This study investigates the exports , deposition rates and budgets of particulate carbon and nitrogen in the Gaoping river-sea system. Concentrations of dissolved materials in the Gaoping River ( GPR ) downstream were generally lower in the wet season than in the dry season due to the dilution effect of runoff. However, concentrations of particulate matters were higher in the wet season than in the dry season, arisen largely from high physical and chemical weathering rates in the wet season. Total suspended matters ( TSM ), particulate organic carbon ( POC ) and particulate nitrogen ( PN ) in the GPR existed mainly in 10-63 £gm particles during the wet season and in 3-10 £gm particles during the dry season. Particulate inorganic carbon ( PIC ), however, was associated with different particle sizes and its pattern was no significant difference between dry and wet seasons. The GPR carried about 1.88 ¡Ñ 1010 mol C yr-1 POC, 1.04 ¡Ñ 1010 mol C yr-1 PIC and 1.07 ¡Ñ 109 mol N yr-1 PN into the Gaoping coastal sea during the study period. The total particulate carbon was approximately consisted of 64 % POC and 36 % PIC. Distributions of particle sizes in Gaoping coastal sediments were largely < 63 £gm as fine particles were generally carried by the coastal current, wave, tide and deposited on places away from the coastal line. The mean burial flux was 2.25 mg cm-2 yr-1 for particulate carbon ( PC ) and 0.27 mg cm-2 yr-1 for PN, equivalent to 5.7 ¡Ñ109 mol C yr-1 ( 6.84 ¡Ñ104 ton C yr-1 ) for PC and 1.0 ¡Ñ 108 mol N yr-1 ( 1.41 ¡Ñ 103 ton N yr-1 ) for PN in the study area. The buried PC was consisted of 58 % POC and 42 % PIC. The geochemical features of core sediments in the Gaoping Submarine Canyon ( GPSC ) show that the sedimentation was not steady in places near the canyon head affected obviously by extreme events and those cores were not used for determining sedimentation rates. In addition to GPSC, the shelf on the northern side of GPSC was apparently prominent in receiving river borne sediments. The southern shelf sediment of GPSC, however, was significantly influenced by Liuchiu Islet and showed relatively high concentrations of PIC. In general, concentrations of particulate organic matters ( POM ) in sediments decreased as the core depth increased, but dissolved organic matters ( DOM ) and dissolved inorganic matters ( DIM ) in pore water increased as the core depth increased. The contents of clay, POM and POC/PN in sediments and concentrations of dissolved organic and inorganic carbon in pore water increased as the distance of sampling station increased from the coastal line. The burial efficiency ( BE ) of carbon and nitrogen was estimated from the burial fluxes of particulate matters in core sediments and the diffusion fluxes of dissolved materials across the sediment-water interface. The BE of carbon and nitrogen ranged from 50 % to 85 % ( ave. 84 % ) and from 30 % to 95 % ( ave. 45 % ), respectively in the Gaoping coastal sea. The deposited carbon and nitrogen account for only 23.4 % total PC and 20 % total PN derived from the river loads or 3.6 % total PC and 0.9 % total PN derived from the river loads and the net ecosystem production ( NEP ). The results imply that most particulate carbon and nitrogen derived either from the Gaoping River or NEP may be partly recycled in the water column or largely moved off the study area to the deeper ocean.

