNWs having a continuous
cylindrical Si core (with diameter between 2-15 nm) surrounded by a concentric SiO₂ shell
(having thickness from 4 to 15 nm), (ii) SiNWs of which the Si core is represented by a chapelet-like structure, constituted of almond-shaped Si nanocrystals (SiNCs) connected via
a very-thin SiNW, all surrounded by a silica shell, (iii) SiNWs of which the Si core is
represented by a chain of SiNCs separated from each other, located along an otherwise
silica nanocylinder (with thickness of 4-5 nm). By studying these different Si nanostructures,
it has been possible to infer two competitive growth mechanisms which lead to the one
dimensional growth of these three classes of SiNWs via the ICP technique, namely the oxide
assisted growth (OAG) mechanism and, to a lesser extent, the catalyzed growth by means of
iron (Fe) nanoparticles present as impurities in the Si powder initially injected in the ICP
reactor as a feedstock. In addition, focus has been put on the correlation between the
structural characterization of these ICP-Si nanostructures and their optical properties, probed
via Photoluminescence (PL) spectroscopy, in order to confirm the visible emission of these Si
nanostructures as a signal of the occurrence of QC effects in the ICP-SiNWs. Moreover, the
design of a suitable purification process was developed via a centrifugation based method in
order to separate the SiNWs from the residuals of the Si nanopowders produced by the main
ICP spheroidization process.
As a further step of the project, the effect of thermal treatments on the
nanostructural changes of ICP- SiNWs via both in-situ and ex-situ TEM analyses was
studied. In this way, we were able to reach the Rayleigh instability conditions and structurally
transform the SiNWs into SiNC chains as long as the temperature was set at 1200°C. The
controlled formation of such nanocomposite contributed to the understanding of the
occurrence of similar structures in the as-produced ICP-SiNWs (not annealed). The
optoelectronic properties of the annealed SiNWs have been probed by means of PL
spectroscopy and their optical emissions have been correlated with the SiNC sizes
determined by the TEM characterizations. Since the ICP process already constitutes a welldeveloped
technique for nanostructure synthesis at industrial scale, these studies may open
the route for the optimization of the ICP system for the intentional synthesis of large volumes
of SiNWs, matching the requirements of large-scale applications. The optical properties of
ICP-SiNWs (intense PL emission in the visible range and potentially controllable by a precise
selection of their diameter) also foster their application in future nanophotonic and
photovoltaic devices.


identifier: Clayer, François  (2017). Voies et vitesses de minéralisation de la matière organique dans des sédiments lacustres avec emphase sur la méthanogenèse et la méthanotrophie.  Thèse.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de la terre, 244 p.

subject:
méthane
méthanogenèse
méthanotrophie
minéralisation de la matière organique
modélisation de transport-réactions
isotopes du carbone
lac boréal
eau porale des sédiments
methane
methanogenesis
methanotrophy
organic matter mineralization
reaction-transport modeling
carbon isotopes
boreal lake
sediment porewater

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. Cette thèse vise à approfondir notre compréhension des réactions qui produisent et consomment naturellement le méthane (CH4) dans les sédiments du milieu aquatique continental. Le travail accompli contribue d’une manière originale à cet objectif par la modélisation des processus de transport et des réactions qui contrôlent la distribution verticale du CH4, du carbone inorganique dissous (CID) et du δ13C de ces solutés dans les eaux interstitielles des sédiments de lacs oligotrophes du Bouclier canadien. Plus spécifiquement, trois bassins lacustres présentant des caractéristiques distinctes ont été échantillonnés en leur point le plus profond : un est oxygéné en permanence, un est occasionnellement anoxique en profondeur pour de courtes périodes, et un autre est régulièrement anoxique pour des périodes de plusieurs mois. Le bassin oxygéné en permanence et celui occasionnellement anoxique sont adjacents dans un même lac. Les profils du pH et d’autres solutés clefs dans les eaux interstitielles (SO42−, ΣS(−II), Fe, carbone organique dissous), de même que ceux du Mn, du Fe et du C organique dans les sédiments, soutiennent en outre les conclusions de ce travail.
La modélisation des profils des concentrations en CH4 et CID à l’aide d’une équation de transport-réactions permet de délimiter les intervalles de profondeur (ou zones) où ces solutés sont produits et consommés et d’obtenir les vitesses nettes des réactions qui les impliquent dans chacune des zones. Cette procédure révèle notamment que dans les deux bassins du même lac, le CH4 est produit sous 4–7 cm de profondeur à des vitesses nettes pouvant atteindre entre 33 et 1150 fmol cm−3 s−1 selon les sites et les dates d’échantillonnage. Dans le bassin oxygéné en permanence, la méthanogenèse représente 30–64% de la minéralisation du C organique dans les sédiments alors que cette proportion atteint 84–100% dans le bassin occasionnellement anoxique. Environ la moitié du CH4 produit dans les sédiments du bassin oxygéné en permanence est consommée dans une zone qui se situe entre l’interface eau-sédiment et 4–7 cm de profondeur, tandis que l’autre moitié est exportée vers la colonne d’eau. Par contre, dans le bassin occasionnellement anoxique, seulement 20% du CH4 produit dans la zone de méthanogenèse est oxydé dans les sédiments, tandis que 80% est exporté dans la colonne d’eau. Des calculs thermodynamiques montrent que l’oxydation du CH4 par l’O2, le Fe(III) et le SO42− est théoriquement possible mais l’analyse quantitative des données indique que l’O2 est de loin le principal accepteur d’électron impliqué dans l’oxydation du CH4 et de la matière organique dans les sédiments des deux bassins. Par conséquent, les sédiments du bassin occasionnellement anoxique exportent davantage de CH4 que de CID vers la colonne d’eau alors que ceux du bassin oxygéné en permanence sont principalement une source de CID. Les résultats présentés font clairement ressortir qu’un petit changement de la concentration en O2 dans les eaux hypolimnitiques altère de façon significative l’importance relative et absolue des voies de la minéralisation de la matière organique dans les sédiments et des flux de CH4 et de CID à l’interface eau-sédiment.
Les efforts de mesure et de modélisation du δ13C du CH4 et du CID réalisés permettent par ailleurs de démontrer que le CH4 est entièrement produit via l’hydrogénotrophie à chacun des sites étudiés et que la vitesse de production du CH4 dans la principale zone de méthanogenèse (soit entre environ 4 et 10 cm de profondeur) y est de 1.5 à 4 fois plus élevée que celle du CID. Cette observation n’est pas compatible avec la production équimolaire de CH4 et de CID attendue de la fermentation des glucides, lesquels sont généralement considérés comme les composés représentant la matière organique métabolisable dans les modèles diagénétiques sous la forme de CH2O ou de C6H12O6. La fermentation des glucides ne peut donc pas constituer la source exclusive de H2 pour l’hydrogénotrophie. Après avoir écarté l’hypothèse qu’une production de H2 additionnelle à celle découlant de la fermentation d’une molécule de type CH2O provienne de l’oxydation du soufre réduit par le Fe(III) dans la zone de méthanogenèse, on peut en déduire que l’état moyen d’oxydation du carbone (EOC) des substrats à l’origine du CH4 produit dans les sédiments est compris entre −0.8 et −1.9. Dans le bassin occasionnellement anoxique, ces substrats peuvent en outre être représentés par un mélange d’acides ou d’alcools gras plutôt que par des glucides dont l’EOC est de zéro. L’ensemble des résultats de cette thèse suggère qu’une meilleure caractérisation de la composition de la matière organique minéralisée dans les sédiments permettrait l’amélioration des prédictions des modèles diagénétiques quant à l’altération du cycle du CH4 dans les lacs boréaux et à son importance dans le réchauffement planétaire.

