L'interaction de la radiation ionisante avec la matière biologique implique la formation d'une très grande quantité d'électrons de basse énergie, pour la plupart en deçà de 20 eV, qui déposeront ultimement la plus grande partie de l'énergie transportée par cette radiation. Il est connu que ces électrons peuvent causer des dommages très importants à l'acide désoxyribonucléique (ADN) d'une cellule. Cependant, la connaissance des mécanismes par lesquels ces dommages sont créés demeure incomplète. Nous avons étudié l'effet des électrons de basse énergie (i.e., 1 - 18.5 eV) sur des films minces d'un analogue au désoxyribose de l'ADN, soit le tétrahydrofurane (THF), condensés sur un séparateur inerte de krypton. Nous avons observé à l'aide de spectres d'excitations vibrationnelle et électronique que l'exposition à ces électrons pouvait impliquer l'ouverture du cycle de la molécule de THF résultant en la formation d'un composé de type aldéhyde, identifié avec le plus de certitude comme étant du butyraldéhyde. [Résumé abrégé par UMI]

Le traitement concomitant de radiothérapie et de chimiothérapie a amélioré le taux de survie des patients atteints du cancer. Le cisplatine est un des agents chimiothérapeutiques les plus utilisés, mais les mécanismes d'interaction avec la radiation demeurent toujours inconnus. Puisqu'une grande partie de la cellule est constituée d'eau, l'effet indirect de la radiation est alors important. Parmi les radicaux issus de la radiolyse de l'eau, l'électron hydraté est estimé incapable de générer des cassures de brin à l'ADN. Cependant, la modification structurelle et chimique de l'ADN par le cisplatine peut favoriser la cassure de brins. L'étude présentée dans cette thèse a pour but de comprendre le mécanisme d'interaction entre les électrons hydratés et l'adduit de cisplatine-oligonucléotide. Pour cela, différents types d'oligonucléotides contenant une ou deux guanines, soit le site d'attachement du cisplatine, sont utilisés. Cette interaction induit un détachement de l'adduit de cisplatine de l'ADN plutôt que des cassures de brin. Des dommages aux bases de l'ADN ont été observés et quantifiés par chromatographie en phase liquide à haute performance (HPLC). Les résultats montrent une augmentation des dommages aux bases de l'ADN en présence de cisplatine, soit aux guanines ainsi qu'aux sites qui ne sont pas les sites d'attachement de cisplatine. La constante de vitesse de la réaction des électrons hydratés avec le complexe d'oligonucléotide-cisplatine a été mesurée par la technique de radiolyse pulsée. Les résultats montrent une augmentation de cette constante en présence de cisplatine par rapport au cas d'un oligonucléotide en absence de cisplatine.

