abstract: Due to diminishing availability of 3He, which is the critical component of neutron detecting proportional counters, large area flexible arrays are being considered as a potential replacement for neutron detection. A large area flexible array, utilizing semiconductors for both charged particle detection and pixel readout, ensures a large detection surface area in a light weight rugged form. Such a neutron detector could be suitable for deployment at ports of entry. The specific approach used in this research, uses a neutron converter layer which captures incident thermal neutrons, and then emits ionizing charged particles. These ionizing particles cause electron-hole pair generation within a single pixel's integrated sensing diode. The resulting charge is then amplified via a low-noise amplifier. This document begins by discussing the current state of the art in neutron detection and the associated challenges. Then, for the purpose of resolving some of these issues, recent design and modeling efforts towards developing an improved neutron detection system are described. Also presented is a low-noise active pixel sensor (APS) design capable of being implemented in low temperature indium gallium zinc oxide (InGaZnO) or amorphous silicon (a-Si:H) thin film transistor process compatible with plastic substrates. The low gain and limited scalability of this design are improved upon by implementing a new multi-stage self-resetting APS. For each APS design, successful radiation measurements are also presented using PiN diodes for charged particle detection. Next, detection array readout methodologies are modeled and analyzed, and use of a matched filter readout circuit is described as well. Finally, this document discusses detection diode integration with the designed TFT-based APSs. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Electrical Engineering 2014

Ce travail est consacré à l’étude du comportement photochimique d’un encapsulant multifonctionnel de cellules photovoltaïques organiques (CPO) dont la finalité est d’augmenter à la fois la durée de vie et le rendement de conversion des cellules. L’étude rapportée dans ce manuscrit porte sur le développement d’un revêtement permettant la conversion lumineuse du rayonnement UV solaire, ce dernier étant un facteur important de dégradation des CPO à base de P3HT et ne contribuant que faiblement à la conversion photovoltaïque. Dans un premier temps cette étude a porté sur l’élaboration d’une couche de conversion à partir d’une matrice polymère en EVA et d’une charge luminescente inorganique (SrAl2O4 : Eu2+, Dy3+). Dans un second temps, l’évolution des propriétés physiques et chimiques de cette couche de conversion sous irradiation à des longueurs d’onde supérieures à 300 nm a été étudiée. La présence des charges s’est révélée être un facteur pro-dégradant des films composites, sans pour autant que le mécanisme de dégradation du polymère ne soit affecté. L’étude des conditions de propagation de la lumière dans les films diffusants par l’application de la théorie de Mie a mis en évidence une possible augmentation du trajet optique des photons dans certains films composites. Ce phénomène pourrait contribuer à expliquer l’origine du comportement photochimique particulier des films étudiés. C’est finalement une preuve de concept qui a été recherchée pour l’utilisation d’un revêtement multifonctionnel pour l’amélioration et la conservation des propriétés de conversion d’une CPO à base de P3HT. / This work is devoted to the study of the photochemical behavior of a multifunctional coating dedicated to the encapsulation of organic solar cells (OSC), elaborated with the aim of improving both the lifetime of the cells and their efficiency. The study reported in this manuscript focuses on the development of a coating allowing the conversion of UV sunlight, this last greatly damaging P3HT based OSC and poorly contributing to the photovoltaic conversion. A composite film was then elaborated by incorporating an inorganic luminescent filler (SrAl2O4 : Eu2+, Dy3+) in Ethyl Vinyl Acetate copolymer (EVA). The modifications of chemical and physical properties of these films were investigated upon irradiation using wavelengths beyond 300 nm. The presence of fillers was revealed to be a pro-degrading factor of the composite films, without existence of any change of the degradation mechanism of the polymer. The propagation of light within these films was carefully investigated by applying Mie theory. The results highlight a possible increase of the light optical path in composite films due to scattering. This phenomenon might contribute to explain the photochemical behavior of the studied films. At last, a proof of concept was searched for the design of multifunctional coatings able to increase and preserve the conversion properties of a P3HT based OSC.