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.  This thesis aims at enhancing our comprehension of the reactions that naturally produce and consume methane (CH4) in freshwater sediments. This research contribute to this objective through the modeling of transport processes and reactions that control the vertical distribution of CH4, dissolved inorganic carbon (DIC) and of the carbon isotopic signature (δ13C) of these solutes in the sediment porewater of Canadian Shield oligotrophic lakes. Three lake basins showing distinct characteristics were sampled at their deepest site: one is perennially oxygenated, one is occasionally anoxic at depth for short periods of time, and another one is regularly anoxic for several months. The perennially oxygenated basin and the occasionally anoxic one are adjacent in the same lake. The profiles of pH, and of other key solutes in the porewater (SO42−, ΣS(−II), Fe, dissolved organic carbon), as well as those of Mn, Fe and organic C in the sediments, further support the conclusions of this work.
Modeling the concentration profiles of CH4 and DIC with a transport-reaction equation constrains the depth intervals (or zones) where these solutes are produced or consumed and yields the net rates of the reactions in which they are involved in each zone. This procedure reveals, inter alia, that in both basins of the same lake, CH4 is produced below 4–7 cm depth at net rates reaching between 33 and 1150 fmol cm−3 s−1 depending on the sampling sites and dates. In the perennially oxygenated basin, methanogenesis represents 30–64% of organic C mineralization in the sediment whereas this proportion reaches 84–100% in the occasionally anoxic basin. About half of the CH4 produced in the sediments of the perennially oxygenated basin is consumed in a zone located between the sediment-water interface and 4–7 cm depth while the other half is exported to the water column. In contrast, in the occasionally anoxic basin, only about 20% of the produced CH4 is oxidized in the sediment and 80% is exported to the water column. Thermodynamic calculations show that the oxidation of CH4 by O2, Fe(III) and SO42− are theoretically possible but a quantitative analysis of the data indicates that O2 is by far the main electron acceptor involved in the oxidation of CH4 and organic matter in the sediment of both basins. Consequently, the sediments of the occasionally anoxic basin export more CH4 than DIC to the water column whereas those of the perennially oxygenated basin are essentially a source of DIC. The results reported clearly highlight that a small change in the hypolimnetic O2 concentrations significantly alters the relative and absolute magnitude of organic matter mineralization pathways in the sediments as well as the fluxes of CH4 and DIC across the sediment-water interface.
The efforts made to measure and model the δ13C of CH4 and DIC further demonstrate that CH4 is entirely produced through hydrogenotrophy at each of the study site and that the production rate of CH4 in the main zone of methanogenesis, which is located between approximately 4 and 10 cm depth, is 1.5 to 4 times higher than that of DIC. This observation is at odds with the equimolar production of CH4 and DIC expected from the fermentation of carbohydrates such as CH2O or C6H12O6, which are typically considered as the compounds representing the metabolizable organic matter in diagenetic models. Hence, the fermentation of carbohydrates cannot constitute the exclusive source of H2 for hydrogenotrophy. After ruling out the hypothesis that H2 can be produced from the oxidation of reduced sulfur by Fe(III) in the zone of methanogenesis, it can be concluded that the average carbon oxidation state (COS) of the organic substrates at the origin of CH4 produced in the sediment is comprised between −0.8 and −1.9. Furthermore, in the occasionally anoxic basin, these substrates can be represented by a mixture of fatty acids and alcohols instead of carbohydrates whose COS is zero. Overall, the results presented in this thesis suggest that a better characterization of the composition of the mineralized organic matter in the sediment would improve the predictions of diagenetic models concerning the alteration of the CH4 cycle and its importance in global warming.