Abstract: Concomitant chemoradiation therapy based on platinum chemotherapeutic drugs (Pt-drugs) is a common treatment modality for several types of cancers and has dramatically improved patient survival. The radiosensitization capacity of Pt-drugs results essentially from their binding to nuclear DNA. Although several mechanisms such as increase in the radiation damage to DNA and inhibition of their repair have been proposed, the contribution and efficiency of the underlying molecular mechanisms of the radiosensitization remain unknown. This PhD thesis determines the relative efficiency of Pt-drugs, in terms of the type of drug and the quantity of Pt-DNA adducts, in the sensitization of DNA to the direct and indirect effects of ionizing radiations, and elucidates the major mechanism responsible for this radiosensitization. In particular, it addresses the role of low-energy electrons (LEEs), hydroxyl radicals and hydrated electrons in the radiosensitization of DNA modified by Pt-drugs. This thesis includes a review of the literature on the molecular basis of radiotherapy, Pt-based chemotherapy, and their combination in cancer treatment. Five articles, on which I am first author, are presented, and followed by a comprehensive discussion that integrates all results and their implications in the clinic and future research. With respect to the direct effect of radiation, LEEs are found to be the main species responsible for the enhancement in DNA damage, particularly cluster damage including DSB and interduplex cross-links. Irradiation of a 3199-bp plasmid DNA modified by an average of 2 Pt-drug adducts with 10-eV electrons results in significant increases in DSB formation by factors of 3.1, 2.5 and 2.4, respectively, for carboplatin, cisplatin and oxaliplatin relative to unmodified DNA. Irradiation of these samples with subexcitation-energy electrons (i.e., 0.5 eV) generates substantial number of DSB in the modified DNA, while no DSB is observed in the unmodified DNA. Since 0.5 eV is well below that energy required for the electronic excitation of organic molecules, dissociative electron attachment must be the main mechanism responsible for the formation of strand breaks in the presence of Pt-adducts. For indirect effects of radiation, our results show that both hydroxyl radicals and hydrated electrons are responsible for the enhanced formation of damage in modified DNA. In the presence of Pt-adducts, hydroxyl radicals mainly contribute to the SSB formation, while hydrated electrons are the main species responsible for the DSB formation. Our results indicate that carboplatin and oxaliplatin have higher efficiency than cisplatin in the enhancement of radiation damage to DNA. At low frquencies of Pt-DNA adducts (i.e., less than 3.1x10-4 adducts per nucleotide), radiosensitization of DNA, in terms of the damage per adduct, increases by an order of magnitude compared with that at large frquencies of adducts. In conclusion, Pt-drug modification is an extremely efficient means of enhancing the formation of DNA DSBs by both LEEs and hydrated electrons created by ionizing radiation.//Résumé: La radiochimiothérapie concomitante, basée sur les médicaments antinéoplasiques platinés (Pt-antinéoplasiquesm), est une modalité de traitement utilisé contre plusieurs types de cancers et a considérablement amélioré la survie des patients. Parmi ces médicaments anticancéreux, les analogues de platine sont les plus couramment utilisés. Leur capacité à radiosensibiliser résulte essentiellement de leur liaison à l'ADN nucléaire. Bien que plusieurs mécanismes aient été proposés telles que l'augmentation des dommages induits à l'ADN et l'inhibition de leur réparation, la contribution et l’efficacité des mécanismes moléculaires sous-jacents à la radiosensibilisation restent inconnus. La présente étude examine l'efficacité Pt-antinéoplasiques à sensibiliser l'ADN aux rayonnements ionisants et détermine le rôle des électrons secondaires, des radicaux d'hydroxyles et des électrons hydratés dans ce processus. Cette thèse comprend un revue des données scientifiques concernant la base moléculaire de la radiothérapie, de la chimiothérapie Pt-antinéoplasiques et de leur combinaison dans le traitement de cancer. Cinq articles, donc je suis premier auteur, sont présentés suivis d'une discussion qui intègre mes résultats et leurs implications dans la clinique et la recherche future. En ce qui concerne l'effet direct des radiations, les électrons de faible énergie s'avèrent être la principale espèce responsable de l’augmentation des dommages à l’ADN, en particulier les dommages multiples localisés, les CDBs et les pontages inter-brin. L'irradiation de plasmides de 3199 paires de bases, contenant en moyenne deux adduits Pt-ADN, avec des électrons de 10 eV conduit à une augmentation significative des CDBs par des facteurs de 3.1, 2.5 et 2.4, respectivement, pour le carboplatine, le cisplatine et l'oxaliplatine par rapport à l’irradiation des plasmides non modifiés. L'irradiation avec des électrons de 0.5 eV genère un nombre substantiel de CDBs dans les plasmides modifiés, alors qu'aucune CDB n'est observée dans les plasmides non modifiés. Puisque 0.5 eV est une énergie bien inférieure à celle nécessaire à l'excitation électronique des molécules organiques, l'attachement dissociatif de l’électron doit être le principal mécanisme responsable de la formation de cassures en présence de Pt-antinéoplasiques. Pour les effets indirects des rayonnements, nos résultats montrent que les radicaux hydroxyles et les électrons hydratés sont, tous les deux, responsables de la formation accrue des dommages dans l'ADN modifié. En présence d'adduits Pt-ADN, les radicaux hydroxyles contribuent principalement à la formation de cassures simple brin, tandis que les électrons hydratés sont les principales espèces responsables de la formation de CDBs. Nos résultats indiquent que le carboplatine et l'oxaliplatine sont plus efficaces que le cisplatine pour augmenter les dommages à l'ADN. À faible concentration de Pt-ADN (soit moins de 3.1x10[indice supérieur -4] adduit par nucléotide), la radiosensibilisation de l'ADN, en termes de dommages par adduit, est d'un ordre de grandeur supérieure à celle aux concentrations élevées. En conclusion, l’ajout de Pt-antinéoplasiques est un moyen extrêmement efficace d'augmenter la formation de CDBs dans l’ADN par l’intermédiaire des électrons de faible énergie et des électrons hydratés produits par les rayonnements ionisants. [symboles non conformes]