Depuis plus de 30ans, les chercheurs essaient de combiner le silicium et le GaAs. Le potentiel de l'intégration du GaAs sur Si est en effet considérable pour le remplacement des substrats coûteux de GaAs ou de Ge dans la fabrication de cellules PV, de photodétecteurs, de LED, de lasers…. Il en est de même pour le développement de nouveaux dispositifs opto- et électroniques par l'intégration monolithique de GaAs sur circuit silicium. Des défis majeurs persistant jusqu'à aujourd'hui doivent toutefois être surmontés.Dans le but de surmonter ces difficultés, nous proposons un concept intéressant qui permet l'hétéroépitaxie de III-V sur Si. Ce concept est basé sur la technique d’épitaxie latérale (ELO) par CBE depuis des ouvertures nanométriques réalisées dans un masque de silice ultra-mince. Cette technique nous a permis d’obtenir des microcristaux de GaAs sans défaut et parfaitement intégrés sur Si grâce à une nucléation depuis des ouvertures de très petits diamètres qui évitent la génération de dislocations dues au désaccord de maille. Le concept étant validé, nous avons poursuivi l’étude en utilisant une 2ème approche de nanostructuration technologique du masque et permettant la localisation des cristaux. L’obtention in fine d’une pseudo-couche de GaAs sur Si sans défaut ni contrainte serait particulièrement utile pour les diverses applications mentionnées. Seront donc présentés le concept d’intégration, puis les résultats de croissance par ces techniques, et des analyses matériaux complémentaire. Pour finir, sera détaillée la structure d’une cellule PV de GaAs/Si devant permettre d’atteindre un rendement de conversion de 29,2%, ainsi que les premiers résultats obtenus. / For over thirty years researchers have attempted to combine Si and GaAs. Alternative GaAs-on-Si substrates have a considerable market potential for replacing the costly GaAs or Ge substrate in producing traditional GaAs devices such as solar cells, photodetectors, LEDS, lasers, and microwave devices, and as a new technology for monolithic integration of GaAs elements and silicon integrated circuits. However, major challenges remaining until now must be overcome.In that way, we propose an interesting concept that allows III-V heteroepitaxy on silicon. This concept is based on the Epitaxial Lateral Overgrowth (ELO) by CBE from nanoscale holes through an ultra-thin silica layer. This technique allows us to obtain GaAs microcrystals without any defect and perfectly integrated on Si thanks to nanoscaled nucleation seeds which prevent dislocation generation due to lattice mismatch. The concept being validated, the study has continued using a 2nd approach of nanostructuration to allow crystal localization. The achievement of getting a GaAs pseudo-layer on silicon substrate without any defect or stain would be of great interest for the formerly mentioned applications.So the integration concept of III-V materials on silicon will be introduced, then growth resultants by these techniques, and material characterizations in order to qualify the integrated GaAs on silicon regarding to the opto- and electronic applications. Finally, the structure of a GaAs/Si tandem solar cell will be discussed. After proving this solar cell could reach a 29.2% conversion efficiency, first achievements will be revealed.

L’intégration du GaAs sur Si est un des défis majeurs des 40 dernières années puisqu’elle permettrait de combiner les nombreux avantages du Si, dont notamment son bas coût, avec les propriétés de haute mobilité et de gap direct du GaAs. Les cellules photovoltaïques multi-jonctions à base de matériau III-V permettent d’obtenir les plus hauts rendements de conversion photovoltaïque. Cependant, leur coût de fabrication élevé est un aspect limitatif de leur utilisation. Nous nous sommes intéressés ici à une étude préliminaire visant à réaliser leur intégration sur substrat Si. In fine, l’objectif sera la réalisation de cellules tandems GaAs/Si et GaAs/Ge sur substrat Si. L’intégration du GaAs et du Ge sur Si conduit cependant à la formation de dislocations et de fissures du fait de leurs désaccords de maille et de leurs différences de coefficient d’expansion thermique respectifs. De plus, du fait de la différence de polarité entre le GaAs et le Si, cette intégration conduit également à la formation de domaine d’anti-phase. Nous présentons dans cette étude un procédé d’intégration permettant à la fois l’élimination de ces défauts et le passage du courant entre le matériau épitaxié et le Si. Ce procédé est basé sur l’utilisation d’ouvertures de tailles nanométriques dans une silice fine, qui nous permet ainsi de réaliser la croissance du GaAs sur Si sous forme de cristaux, par épitaxie latérale à partir de nano-germes de GaAs ou de Ge. Pour ce faire, nous utilisons l’épitaxie par jet chimique sans gaz vecteur qui est une technique de croissance permettant une bonne sélectivité. La croissance sera tout d’abord étudiée dans des ouvertures aléatoires, facilement réalisées in-situ sous ultravide, puis dans des ouvertures localisées de tailles fixées. Ces dernières sont obtenues suite à une procédure longue et complexe qui repose sur des étapes de nettoyage chimique, d’enrésinement, de lithographie électronique, de développement et de gravure ionique réactive. Nous présenterons les résultats de la croissance directe de cristaux de GaAs dans les ouvertures sur Si (001) et Si (111), et également à partir de nano-germes de Ge. Ce procédé d’intégration a permis l’élimination des trois types de défauts précédemment indiqués, et nous avons obtenu de très bons résultats notamment lors de l’intégration