identifier: Émond, Nicolas  (2017). Synthèse et caractérisation de couches minces de VO₂ et de WₓV₁₋ₓO₂ pour des applications dans les domaines infrarouge et térahertz.  Thèse.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, 306 p.

subject:
VO₂
ablation laser
couche mince
spectroscopie THz
épitaxie

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 VO2 thermochromique présente une transition de phase (IMT pour Insulator-Metal
Transition) réversible à TIMT ≈ 68 °C qui est accompagnée d’une hystérésis. Cette
transition de l’état isolant à basse température vers l’état métallique à haute
température est associée à un changement de structure cristalline de monoclinique à
tétragonale. La transition s’accompagne d’un changement significatif des propriétés
optiques et électriques du matériau. En effet, au-delà de la température de transition,
une diminution significative de la résistivité de même qu’une variation importante de la
transmittance et de la réflectance sont observées pour ce matériau.
Outre la température, ces changements peuvent également être induits par divers
stimulus externes comme un champ électrique ou une excitation optique. Puisque la
plupart des applications potentielles de la transition de phase du VO2 impliquent
l’utilisation de couches minces, plusieurs procédés de synthèse ont été élaborés à cet
effet. Parmi ceux-ci, le dépôt par ablation laser pulsée (PLD pour Pulsed Laser
Deposition) est une technique communément utilisée pour produire des couches
minces stoechiométriques de VO2 de haute qualité. La variation importante des
propriétés électriques et optiques de part et d’autre de l’IMT combinée à la transmission
élevée du VO2 en couche mince dans les domaines infrarouge (IR) et térahertz (THz)
en font un matériau prometteur pour la fabrication de divers dispositifs dont les
commutateurs, les filtres, les modulateurs, les microbolomètres, ainsi que les radiateurs
intelligents et les fenêtres intelligentes.
Le principal objet de cette thèse est d’étudier les propriétés électriques et optiques (IR
et THz) de couches minces de VO2 et de WxV1-xO2. En particulier, en choisissant
différents substrats, l’effet de la qualité cristalline des couches minces sur ces
propriétés a été analysé de manière détaillée. Dans un premier temps, nous avons
examiné l’effet du dopage et de la qualité cristalline des couches minces de VO2 sur
leurs propriétés morphologiques et structurales de même que sur leurs propriétés
électriques et optiques (IR) de part et d’autre de l’IMT. À cette fin, des couches minces
de WxV1-xO2 ont été déposées sur différents types de substrats (SiO2, aluminate de
lanthane (LaAlO3) orienté selon l’axe (100) et saphir (Al2O3) orienté selon l’axe
(1102) et ce, pour différentes proportions de dopants (0 ≤ x ≤ 0.033). Les couches
minces de WxV1-xO2 déposées sur substrat de SiO2 sont polycristallines, alors que
celles déposées sur substrat de LaAlO3 (100) sont polycristallines fortement texturées
et celles sur substrat d’Al2O3 (1102) sont épitaxiées. Cette analyse a permis de mettre
en évidence l’effet de la qualité cristalline et du dopage sur les propriétés de la
transition de phase du VO2. En améliorant la qualité cristalline, le principal résultat est
d’augmenter la variation de la résistivité électrique et de la transmission IR du VO2 entre
les états isolant et métallique. Par ailleurs, le dopage par un élément donneur comme le
tungstène réduit TIMT, diminue la variation de la résistivité électrique et de la
transmission IR du VO2 entre les états isolant et métallique ainsi que la largeur de
l’hystérésis et élargit la plage de températures auxquelles la transition a lieu. De plus,
notre étude a permis de mettre en évidence un phénomène de double transition pour
les couches minces de WxV1-xO2 déposées de façon épitaxiale sur Al2O3(1102). Cette
double transition est probablement due au fait que ces couches minces présentent deux
orientations cristallines distinctes hors plan.
Ce travail de nature fondamentale a été mis à profit afin de démontrer le potentiel
d’intégration des couches minces de VO2 et de WxV1-xO2 dans des détecteurs IR de
faibles dimensions et de haute performance opérant à température ambiante. À cette
fin, nous avons fabriqué une structure multicouche à base de WxV1-xO2/LAO(100) avec
différentes concentrations de tungstène. Cette structure possède d’excellentes
propriétés électriques, notamment un coefficient thermique de résistance élevé et
constant à température ambiante, une faible résistivité de même qu’une faible largeur
d’hystérésis. Elle présente en conséquence un fort potentiel pour le développement de
microbolomètres IR non-refroidis.
Dans un deuxième temps, les propriétés optiques (THz) de couches minces de VO2 ont
été étudiées afin de comprendre comment celles-ci sont influencées par la variation de
la microstructure et de la composition chimique du VO2. Cette dernière, générée via un changement de la pression d’oxygène (PO2) dans le réacteur, entraîne la modification