Organic semiconducting materials have received a lot of attention in recent years and can now be found in many applications. One of the applications, the light emitting electrochemical cell (LEC) has emerged due to its flat and lightweight device structure, low operating voltage, and possibility to be fully solution processed. Today LECs can emit light of various colors, but to be applicable in the lighting industry, white light need to be produced in an efficient way. White light on the other hand, is one of the toughest "colors" to achieve in an efficient way, and is of particular interest in general lighting applications, where high color-rendering index devices are necessary. In this thesis I show that blue light can be partially converted, into white light, by utilizing the photoluminescence of color conversion layers (CCLs). Furthermore, I show that a high color-quality white light can be attained by adopting a blue-emitting LEC with a CCL. Particularly, three different color-conversion materials were embedded onto a blue bottom-emitting LEC, to study the resulting spectrum. One of the materials, MEH-PPV, have good absorption compatibility with the electroluminescence of the blue emitters, but the materials photoluminescence do not cover the red to deep-red range of the spectrum. These parts of the spectrum are necessary to obtain high color rendering indices (≥80). A single layer of MEH-PPV adapted onto a blue-emitting LEC, led to a cold white LEC with CIE-coordinates x = 0.29, and y = 0.36, color-rendering index = 71, and correlated color temperature = 7200 K. These properties makes it potentially useful in outdoor-lighting applications. The photoluminescence of another studied color-converting material, polymer red, covers the red to deep-red range of the spectrum but the material lacks absorption in the green parts of the blue emitters electroluminescence spectrum. Thus it is necessary to combine it with MEH-PPV to be able to absorb all wavelengths from the blue-emitter and get a broad light-spectrum out of the device. In order to preserve a part of the blue light, a new device configuration was designed. It features a top-emitting blue LEC with a dual-layer CCL which reach an impressive color rendering index = 89 at a correlated color temperature = 6400 K (CIE-coordinates x = 0.31, y = 0.33). The color-rendering index is the highest reported for a white LEC. The absence of UV-, and IR-radiation, together with the high color rendering properties make the white LEC a possible candidate for even the most demanding lighting-applications, such as art galleries, and shop display windows, together with indoor lighting. In this thesis, I show that the CCLs function well. However, for the LECs to be worthy competitors, the efficiency and lifetime of the blue emitter need improvements.

Sélectionner des traitements de surface pour l’industrie nécessite de prendre en compte : les propriétés à conférer au substrat, la nature et la géométrie de celui-ci et les caractéristiques du milieu extérieur. Certaines combinaisons de ces paramètres rendent difficile la sélection d’un traitement unique, d’où le recours à des multitraitements de surface. Dès lors, se posent les questions suivantes : - Utiliser des multitraitements de surface peut se faire en scindant les différentes requêtes en sous-ensembles, de manière à ce que chaque traitement réponde à l’un d’eux. Dans quel ordre ces requêtes doivent-elles être introduites par rapport au substrat ? - Comment sélectionner les traitements de surface répondant à chaque requête individuelle ? - Comment classer des multitraitements en termes d’adéquation au problème posé ? Dans ce travail, les première et troisième questions sont abordées, en explorant les requêtes concernant habituellement les dispositifs de moulage de l’aluminium : - Résistance aux contraintes d’origine thermique. - Résistance à la corrosion par les métaux fondus. - Résistance au frottement. L’analyse de la bibliographie relative aux traitements de surface utilisés dans ces systèmes a été analysée et des « architectures »-types ont été identifiées (chapitre 3). On prévoit, par exemple, un traitement conférant la résistance à la fatigue superficielle, ainsi qu’un revêtement étanche et résistant à l’aluminium fondu. Une barrière thermique est parfois préconisée. Pour chacune des architectures, des traitements de surface individuels peuvent être sélectionnés. Un « facteur de performance » permettant de classer les solutions par rapport au problème de la fatigue thermique a été construit (chapitre 4) et discuté dans deux situations : - Lorsqu’un revêtement est présent, et que les contraintes d’origine thermique (différence de dilatation thermique couche-substrat) menacent de le rompre lors de l’immersion dans un milieu corrosif à haute température. Des essais de corrosion dans de l’aluminium fondu ont été réalisés sur un acier revêtu par du nitrure de chrome dopé à