No description available.

Density functional theory (DFT) calculations of polyethylene (PE) HVDC cable insulation have been performed for systems containing four different chemical impurities: acetophenone, cumene, $\alpha$-methyl styrene and $\alpha$-cumyl alcohol. Systems were generated by molecular dynamics (MD) equilibration at four different temperatures relevant for cable insulation applications: 277 K, 293 K, 343 K and 363 K. With the goal of gaining better measure of variations in hole and electron traps energies, four initial configurations were also stochastically generated at each temperature, which yielded four different final configurations after equilibration. The counterpoise correction scheme was implemented for DFT calculations, by distributing ghost atoms thought any empty pockets of space in between the PE chains. The PBE functional was selected for DFT simulations. The resulting band gaps were in agreement with those of earlier GGA-based studies, and thus lower by 3 eV than empirical band gaps. For all impurities, the first HOMO state and the first two LUMO states were generally located on the impurity molecule, forming one hole trap and two electron traps, but certain configurations generated increased electron trap numbers, or eliminated hole traps. No dependence could be derived between temperature and trap depth for either electron or hole traps. Mean electron trap energies were largely in agreement with results from earlier studies, they were deepest for acetophenone, and they varied by as much as 0.6 eV between different configurations. Hole traps are universally shallow and vary by up to 0.7 eV between configurations, and are similar in depth for all impurities. Results suggest that electron trap depths correlate with the presence of molecular features such as oxygen atoms and conjugated double bonds. The dependence of trap depth on the spatial configuration of the impurity molecule suggests that results could be improved by more precise quantum mechanical treatment of the dynamics of the impurity. / Täthetsfunktionalteori (DFT) har använts för beräkningar av isolering till HVDC kablar som består av polyeten innehållande fyra olika kemiska orenheter: acetofenon, kumen, alfa-metylstyren och alfa-kumylalkohol. System att studera genererades genom molekylärdynamisk ekvilibrering vid fyra olika temperaturer relevanta för tillämning till kabelisolering: 277 K, 293 K, 343 K och 363 K. För att få ett mått på de variationer som existerar i energierna på hål- och elektronfällor genererades stokastiskt fyra initialkonfigurationer vid varje temperatur, vilket fyra olika konfigurationer efter relaxering. Motviktskorrigering implementerades för DFT-beräkningar, genom att fördela "spökatomer" i de tomrum som bildas mellan PE-kedjorna i den amorfa fasen. PBE-funktionalen användes för DFT-simuleringar. De resulterande bandgapen stämde överens med tidigare GGA-baserade studier, och var därmed runt 3 eV smalare än empiriskt uppmätta bandgap. För alla orenheter var det första HOMO-tillståndet och de två första LUMO-tillstånden i allmänhet placerade på orenheten, vilket resulterade i en hålfälla och två elektronfällor, men vissa konfigurationer gav upphov till fler elektronfällor, eller eliminerade hålfällorna. Inget samband kunde härledas mellan temperaturen och djupet på fällorna för vare sig elektron- eller hålfällor. Medelvärdet på elektronfällornas energier överensstämde till stor del med resultat från tidigare studier, energierna var högst för acetofenon, och de varierade med så mycket som 0,6 eV mellan olika konfigurationer. Hålfällorna var genomgående grunda, varierade med upp till 0,7 eV mellan olika konfigurationer, och hade likartat djup för alla orenheter. Resultaten indikerar att variationerna elektronfällornas medeldjup uppstår på grund av orenheternas olika molekylära uppbyggnad: förekomst av syreatomer och konjugerade dubbelbindningar i orenheterna leder till djupare elektronfällor. Det faktum att djupet på elektron- och hålfällor varierar mellan olika rumsliga konfigurationer av av orenheten och polyetenstrukturen ger en antydan om att resultaten kan komma att förbättras om dynamiken hos orenheten simuleras med mer exakta kvantmekanisk metoder.

Le travail de cette thèse porte sur l’identification et le contrôle des propriétés thermiques et acoustiques de nanostructures à fort potentiel thermoélectrique appelés « Super-réseaux ». Le manuscrit comporte trois parties : La première partie est consacrée à la description théorique des phénomènes de transport thermique par diffusion dans les solides isolants et semi-conducteurs. Nous abordons tout d’abord le point de vue atomique, puis macroscopique en utilisant la méthode des quadripôles thermiques. La fin du chapitre est consacrée aux propriétés acoustiques et thermiques des super-réseaux. La deuxième partie présente et compare les méthodes de Thermoreflectance laser synchrone et asynchrone utilisées pour extraire les propriétés thermiques de couches minces et de super-réseaux. Nous montrons que dans le cas synchrone, les signaux sont soumis à des artefacts modifiant leur allure et rendant difficile l’identification des propriétés thermiques. Dans le cas asynchrone, la suppression de tous les éléments mobiles permet d’obtenir un signal sans artéfact. Nous traitons ensuite des fonctions de sensibilité au modèle développé puis nous validons la méthode d’identification en estimant la conductivité thermique d’un film mince de SiO2. La troisième partie présente les résultats des identifications de la conductivité thermique de différents super-réseaux de SiGe. Nous montrons que les résistances d’interface jouent un rôle majeur dans l’explication de la réduction de la conductivité thermique. Nous étudions également des super-réseaux contenant des îlots de Ge, nous montrons que de telles structures permettent d’obtenir non seulement des conductivités proches de celles des matériaux amorphes, mais le comportement linéaire de la conductivité en fonction de la période montre qu’il est possible de contrôler cette dernière. Enfin, nous utilisons la Thermoreflectance pour réaliser une étude de spectroscopie THz de phonons cohérents dans les super-réseaux et nous mettons en évidence la sélectivité spectrale des ces nanostructures. / The work presented in this thesis deals with identification and control of the thermal and acoustic properties of high thermoelectric potential nanostructures called “superlattices”. This thesis is divided in three parts: The first part gives a theoretical description of thermal diffusion in insulating and semiconducting materials. We first broach the atomic description then the macroscopic view using the Thermal Quadrupole model. The end of this chapter deals with acoustic and thermal properties specific to superlattices. The second part describes and compares synchronous and asynchronous thermoreflectance techniques used to extract thermal properties of thin films and superlattices. We find that for the synchronous case signals are subject to artifacts which confound parameter estimations. For the asynchronous case, we find that lack of a mechanical translation stage removes these artifacts. We then investigate the sensitivity functions, and finally validate our identification method by estimation of the thermal conductivity of a SiO2 thin film. The third part presents the results of thermal parameter identification in SiGe superlattices. We show that thermal interfaces play a major role to in the overall thermal conductivity. We also study superlattices with Ge nanodots and show that for such structures we are able to obtain thermal conductivity values near the amorphous values. Moreover, the linear behavior of the thermal conductivity with period thickness shows that it is possible to control this value. Finally, we use Thermoreflectance to perform THz coherent phonon spectroscopy of superlattices, revealing the spectral selectivity of these nanostructures.