des concentrations des états de valence V3+ et V5+ dans les couches minces. Ainsi,
l’augmentation de la concentration en V3+ et/ou la réduction en V5+ causent la
décroissance de la résistivité et l’accroissement du changement de transmission THz
de part et d’autre de l’IMT. De plus, les variations de microstructure et de composition
chimique modifient de façon importante la plage de température à laquelle la transition
a lieu, ainsi que la symétrie et la largeur de l’hystérésis. D’un point de vue pratique,
cette étude permet de démontrer que le développement de commutateurs et de
détecteurs THz nécessite de synthétiser des couches minces de VO2 à faible PO2 (faible
hystérésis et large variation de la transmission THz), alors que le dépôt de couches
minces de VO2 à PO2 élevée (large hystérésis) est préférable pour des applications de
type mémoire THz.
Par la suite, nous avons utilisé deux techniques, à savoir la spectroscopie THz dans le
domaine temporel (THz-TDS pour Terahertz Time-Domain Spectroscopy) et la
technique pompe optique-sonde THz (OPTP pour Optical Pump-Terahertz Probe
Spectroscopy), pour étudier, d’une part, la transition de phase des couches minces
épitaxiées de WxV1−xO2 et, d’autre part, la dynamique ultrarapide de la transition de
phase photo-induite de ces couches.
La technique THz-TDS a permis de mesurer et de modéliser la conductivité THz des
couches minces et d’ainsi démontrer que la transition de phase implique la nucléation
graduelle et la percolation des nanograins métalliques dans une matrice isolante. Cette
transition s’accompagne en conséquence de la modification de la réponse électronique
du matériau de capacitive à inductive et la couche mince de VO2 se comporte comme
un milieu effectif présentant les caractéristiques d’un métamatériau désordonné pour
des températures avoisinant la température de transition. Par ailleurs, ces mesures
démontrent que la transition de phase est fortement modifiée par le dopage au
tungstène, ce dernier réduisant la température de transition et élargissant la plage de
température où apparaissent les domaines métalliques. La variation de la réponse
électronique des couches minces de WxV1−xO2 près de la température ambiante
pourrait donc être exploitée afin de simplifier de manière significative la conception de
métamatériaux modulables.
Par ailleurs, la technique OPTP a permis de démontrer que la composante rapide de la
transition de phase photo-induite, causée par la formation de domaines métalliques,
n’est pas affectée par le dopage au tungstène, alors que la composante lente, reliée à
la croissance et la coalescence de ces domaines métalliques, est ralentie de façon
significative. De plus, le dopage au tungstène réduit la fluence seuil nécessaire pour
induire l’IMT et augmente la variation de la transmission THz photo-induite de part et
d’autre de l’IMT. Ces résultats démontrent que le dopage au tungstène est une stratégie
prometteuse qui pourrait être utilisée pour améliorer les propriétés des couches minces
de VO2 en vue de leurs applications à la commutation et la modulation ultrarapides
dans le domaine THz.
Finalement, nous avons examiné la synthèse des différentes phases polymorphiques
du VO2 sur substrat de LaAlO3 (100), à savoir le VO2 (B) et le VO2 (M). Les propriétés
structurales, morphologiques et électriques de couches minces de VO2 de différentes
épaisseurs (t pour thickness) ont d’abord été étudiées et ont permis de mettre en
évidence que la croissance pseudomorphique exclusive de la phase VO2 (B) est
progressivement remplacée par celle de la phase VO2 (M) pour t > 11 nm. Au-delà de
t = 11 nm, il y a une augmentation importante de la rugosité de surface et une
diminution du paramètre c du VO2 (B) vers la valeur du matériau massif. Cette dernière
confirme que le changement de phase de VO2 (B) à VO2 (M) résulte de la relaxation
des contraintes induites par le substrat. Ces couches minces sont composées d’un
mélange complexe de phases VO2 (B) et VO2 (M) et présentent l’IMT typique de la
phase VO2 (M). Par la suite, nous avons démontré la possibilité d’induire ce
changement de phase de VO2 (B) à VO2 (M) et de promouvoir ainsi la croissance du
VO2 (M) en utilisant un traitement de surface par plasma. Ces changements naturels ou
induits fournissent non seulement des informations importantes sur la nature complexe
de la croissance des phases polymorphiques du VO2, mais pourraient également être
exploitées pour synthétiser des hétérostructures VO2 (B)/VO2 (M) de dimensions
micro/nanométriques destinées à diverses applications dans les domaines de
l’électronique et de l’énergie.
L’ensemble de ces travaux constitue une avancée importante en termes de
compréhension de l’effet du dopage et de la qualité cristalline sur les propriétés de l’IMT
de couches minces de VO2 et vers leur exploitation pour développer des dispositifs de
détection et de modulation de haute performance dans les domaines spectraux IR et
THz.