dans les ouvertures localisées sur Si (111). Nous verrons que la morphologie des nano-germes de Ge peut toutefois être problématique lors de la reprise d’épitaxie du GaAs. La possibilité de passage du courant par effet tunnel à travers la silice fine sera ensuite vérifiée et le dopage des cristaux de GaAs avec du Si sera également présenté. / GaAs on Si integration is one of the major challenges of the last 40 years as it would allow to combine Si advantages, like its low cost, with GaAs high mobility and direct bandgap. Multi-junction photovoltaic cells based on III-V materials have the highest photovoltaic conversion efficiencies. However, their high manufacturing cost is a limiting aspect of their use. This is why we have made a preliminary study aiming at realizing their integration on Si substrate. In fine, the objective will be the realization of tandem solar cells made of GaAs/Si and GaAs/Ge on Si substrate. However, GaAs and Ge integrations on Si lead to dislocations and cracks formations because of their respective differences of lattices parameters and thermal expansion coefficients. Moreover, because of the difference of polarity between GaAs and Si, this integration also leads to anti-phase domain formation. We present in this study an integration process allowing both these defects elimination and current passage between the epitaxial material and Si. This process is based on the use of nanoscale openings in a thin silica, which allows us to carry out GaAs crystals growth on Si by lateral epitaxy from GaAs or Ge nano-seeds. To do this, we use chemical beam epitaxy which is a growth technique allowing good selectivity. Firstly, the growth will be studied inside randomly dispersed openings, which are easily made in situ under ultra-high vacuum, and then inside localized openings with fixed sizes. These are obtained after a long and complex procedure including chemical cleaning, resist spin-coating, electronic lithography, development and reactive ion etching. We will present GaAs crystals direct growth inside openings on Si (001) and (111), and also from Ge nano-seeds. This integration process allowed the elimination of the three types of defects previously mentioned, and we have obtained very good results especially for the integration inside localized openings on Si (111). We will see that Ge nano-seeds morphology can however be problematic during the GaAs lateral epitaxy. In addition, the current passage by tunnel effect through the thin silica will be verified and the GaAs crystals doping with Si will also be presented.

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La situation énergétique et les enjeux environnementaux auxquels la société est confrontée entraînent un intérêt grandissant pour la production d'électricité à partir de l'énergie solaire. Parmi les technologies actuellement disponibles, la filière du photovoltaïque à concentrateur solaire (CPV pour concentrator photovoltaics) possède un rendement supérieur et un potentiel intéressant à condition que ses coûts de production soient compétitifs.La méthode d'épitaxie par faisceaux chimiques (CBE pour chemical beam epitaxy) possède plusieurs caractéristiques qui la rendent intéressante pour la production à grande échelle de cellules photovoltaïques à jonctions multiples à base de semi-conducteurs III-V. Ce type de cellule possède la meilleure efficacité atteinte à ce jour et est utilisé sur les satellites et les systèmes photovoltaïques à concentrateur solaire (CPV) les plus efficaces. Une des principales forces de la technique CBE se trouve dans son potentiel d'efficacité d'utilisation des matériaux source qui est supérieur à celui de la technique d'épitaxie qui est couramment utilisée pour la production à grande échelle de ces cellules. Ce mémoire de maîtrise présente les travaux effectués dans le but d'évaluer le potentiel de la technique CBE pour réaliser la croissance de couches de GaAs sur des substrats de Ge. Cette croissance constitue la première étape de fabrication de nombreux modèles de cellules solaires à haute performance décrites plus haut.La réalisation de ce projet a nécessité le développement d'un procédé de préparation de surface pour les substrats de germanium, la réalisation de nombreuses séances de croissance épitaxiale et la caractérisation des matériaux obtenus par microscopie optique, microscopie à force atomique (AFM), diffraction des rayons-X à haute résolution (HRXRD), microscopie électronique à transmission (TEM), photoluminescence à basse température (LTPL) et spectrométrie de masse des ions secondaires (SIMS). Les expériences ont permis de confirmer l'efficacité du procédé de préparation de surface et d'identifier les conditions de croissance optimales. Les résultats de caractérisation indiquent que les matériaux obtenus présentent une très faible rugosité de surface, une bonne qualité cristalline et un dopage résiduel relativement important. De plus, l'interface GaAs/Ge possède une faible densité de défauts. Finalement, la diffusion d'arsenic dans le substrat de germanium est comparable aux valeurs trouvées dans la littérature pour la croissance à basse température avec les autres procédés d'épitaxie courants. Ces résultats confirment que la technique d'épitaxie par faisceaux chimiques (CBE) permet de produire des couches de GaAs sur Ge de qualité adéquate pour la fabrication de cellules solaires à haute performance. L'apport à la communauté scientifique a été maximisé par le biais de la rédaction d'un article soumis à la revue Journal of Crystal Growth et la présentation des travaux à la conférence Photovoltaics Canada 2010.