Le but de ce projet de maîtrise est d’explorer la dynamique des jonctions Supraconducteur/métal Normal/Supraconducteur (SNS) diffusives dans un régime de fréquence de l’ordre du temps électron-phonon, soit l’échelle de temps sur laquelle un électron diffuse sur les phonons. Les jonctions utilisées possèdent des bornes en niobium tandis que le métal normal est de l’aluminium. Les mesures sont réalisées à des températures supérieures à 1.4 K, soit au-dessus de la température critique de l’aluminium (1.20 K) et largement en dessous de celle du niobium (9.26 K). On étudie ces jonctions en mesurant leurs caractéristiques courant-tension lorsqu’elles sont excitées avec un signal radio-fréquence (rf). Pour une demi-période d’excitation sinusoïdale (demi-cycle), on observe deux possibilités : soit la jonction reste dans l’état supraconducteur, soit elle transite vers l’état normal. En variant la fréquence et l’amplitude de l’excitation, on relève la statistique de ces transitions. On met ainsi en évidence des changements dans le comportement dynamique de la jonction lorsqu’on varie les paramètres de l’excitation. Si l’on fixe la fréquence d’excitation à une valeur suffisamment basse et qu’on augmente progressivement l’amplitude de cette excitation, on observe une variation graduelle du pourcentage de cycles (ou demi-cycles) d’excitation sinusoïdale où la jonction transite de l’état supraconducteur à l’état normal. Pour les très basses fréquences, cette variation se fait sur un intervalle d’amplitude d’excitation qui coïncide avec la largeur de la distribution du courant critique de la jonction. En augmentant la fréquence d’excitation, cette variation est de plus en plus abrupte et devient un saut discontinu au-delà d’une fréquence critique [florin]*. Ce saut discontinu à haute fréquence s’accompagne d’une hystérèse. Pour un régime de fréquence intermédiaire, les cycles présentant une transition vers l’état normal se regroupent dans le temps et forment des blocs de transitions vers l’état normal. On a montré que la durée moyenne de ces regroupements croît exponentiellement avec la fréquence. Par exemple, pour une température de 1.4 K, la durée moyenne de ces regroupements peut varier de sept ordres de grandeur sur la plage de radio-fréquence étudiée. Enfin, ces comportements dynamiques sont fortement dépendants de la température. En caractérisant ces changements de comportement en fonction des divers paramètres d’excitation et de la température, on met en évidence que le bruit thermique associé au bain de phonons fait partie intégrante du mécanisme causant les regroupements dans le régime de fréquence intermédiaire. À suffisamment basse fréquence (ou à toutes les fréquences dans l’approximation que la dynamique n’affecte pas le « bain »), la caractérisation de ce régime transitoire constitue en soi une « mesure » de l’occurrence d’événements rares, ici les fluctuations thermiques menant la jonction à transiter vers l’état normal.

Parmi les technologies du 21e siècle en pleine expansion, la télécommunication sans-fil constitue une dimension fondamentale pour les réseaux mobiles, l’aéronautique, les applications spatiales et les systèmes de positionnement par satellites. Dans ce sens, l’alternative de l’exploitation de bande de plus haute fréquence et la multiplication des canaux de transmission sont activement visées par les travaux de recherches actuels. Les technologies à l’étude reposent sur l’utilisation de systèmes intégrés pour répondre aux considérations de coûts de production et d’encombrement des dispositifs. L’élément de base de ces systèmes, le transistor, établit largement la performance du dispositif final en termes de montée en fréquence, de fiabilité et de consommation. Afin de répondre aux défis présents et futurs, des alternatives à la filière silicium sont clairement envisagées. À ce jour, la filière nitrure de gallium est présentée comme la plus prometteuse pour l’amplification de puissance en bande Ka et W au vue de ses caractéristiques physiques et électriques, des performances atteintes par les prototypes réalisées et des premiers produits commerciaux disponibles.L’exploitation de cette technologie à son plein potentiel s’appuie sur la maîtrise des étapes de fabrication, de caractérisation et de modélisation du transistor. Ce travail de thèse a pour objectif le développement d’une modélisation de transistors fabriqués expérimentalement à l’état de l’art. Une partie conséquente de ce travail sera portée sur la caractérisation thermique du dispositif ainsi que sur la modélisation d’éléments passifs pour la conception d’un circuit hyperfréquence de puissance.. / Amongst the emerging and developing technologies of the 21st century, wireless transmission is a fundamental aspect for mobile networks, aeronautics, spatial applications and global positioning systems. In that sense, the use of higher frequency bandwidths and increase of transmission channels are aimed by various current research works. Investigated technologies are based upon integrated systems to meet the criteria of devices costs and size. As the cornerstone of such devices, the transistor largely accounts for the final system performance in terms of working frequency, reliability and consumption. To respond to the challenges of today and tomorrow challenges, alternatives to the dominant current silicon process are clearly considered. To date, gallium nitride based technology is found to be the most promising for hyperfrequency power amplification for Ka and W bands given the associated physical and electrical characteristics, prototypes performance and first commercial “off-the-shelf” products. Exploitation of this technology to its full potential requires controlling and mastering the involved fabrication, characterization and modeling steps related to the transistor. This work aims at establishing a methodology enabling a semi-physical modeling of experimental transistors which exhibit state-of-the-art performance. A significant part of this work will also focus on thermal characterization of devices under test and on modeling of passive elements suited for the design of hyperfrequency power circuits.