identifier: Ouellet-Proulx, Sébastien  (2013). Modélisation statistique des sédiments en suspension dans le fleuve Saint-Jean, Nouveau-Brunswick.  Mémoire.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de l'eau, 122 p.

subject: Saint-Jean

subject: Nouveau-Brunswick

subject: rivière Saint-Jean

subject: port

subject: draguage

subject: sédiments

subject: analyse statistique

subject: variables hydrométéorologiques

abstract:
Le port de Saint-Jean, situé dans l'estuaire du fleuve Saint-Jean(FSJ), au Nouveau Brunswick,
dans la baie de Fundy, est le plus grand port de l'est du Canada. Chaque
année, l'autorité portuaire doit draguer de grands volumes de sédiments du lit pour
maintenir une profondeur suffisante pour la circulation des grands navires
commerciaux. Toutefois, la grande variation interannuelle des volumes dragués inflige
une incertitude budgétaire quant aux coûts de dragage annuels du port.
La présente recherche vise à investiguer certaines causes de cette variation
interannuelle. Ses principaux objectifs sont les suivants: 1) vérifier la pertinence de
l'utilisation des variables hydrométéorologiques couramment mesurées pour prédire les
concentrations de sédiments en suspension (CSS) dans le FSJ; 2) comparer différentes
approches pour bâtir un modèle statistique d'estimation des CSS au pas de temps
horaire à partir des variables sélectionnées à l'objectif 1; 3) suggérer l'utilisation d'un
modèle pour pallier l'absence de programme de mesure des CSS dans le FSJ; 4) tester
les relations possibles entre la variabilité interannuelle des variables
hydrométéorologiques et les volumes de sédiments dragués.
Des mesures horaires de turbidité transformées en concentrations en sédiments en
suspension, ainsi que des mesures de pluviométrie et de débit ont permis de
développer des méthodes de modélisation des CSS en lien avec les trois premiers
objectifs. Les relations statistiques qui relient les CSS aux variables
hydrométéorologiques ont été évaluées quantitativement à l'aide des coefficients de
Pearson et de Spearman, alors que des corrélogrammes ont été bâtis pour démontrer
qu'il existe un délai entre l'événement pluvieux et le transport sédimentaire qui y est
associé. Des coefficients de corrélation élevés ont été calculés entre les CSS et le
niveau d'eau qui survient 10 jours avant le début de l'événement de transport, ainsi
qu'entre les CSS et la pluie cumulée durant les 17 jours précédant cette mesure.Le 4e
objectif a été réalisé, quant à lui, grâce aux données annuelles de dragage fournies par
l'Autorité portuaire de Saint-Jean (APSJ). Une analyse des corrélations a été effectuée
entre les volumes dragués et les variables hydrométéorologiques du bassin versant. Les variables significativement corrélées ont été utilisées comme prédicteurs potentiels
pour l'ajustement d'une régression linéaire multiple. Une sélection pas-à-pas ainsi
qu'une sélection exhaustive (toutes les combinaisons de prédicteurs ont été testées et
comparées selon le calcul du R² ajusté) ont été testées pour choisir les prédicteurs à
inclure dans le modèle. Deux variables ont été sélectionnées: le débit maximal moyen
de juin (JunQmax; r = 0,63) et la précipitation printanière totale (PcpnSpring).
Deux types de modèles statistiques ont été développés et calés pour l'estimation des
CSS horaires: une courbe de tarage débit-sédiment (SRC) et l'algorithme M5'(MS'), un
arbre de régressions utilisant diverses combinaisons de prédicteurs. Ces modèles ont
ensuite été comparés à l'aide de mesures de performances (R2
, RRMSE et biais relatif).
Les meilleurs résultats ont été obtenus grâce au modèle MS' à quatre prédicteurs (la
différence de niveau d'eau entre à t - 240 heures et t - 408 heures, de niveau d'eau à
t - 240 heures, la pluie cumulée entre t = 0 et t - 408 heures et la vitesse du courant à
t = 0), avec unR² = 0,72 en calibration et un R² = 0,46 en validation. Lorsque les CSS
ont été multipliées par les débits observés, la charge totale a été sous-estimée par
1,41 % en période de calibration et surestimée de 2,38 % en période de validation.
Enfin, le modèle MS' a permis d'obtenir des résultats supérieurs à ceux obtenus par
l'utilisation de la SRC.
La régression multiple, ajustée avec succès sur l'ensemble des données de dragage, a
permis d'expliquer 68 % de la variance avec une racine de l'erreur quadratique relative
(RRMSE) de 0,16. Le même modèle testé par validation croisée a permis d'obtenir un
R² de 0,59, et un RRMSE de 0,19.


identifier: Duguay, Yannick  (2017). Exploitation des images RADARSAT-2 polarimétriques et TerraSAR-X multipolarisations pour la cartographie des paramètres du couvert nival et de la végétation en milieu subarctique.  Thèse.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 236 p.

subject:
télédétection
subarctique
radar à synthèse d’ouverture
neige
RADARSAT-2
TerraSAR-X
polarimétrie.