Ce projet de maîtrise consiste à l'asservissement et la mise en marche d'un réacteur d'épitaxie par jets chimiques au Laboratoire d'Épitaxie Avancée de l'Université de Sherbrooke. Le réacteur sert à la croissance dans l'ultravide de matériaux semi-conducteurs tels que l'arséniure de gallium (GaAs) et le phosphure d'indium-gallium (GalnP). La programmation LabVIEW™ et du matériel informatique de National Instruments sont utilisés pour asservir le réacteur. Le contrôle de la température de l'échantillon et de la pression de contrôle des réactifs de croissance dans le réacteur est assuré par des boucles de rétroaction. Ainsi, la température de l'échantillon est stabilisée à ±0,4 °C, alors que les pressions de contrôle de gaz peuvent être modulées sur un ordre de grandeur en 2 à 4 secondes, et stabilisées à ±0,002 Torr. Le système de pompage du réacteur a été amélioré suite à des mesures de vitesse de pompage d'une pompe cryogénique. Ces mesures révèlent une dégradation sur plus d'un ordre de grandeur de son pompage d'hydrogène avec l'opération à long terme. Le remplacement de la pompe cryogénique par une pompe turbo-moléculaire comme pompe principale a permis d'améliorer la fiabilité du système de pompage du système sous vide. D'autre part, la conductance du système d'acheminement de gaz et d'injection a été augmentée afin de réduire un effet mémoire des sources le système et faciliter la croissance de matériaux ternaires. Ainsi, des croissances de GaAs (100) sur substrat de même nature ont été effectuées et ont révélé un matériau de bonne qualité. Sa rugosité moyenne de 0,17 nm, mesurée par microscopie à force atomique, est très faible selon la littérature. De plus, une mobilité élevée des porteurs est obtenue à fort dopage au silicium, au tellure et au carbone, notamment une mobilité de 42 ± 9 cm2V_1s_1 des porteurs majoritaires "(trous) lors du dopage au carbone à 1,5 • 1019 cm-3, en accord avec la courbe théorique. La croissance du matériau ternaire GalnP a aussi été réalisée en accord de maille avec le substrat de GaAs, et avec une rugosité de 0,96 nm. Ceci constitue un premier pas dans la croissance d'alliages ternaires au laboratoire. Finalement, la mise eh marche du réacteur d'épitaxie par jets chimiques permet maintenant à cinq étudiants gradués de faire progresser des projets reliés directement à la croissance épitaxiale au Laboratoire d'Épitaxie Avancée de l'Université de Sherbrooke. [symboles non conformes]

La physique moderne repose sur deux théories fondamentales distinctes, la relativité générale et la mécanique quantique. Toutes les deux décrivent d’une part les phénomènes macroscopiques et cosmologiques tels que les ondes gravitationnelles et les trous noirs et d’autre part les phénomènes microscopiques comme la superfluidité ou le spin des particules. L’unification de ces deux théories reste, jusqu’à présent, un problème non résolu. Il est intéressant de noter que les différentes théories de gravité quantique prédisent une violation des principes de la relativité générale à différents niveaux.Il est donc hautement intéressant de détecter les violations de ces principes et de déterminer à quel niveau elles se produisent.De récentes propositions pour effectuer des tests du principe d’ équivalence d’Einstein suggèrent une amélioration spectaculaire des performances en utilisant des capteurs atomiques `a ondes de matière.Dans ce contexte, il est nécessaire de concevoir des états d’entrée de l’interferomètre avec des conditions initiales bien définies. Un test de pointe de l’universalité de la chute libre (Universality of FreeFall en anglais (UFF) ) nécessiterait, par exemple,un contrôle des positions et des vitesses avec une précision de l’ordre de 1 μm et 1 μm.s⁻¹ , respectivement.De plus, les systématiques liées à la taille du paquet d’ondes limitent le taux d’expansion maximum possible à 100 μm.s⁻¹. La création initiale des états d’entrée de l’interféromètre doit être assez rapide,de l’ordre de quelques centaines de ms au maximum,pour que le temps de cycle de l’expérience soit pertinent d’un point de vue métrologique. Dans cette thèse j’ai développé des séquences optimisées s’appuyant sur l’excitation du centre de masse et de la taille d’un ou plusieurs ensembles d’atomes refroidis ainsi que dégénérés. Certaines séquences proposé dans cette thèse ont déjà été implémenté dans des expériences augmentant de manière significative le contrôle des ensembles atomiques. / Modern physics relies on two distinct fundamental theories, General Relativity and Quantum Mechanics. Both describe on one hand macroscopic and cosmological phenomena such as gravitational waves and black holes and on the other hand microscopic phenomena as superfluidity or the spin of particles. The unification of these two theories remains, so far, an unsolved problem. Interestingly, candidate Quantum Gravity theories predict a violation of the principles of General Relativity at different levels. It is, therefore, of a timely interest to detect violations of these principles and determine at which level they occur. Recent proposals to perform Einstein Equivalence Principle tests suggest a dramatic performance improvement using matter-wave atomic sensors. In this context, the design of the input states with well defined initial conditions is required. A state-of-the-art test of the universality of free fall (UFF) would, for example, require a control of positions and velocities at the level of 1 µm and 1 µm.s⁻¹, respectively. Moreover, sizerelated systematics constrain the maximum expansion rate possible to the 100 µm.s⁻¹level. This initial engineering of the input states has to be quite fast, of the order of few hundred ms at maximum, for the experiment’s duty cycle to be metrologically-relevant. In this thesis I developed optimized sequences based on the excitation of the center of mass and the size excitation of one or two cooled atomic sample as well as degenerated gases. Some sequences proposed in this thesis have already been implemented in experiments and significantly increase the control of atomic ensembles.