Cette étude porte sur l'intégration hybride de transistors à un électron (single-electron transistor, SET) dans un noeud technologique CMOS. Les SETs présentent de forts potentiels, en particulier en termes d'économies d'énergies, mais ne peuvent complètement remplacer le CMOS dans les circuits électriques. Cependant, la combinaison des composants SETs et MOS permet de pallier à ce problème, ouvrant la voie à des circuits à très faible puissance dissipée, et à haute densité d'intégration. Cette thèse se propose d'employer pour la réalisation de SETs dans le back-end-of-line (BEOL), c'est-à-dire dans l'oxyde encapsulant les CMOS, le procédé de fabrication nanodamascène, mis au point par C. Dubuc. Les avantages de ce procédé sont triples : capacité de créer des dispositifs SETs à large marge d'opération, répétabilité élevée, et compatibilité potentielle avec une fabrication en BEOL. Ce dernier point est particulièrement important. En effet, il ouvre la voie à la fabrication de nombreuses couches de SETs empilées les unes sur les autres et formant ainsi des circuits 3D, réalisées au-dessus d'une couche de CMOS. Ceci permettrait d'apporter une forte valeur ajoutée aux plaques de CMOS existantes. On présentera les réalisations obtenues par une adaptation du procédé nanodamascène à une fabrication en BEOL, en mettant en avant les limites rencontrées, et les perspectives d'améliorations. Des caractérisations électriques des dispositifs seront aussi présentées. Elles démontrent la fonctionnalité des dispositifs créés, et valident le transfert avec succès de la méthode nanodamascène à une fabrication en BEOL. Elles ont aussi permis d'identifier la présence d'un nombre élevé de pièges au coeur des dispositifs fabriqués. L'étude du potentiel des SETs fabriqués pour la réalisation de circuits hybride SET-CMOS a été faite au travers de simulations. D a ainsi été possible d'identifier les pistes à privilégier pour les réalisations futures de circuits hybrides.

Le but de ce projet de maîtrise est d’explorer la dynamique des jonctions Supraconducteur/métal Normal/Supraconducteur (SNS) diffusives dans un régime de fréquence de l’ordre du temps électron-phonon, soit l’échelle de temps sur laquelle un électron diffuse sur les phonons. Les jonctions utilisées possèdent des bornes en niobium tandis que le métal normal est de l’aluminium. Les mesures sont réalisées à des températures supérieures à 1.4 K, soit au-dessus de la température critique de l’aluminium (1.20 K) et largement en dessous de celle du niobium (9.26 K). On étudie ces jonctions en mesurant leurs caractéristiques courant-tension lorsqu’elles sont excitées avec un signal radio-fréquence (rf). Pour une demi-période d’excitation sinusoïdale (demi-cycle), on observe deux possibilités : soit la jonction reste dans l’état supraconducteur, soit elle transite vers l’état normal. En variant la fréquence et l’amplitude de l’excitation, on relève la statistique de ces transitions. On met ainsi en évidence des changements dans le comportement dynamique de la jonction lorsqu’on varie les paramètres de l’excitation. Si l’on fixe la fréquence d’excitation à une valeur suffisamment basse et qu’on augmente progressivement l’amplitude de cette excitation, on observe une variation graduelle du pourcentage de cycles (ou demi-cycles) d’excitation sinusoïdale où la jonction transite de l’état supraconducteur à l’état normal. Pour les très basses fréquences, cette variation se fait sur un intervalle d’amplitude d’excitation qui coïncide avec la largeur de la distribution du courant critique de la jonction. En augmentant la fréquence d’excitation, cette variation est de plus en plus abrupte et devient un saut discontinu au-delà d’une fréquence critique [florin]*. Ce saut discontinu à haute fréquence s’accompagne d’une hystérèse. Pour un régime de fréquence intermédiaire, les cycles présentant une transition vers l’état normal se regroupent dans le temps et forment des blocs de transitions vers l’état normal. On a montré que la durée moyenne de ces regroupements croît exponentiellement avec la fréquence. Par exemple, pour une température de 1.4 K, la durée moyenne de ces regroupements peut varier de sept ordres de grandeur sur la plage de radio-fréquence étudiée. Enfin, ces comportements dynamiques sont fortement dépendants de la température. En caractérisant ces changements de comportement en fonction des divers paramètres d’excitation et de la température, on met en évidence que le bruit thermique associé au bain de phonons fait partie intégrante du mécanisme causant les regroupements dans le régime de fréquence intermédiaire. À suffisamment basse fréquence (ou à toutes les fréquences dans l’approximation que la dynamique n’affecte pas le « bain »), la caractérisation de ce régime transitoire constitue en soi une « mesure » de l’occurrence d’événements rares, ici les fluctuations thermiques menant la jonction à transiter vers l’état normal.