abstract:
Les environnements subarctiques subissent de nombreux changements depuis les dernières
décennies du aux changements climatiques observées aux hautes latitudes. L’une des conséquences
de ce réchauffement est l’expansion de la végétation arbustive aux dépens de la toundra
arctique. Les arbustes affectent également la distribution spatiale du couvert nival en captant la
neige soufflée par le vent, qui vient les protéger des rigueurs hivernales et favorise leur croissance.
Le suivi de la végétation et de la neige est généralement effectué à l’aide de mesures in
situ ou par imagerie satellitaire dans le spectre optique. La télédétection Radar à Synthèse d’Ouverture
(RSO) présente de nombreux avantages, dont la possibilité d’acquérir des données sous
n’importe quelle condition météorologique ou d’éclairement ainsi que la capacité de pénétrer la
végétation et la neige pour fournir une information sur la structure verticale de celles-ci. Toutefois,
peu d’études se sont attardées sur la caractérisation de la végétation arbustive à l’aide de
l’imagerie RSO et cette dernière n’est généralement pas prise en compte dans les études portant
sur le couvert nival. L’objectif de mes recherches doctorales était donc d’évaluer le potentiel des
données RSO pour l’estimation et la cartographie des caractéristiques du couvert nival et de la
végétation en milieu subarctique. Pour ce faire, des données polarimétriques RADARSAT-2 et des
données multipolarisées TerraSAR-X ont été acquises aux environs du village d’Umiujaq (56,55°N,
76,55°O) situé sur la côte est de la Baie d’Hudson, à la limite septentrionale des arbres.
Un premier sous-objectif consistait à évaluer l’effet de la hauteur des arbustes et du pourcentage
du sol couvert par ceux-ci sur la rétrodiffusion RSO dans les différentes bandes de fréquences
et polarisations. Les résultats ont démontré que la hauteur et la couverture des arbustes ont un effet
significatif sur la rétrodiffusion radar, mais que cette sensibilité tend à diminuer lorsque le pourcentage
de couverture atteint 20% et que la hauteur moyenne pondérée des arbustes dépasse
environ 1 mètre. Ces résultats varient toutefois en fonction de la fréquence, de la polarisation et de
l’angle d’incidence, la polarisation croisée (HV) étant généralement la plus sensible. Les résultats
ont également démontré que le signal RSO demeure significativement affecté par la hauteur de
la végétation lorsque celle-ci est recouverte de neige en hiver. Le second objectif des travaux de
thèse visait à cartographier les types de couverts végétaux retrouvés en milieux subarctiques avec
un intérêt particulier pour la distinction entre différents types de couverts arbustifs. L’utilisation d’un
algorithme de classification supervisé de type machine à vecteurs de support (SVM) en combinaison
avec des données pleinement polarimétriques a permis d’accomplir une classification avec
une précision globale de 90%. Cette précision a été obtenue en combinant deux images polarimétriques
acquises soit à des angles d’incidence différents, soit à des saisons différentes (automne
et hiver). Cette méthode a entre autres permis la distinction entre un couvert d’arbustes épars,
un couvert d’arbustes bas (< 1m) et d’arbustes hauts (> 1m). Ces classifications ont ensuite été
utilisées pour segmenter le territoire dans le cadre du troisième objectif de la thèse portant sur
l’évaluation des caractéristiques du couvert nival à l’aide de données RSO. Dans le cadre de ce
troisième objectif, une analyse empirique a été menée afin de comparer la relation entre les paramètres polarimétriques issus des données RSO et la hauteur du couvert de neige. L’utilisation des
classifications a permis d’étudier l’effet du type de couvert végétal sur cette relation empirique. Les
résultats ont démontré une grande variabilité entre les classes. Les meilleures corrélations entre la
hauteur de neige et les paramètres polarimétriques ont été obtenus pour les couverts végétaux les
plus hauts. Toutefois une analyse plus poussée des données a démontré que les images acquises
à l’automne généraient des corrélations similaires. Il est donc fort possible que les relations observées
étaient plutôt dues à des corrélations indirectes du fait que le signal RSO soit corrélé avec la
hauteur de végétation et que cette dernière soit corrélée avec la profondeur de neige. Des études
plus approfondies sont donc nécessaires afin de voir s’il est possible de récupérer les caractéristiques
du couvert nival à partir de données RSO en présence de végétation arbustive. Par contre,
les résultats obtenus pour la caractérisation de la végétation arbustive à l’aide de données RSO
ouvrent des possibilités intéressantes pour le suivi des environnements subarctiques. Considérant
les nouvelles missions satellitaires utilisant la technologie RSO, tels que les satellites Sentinel-
1 du programme Copernicus de l’ESA, les satellites TerraSAR-X et COSMO-SkyMed opérant en
bande X ainsi que la future constellation RADARSAT, un suivi plus complet de ces environnements
sensibles pourra être assuré.


identifier: Abdelghani, Mohamed Lamine  (2017). Étude et conception d’antennes directives large bande à base de méta-surfaces.  Thèse.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en télécommunications, 112 p.

subject:
méta-surfaces
antennes à gain élevé et à large bande
plan de masse magnétique

abstract:
Cette thèse présente de nouvelles techniques à base de méta-surfaces pour la conception des antennes à gain élevé et à large bande.
Dans une première contribution, une structure méta-surface a été utilisée comme plan de masse magnétique. Ce plan magnétique forme un réflecteur semi-cylindrique pour une antenne basique de type dipôle. En utilisant une nouvelle technique de compensation de phase, ce réflecteur magnétique permet d’augmenter le gain tout en obtenant un rayonnement sectoriel. Les plans de masse magnétiques planaires ont souvent été utilisés pour les antennes pour augmenter le gain et pour améliorer la bande d’adaptation, cependant ils n’ont jamais été utilisés pour les antennes cylindriques avec un rayonnement sectoriel.
Dans une deuxième contribution, une nouvelle antenne Fabry-Pérot hautement directive à double-bande et avec une bande de gain 3-dB élargie est présentée. L’antenne proposée est composée de deux couches de PRS déposées sur un plan de masse métallique. Le coefficient de réflexion des deux couches PRS combine deux caractéristiques de phase : la double bande et la croissance de phase. La première caractéristique permet d’avoir une opération sur deux bandes de fréquences : 2.4 GHz et 5.6 GHz, tandis que la deuxième permet d’augmenter la bande de gain 3-dB. Cette nouvelle antenne offre une solution conjointe de deux problèmes traités précédemment d’une manière séparée.
Dans une troisième contribution, une autre antenne Fabry-Pérot entièrement rigide avec une bande de gain 3-dB élargie est présentée. Pour ce faire, nous avons conçu une nouvelle cellule unitaire AMC/PRS à double couche remplie de diélectrique qui vient se poser directement sur le plan de masse métallique de l’antenne excitatrice. La nouvelle cellule possède une réponse de phase de -180 sur une large bande de fréquences permettant ainsi la prolongation de la résonance de l’antenne. De cette façon; une bande de gain 3-dB large a pu être obtenue.