Nous étudions la dynamique non linéaire en champ moyen de la formation de molécules diatomiques par photo-association ou magnéto-association d'atomes ultra froids pour un système entièrement atomique dans l'état initial. Nous montrons que dans la limite d'une forte interaction non linéaire entre un système atome-molécule ultra froid et un champ électromagnétique quasi résonnant, le processus de formation du condensat moléculaire peut évoluer suivant deux scénarios en fonction des caractéristiques du champ : régime faiblement oscillatoire ou régime fortement oscillatoire. Dans le cas du régime faiblement oscillatoire, le nombre de molécules augmente sans oscillations prononcées des populations atomiques et moléculaires alors que de fortes oscillations de Rabi apparaissent dans le second cas. Nous présentons des solutions analytiques décrivant la dynamique temporelle du système dans ces deux cas. Nous étudions ensuite l'influence de la diffusion élastique entre particules sur la dynamique de formation cohérente de molécules sous l'action d'un champ extérieur représenté par le modèle de Landau-Zener. Nous déterminons une solution approchée qui décrit bien toute la dynamique temporelle de formation moléculaire dans ce cas général.

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Nous étudions la dynamique non linéaire en champ moyen de la formation de molécules diatomiques par photo-association ou magnéto-association d’atomes ultra froids pour un système entièrement atomique dans l’état initial. Nous montrons que dans la limite d’une forte interaction non linéaire entre un système atome-molécule ultra froid et un champ électromagnétique quasi résonnant, le processus de formation du condensat moléculaire peut évoluer suivant deux scénarios en fonction des caractéristiques du champ : régime faiblement oscillatoire ou régime fortement oscillatoire. Dans le cas du régime faiblement oscillatoire, le nombre de molécules augmente sans oscillations prononcées des populations atomiques et moléculaires alors que de fortes oscillations de Rabi apparaissent dans le second cas. Nous présentons des solutions analytiques décrivant la dynamique temporelle du système dans ces deux cas. Nous étudions ensuite l’influence de la diffusion élastique entre particules sur la dynamique de formation cohérente de molécules sous l’action d’un champ extérieur représenté par le modèle de Landau-Zener. Nous déterminons une solution approchée qui décrit bien toute la dynamique temporelle de formation moléculaire dans ce cas général. / We study the nonlinear mean-field dynamics of diatomic molecule formation at coherent photo- and magneto-association of ultracold atoms focusing on the case when the system is initially in the all-atomic state. We show that in the limit of strongly nonlinear interaction between an ultra-cold atomic-molecular system and a quasi-resonant electromagnetic field, the molecule formation process, depending on the characteristics of the associating field, may evolve according two different scenarios, namely, weak- and strong-oscillatory regimes. In the first case the number of molecules increases without pronounced oscillations of atom-molecule populations, while in the second case high-amplitude Rabi-type oscillations arise. Assuming an arbitrary external field configuration, we construct analytical solutions to describe the system’s temporal dynamics in the both interaction regimes. Further, we investigate the influence of inter-particle elastic scattering on the dynamics of coherent molecule formation subject to an external field configuration of the resonance-crossing Landau-Zener model. We derive an approximate solution which for the first time describes the whole temporal dynamics of the molecule formation in this general case.