Les sources appelées lasers à cascade quantique (LCQ) présentent des potentialités très intéressantes pour l'émission aux fréquences térahertz. Ce travail vise à mieux comprendre les phénomènes physiques à l'origine du transport quantique dans les LCQ. Dans ce but, nous avons utilisé la simulation Monte Carlo. Le mémoire est divisé en trois parties. Dans une première partie, nous présentons les sources optoélectroniques émettant dans l'infrarouge. Nous précisons le formalisme de l'équation Maîtresse pour modéliser le transport quantique dans ces dispositifs. La deuxième partie est consacrée à la description du modèle en insistant particulièrement sur la modélisation de l'interaction électron-électron. Dans la troisième partie, nous examinons des LCQ émettant dans l'infrarouge lointain. Il ressort de nos études que l'interaction électron-électron joue un rôle prépondérant à ces fréquences. Nous envisageons ensuite deux voies afin de diminuer la fréquence jusqu'à 1 THz.

Le travail présenté ici concerne l'étude des différentes phases de porteurs de charge générées sous excitation optique à basse température dans les nanostructures de silicium cristallin. Après avoir rappelé et décrit brièvement les mécanismes physiques responsables de l'apparition et de l'équilibre entre le gaz d'excitons, le plasma et le liquide électron-trou dans les semiconducteurs massifs, il est montré, en s'appuyant sur les techniques de photoluminescence résolues en longueur d'onde et en temps, que le seuil de condensation des excitons en liquide électron trou est abaissé dans les puits de silicium sur isolant (SOI) du fait du confinement spatial unidimensionnel. Cet effet permet également de mettre en évidence la nucléation et la coalescence des gouttelettes de liquide. Une augmentation de la température de transition liquide-plasma est observée dans les milieux confinés dans les trois directions de l'espace, obtenus à partir de puits de SOI. L'influence du champ électrique sur le liquide est examinée grâce à la fabrication de jonctions métal-oxyde-semiconducteur pouvant servir à localiser les gouttelettes sous les électrodes. Enfin, l'effet du confinement quantique sur le liquide est observé dans les puits fins de SOI et conduit à la création d'un liquide bidimensionnel. Les données sont analysées en s'aidant d'un modèle prenant en compte l'abaissement de la dimensionalité du silicium ainsi que l'apparition de charges image dans le matériau barrière. Pour les puits les plus fins, l'apparition de raies de luminescence caractéristiques de celles émises par des nanocristaux de silicium atteste de l'observation de la transition puits/boîte.

Dans cette thèse, l'effet non-local des interactions locales électron-électron sur le transport est étudié dans des modèles de dimensions réduites. À température nulle, le transport au travers d'une nanostructure où les électrons interagissent peut être décrit par une matrice de diffusion. Néanmoins, si les interactions sont importantes à l'intérieur de la nanostructure, le diffuseur effectif à un corps qui décrit la nanostructure ne dépend pas seulement des paramètres internes de la nanostructure, mais aussi des diffuseurs qui existent dans les conducteurs en contact avec la nanostructure.<br /><br />Ces effets non-locaux induits par l'interaction sont étudiés dans trois modèles différents, en utilisant la théorie Hartree-Fock pour décrire l'interaction.<br /><br />En regardant deux nanostructures où les électrons interagissent, on montre que les matrices de diffusion des deux nanostructures sont effectivement couplées par les oscillations de Friedel qu'elles engendrent dans les conducteurs externes.<br /><br />Pour observer les effets non-locaux dans la conductance quantique, il suffit de regarder une seule nanostructure où les électrons interagissent en série avec un diffuseur à un corps. En remplaçant la deuxième nanostructure par une boucle attachée, nous montrons que la matrice de diffusion de la nanostructure dépend du flux magnétique au travers de la boucle.<br /><br />En étendant l'étude à des modèles bidimensionnels, l'influence de l'effet non-local sur les images obtenues par un microscope à effet de grille est étudiée. En utilisant l'effet non-local, on peut détecter l'importance des interactions locales électron-électron dans ces images.