identifier: Bongiovanni, Domenico  (2018). Spectral generation and control of linear and nonlinear self-accelerating beams and pulses.  Thèse.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, 262 p.

subject: linear dynamics

subject: nonlinear dynamics

subject: optical self-accelerating wave packets

subject: laser beam

subject: peak intensity

abstract:
Unlike a conventional laser propagating along a straight line, a self-accelerating beam has the characteristic to follow a curved trajectory in a linear homogeneous medium, thus introducing transverse acceleration. Research on this field started in 2007 with the introduction of the Airy beam in an optical context. Such a beam propagates without diffraction along a parabolic trajectory, while exhibiting an Airy-shaped amplitude profile. Another property associated to the Airy beam is its capability of “self-healing”. Should one attempt to block a part of the beam at a certain distance, the Airy beam would “regenerate” during propagation. These intriguing features have made the Airy beam ideal for several applications in diverse fields of science. To name a few, we can mention optical bullets, curved plasma channels, electron accelerating beams and optical trapping. In the time domain, the counterpart to an Airy beam is an Airy pulse, showing the same properties in time when propagating in a linear regime. Nevertheless, in nonlinear media, an Airy beam/pulse behaves differently, due to the breakup of its acceleration by the nonlinearity. This constitutes a clear disadvantage, eventually limiting the possible range of applications of these wave packets. Meanwhile, over the last few years, the concept of acceleration has been extended beyond the parabolic case. In particular, further research advances on this topic have reported self-accelerating beams propagating along any arbitrary trajectory. Interestingly, the possibility to generate self-accelerating beams has also been investigated in the framework of the so-called “non-paraxial” regime, where beams accelerating along large bending angles have been demonstrated.
In this dissertation, we numerically and experimentally investigate the linear and nonlinear dynamics of optical self-accelerating wave packets. In the linear regime, one of the technique
used to generate such wave packets is based on the spectral amplitude and phase modulation of a standard laser beam. We introduce an analytical approach able to predict theirs curved paths, in the one- (or (1+1)D), two- (or (2+1)D) and three-dimensional (i.e. spatio-temporal or (3+1)D) cases, starting from the knowledge of the applied spectral modulation. Conversely, our method allow us to achieve any desired convex path by accordantly designing the spectral modulation.
Based on this study, we also propose and demonstrate a practical and easy technique to confine the energy of self-accelerating wave packets. In particular, we show that a significant enhancement of the peak intensity of these beams can be achieved, while preserving their intrinsic properties.
Finally, we study the nonlinear propagation of Airy beams and pulses. Specifically, we show that these self-accelerating wave packets are capable to preserve their accelerating properties in Kerr and photorefractive nonlinear media when their initial spectral modulation is properly engineered.


identifier: Honrado Guerreiro, Bruno Manuel  (2011). Enhancement of the electrodewatering properties of synthetic and municipal sludges by the addition of metal cations.  Thèse.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de l'énergie et des matériaux, 185 p.

subject:
electrotechnology
dewatering properties
synthetic sludge
municipal sludge

abstract:
Electrodewatering consists on the application of both pressure (mechanical effect) and
electrical current (electrokinetic phenomena) to colloidal systems, such as municipal sludge, in
order to achieve higher solid content (also designated by dryness). The influence of metal cations
and its salts on the electrodewatering characteristics was systematically studied for municipal
sludge and for two potential synthetic sludges, one composed of kaolin and the other of kaolin
plus xanthan gum. The effect of the size, charge and concentration of the metal cations were
studied in the three types of sludge. The effect of pH was also briefly addressed. The results were
explained by the selective adsorption of metal cations to the surface of the dispersed particles.
The adsorption was studied by ICP-AES (Inductively Coupled Plasma with Atomic Emission
Spectrometer) metal analysis. This project was performed in collaboration with Ovivo.
The first type of synthetic sludge was prepared by mixing kaolin powder with an
electrolyte, where the nature of the salt and its concentration (from 0.0 to 0.2 M) were varied. In
the presence of deionized water, the dryness of the sludge increases by 20%, from 62 to 74%. In
general, the addition of salts of monovalent cations, such as MCl, where M=Li⁺, Na⁺, K⁺ and
Rb⁺, causes an increase of the amount of water extracted from the sludge as long as the salt
concentration is below 0.1 M. In the case of CsCl, the amount of water extracted decreases
constantly with an increase in concentration. At the same concentration, the volume of water
extracted is highest for cations with the largest hydrated radius: Li⁺> Na⁺ > K⁺ > Rb⁺ > Cs⁺.
This series represents the opposite trend observed for the relative adsorption affinity of cations
for the surface of the kaolin: Li⁺ < Na⁺ < K⁺ < Rb⁺ < Cs⁺. Therefore, electrodewatering is
favored in the presence of poorly adsorbed metal cations as a direct result of improvement of the
electromigration. Moreover, for concentration in the range 0.0 to 0.2M, a charge increase on the
cation of the chloride salts (NaCl, CaCl₂ et CeCl₃) results in a decrease in the volume of
extracted water: Na⁺> Ca² ⁺> Ce³⁺, The adsorption of these cations to the kaolin surface is more
significant for the cations with the highest charge: Na⁺ < Ca²⁺ < Ce³⁺. Once again, the
electrodewatering is favored in presence of cations that do not adsorb to the kaolin surface. The electrodewatering of kaolin is also dependent on the pH that should be between 2
and 7. As a consequence, the addition of different sodium salts (NaCl, NaNO₃, NaClO₃, Na₂SO₄,
NaHCO₃, NaOH, Na₂CO₃) causes a decrease of the extracted water if the pH of the electrolyte is
higher than 8, which is the case of NaHCO₃, NaOH and Na₂CO₃.. In general, the extracted water
decreases in the series: Cl⁻, NO₃⁻, ClO₃⁻> SO₄²⁻>> HCO₃⁻ >> OH⁻, CO₃²⁻.
The energy spent in the electrodewatering process of kaolin mixed with deionized water
is 0.9±0.1 kWh per kilogram of extracted water. However, 96% of the water is extracted in the
first 10 minutes of electrodewatering with an energy consumption of 0.20±0.02 kWh/kg of
extracted water, which corresponds roughly to 20% of the energy spent in the 60-minute
experiments. Furthermore, the addition of the electrolyte solutions to kaolin causes an increase in
the energy consumption. As an example, the addition of LiCl 0.2 M to kaolin leads to an increase
of extracted water from 6.9 g without any salt to 8.0 g. At the same time the energy consumed is
1.1 and 2.1 kWh per kilogram of extracted water for the ten- and sixty-minute experiment,
respectively. Therefore, the composition of sludge and the operation time are both crucial for the
energy performance.
The electrodewatering properties of kaolin are changed upon addition of a small amounts
of xanthan gum (4.4 wt%). For example, a sludge composed of kaolin plus xanthan gum does not
dewater by the application of pressure alone, which is the opposite of what happens with the
kaolin sludge. The xanthan gum is helping to disperse the kaolin particles in solution, making the
dewatering more difficult. Moreover, the total water extracted from kaolin plus xanthan gum
sludge is 2.7 g, which is 2.6 times less water when compared to the water extracted from the
kaolin sludge (7.2 g).
All the salts of monovalent cations (MCl, with M=Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺, and Cs⁺) have a
similar effect on electrodewatering of kaolin plus xanthan gum sludge (Li⁺=Na⁺=K⁺=Rb⁺=Cs⁺)
when compared at the same concentration. On the other hand, an increase of the charge of the
metal cation results in an increase of extracted water: Na⁺ < Ca²⁺ < Ce³⁺. In this case, the amount
of extracted water increases with an increase of the concentration of added salt (from 0 to 0.2
M). The final dryness is 74.2% when CeCl3 0.2 M is added, compared to 66.2% with deionized
water. The presence of cations that adsorb strongly to the surface of the kaolin, such as Ce³⁺., facilitates the aggregation of the kaolin and xanthan gum particles, which results in an increase
of electrodewatering.
The replacement of chloride ion in NaCl was also studied. The amount of extracted water
decreases in the series: Cl⁻ > NO₃⁻ > ClO₃⁻, SO₄²⁻  >> HCO₃⁻ > CO₃²⁻ > OH⁻. The
electrodewatering of kaolin plus xanthan gum is favored by more acidic pH’s. The water lost by
evaporation, as a result of the increase in temperature during the drying process, may represent
more than 20% of the total extracted water. The energy consumed per kilogram of water
extracted is 2.9±0.1 kWh in the presence of deionized water.
The electrodewatering properties of municipal sludge from La Prairie, Quebec, were
studied. This sludge has an initial dryness of 14.3%. Upon electrodewatering, the dryness of the
sludge practically doubles (final dryness of 26±3%) and the initial volume is reduced by half.
Twenty percent of the total extracted water is lost by evaporation. The energy consumed in the
process is 0.29 kWh per kilogram of extracted water, which represents about four times less
energy when compared to a thermal drying method.
All monovalent cations have a similar effect on the electrodewatering of municipal
sludge: Li⁺=Na⁺=K⁺=Rb⁺=Cs⁺. Furthermore, the +2 and +3 cations are more efficient in the
dewatering of municipal sludge than +1 cations: Ce³⁺, Ca²⁺ > Na⁺. A bell shape curve is obtained
for the dependency of extracted water with the amount of added metal cation. The highest
dewatering is achieved at 4.4-7.5, 2.2-4.4, and 1.5-4.4 mmol of added, NaCl, CaCl₂ and CeCl₃,
respectively. For example, the final dryness of the sludge reaches 42% upon addition of 4.4
mmol of NaCl. This represents a three times increase in dryness relative to the initial value. In
these conditions, the volume of the sludge is reduced by 70%. For the optimal concentrations, the
energy consumed per kilogram of extracted water is 0.32, 0.36-0.43 and 0.33-0.39 kWh for Na⁺,
Ca²⁺ and Ce³⁺, respectively, values that are close to the one observed with deionized water. The
energy consumption is still less than the case of thermal drying. Thus, electrodewatering of
municipal sludge is an attractive method to treat municipal sludge residues and in fact the
process may be successfully optimized by the addition of metal cations prior to treatment.
Kaolin plus xanthan gum sludge and municipal sludge behave similarly in
electrodewatering. The synthetic sludge is a useful tool that can be used in the understanding of
the fundamental phenomena taking place in electrodewatering.