l’aluminium, synthétisé par déposition physique en phase vapeur (chapitre 5 – collaboration : Inasmet). - Lorsque des variations thermiques rapides menacent de rompre le substrat et la (les) couches. Des essais de fatigue thermique ont été réalisés sur de l’acier à outils pour travail à chaud non traité, boruré ou recouvert d’un multitraitements (zircone yttriée / NiCrAlY / boruration / acier). Le revêtement en zircone yttriée a été obtenu par projection par plasma. L’essai de fatigue thermique a été modélisé et le facteur de performance, discuté (chapitre 6). Au chapitre 7, les architectures-types ont été introduites dans une méthodologie de sélection des multi-traitements de surface, qui a été appliquée dans deux cas : - Celui des moules de fonderie, devant résister à la fatigue thermique et à la corrosion par l’aluminium fondu. Le facteur de performance a été extrapolé à d’autres situations qu’aux chapitres 5 et 6. Les solutions habituellement proposées pour résoudre ce problème sont retrouvées. - Celui de deux pièces en acier frottant l’une contre l’autre en présence d’aluminium fondu. To select surface treatments, one must account for the required functional properties, the substrate features and the solicitations the substrate must endure. Certain combinations of these parameters make it difficult to select a single surface treatment, a reason why several successive treatments are preferred. To select them, one needs to determine: - How to divide the several requests into groups and how to stack up these groups from the substrate to the outer surface, so that each treatment deals with one specific group of requests/properties. - How to select individual layers for each group of properties. - How to rank the multi-treatments in terms of relevance for a given application. In this work, one tries to answer the first and the third questions, by studying the case of aluminium foundry, in which the industrial devices frequently face the following solicitations: - Thermal stress (thermal fatigue, thermal expansion mismatch). - Presence of corrosive molten metal. - Sliding wear. In the literature, several “standard” architectures are proposed (chapter 3), like a diffusion layer reducing superficial fatigue plus a corrosion barrier layer. A thermal barrier coating is also sometimes proposed. For each of these architectures, one can select individual treatments. To rank them, one devised a “performance index” for thermal stress (chap.4), which is discussed for two cases: - For large differences between layer and substrate thermal expansion coefficients, when both are put into contact with a high temperature corrosive medium, the layer may be damaged. One discusses this case by examining the corrosion caused by molten aluminium for a steel substrate coated by anticorrosive chromium nitride doped with aluminium. The layer is produced by physical vapour deposition (chap. 5 – cooperation: Inasmet). - Repeated fast surface temperature transients can also damage the substrate and/or the layer by thermal fatigue. One conducted thermal fatigue tests with samples of hot work tool steel, respectively untreated, simply borided and protected by a multilayer. In the last case, top coat is yttria stabilised zirconia, followed by a nickel superalloy and then a borided layer (undercoat). One synthesized the zirconia coating by plasma spray and one modelled the thermal fatigue (chap. 6). In chap. 7, architectures from chap. 2 are introduced in a multi-treatment selection routine, which is applied in two cases: - Foundry moulds for molten aluminium, withstanding both thermal fatigue and corrosion. The devised performance index is extrapolated beyond the tests of chap. 5 and 6 to treatments for this industrial application, thereby quantifying their respective merits. - A foundry device exposed to molten metal and sliding wear.

Sélectionner des traitements de surface pour l’industrie nécessite de prendre en compte :les propriétés à conférer au substrat, la nature et la géométrie de celui-ci et les caractéristiques du milieu extérieur. Certaines combinaisons de ces paramètres rendent difficile la sélection d’un traitement unique, d’où le recours à des multitraitements de surface. Dès lors, se posent les questions suivantes :<p>- Utiliser des multitraitements de surface peut se faire en scindant les différentes requêtes en sous-ensembles, de manière à ce que chaque traitement réponde à l’un d’eux. Dans quel ordre ces requêtes doivent-elles être introduites par rapport au substrat ?<p>- Comment sélectionner les traitements de surface répondant à chaque requête individuelle ?<p>- Comment classer des multitraitements en termes d’adéquation au problème posé ?<p>Dans ce travail, les première et troisième questions sont abordées, en explorant les requêtes concernant habituellement les dispositifs de moulage de l’aluminium :<p>- Résistance aux contraintes d’origine thermique.<p>- Résistance à la corrosion par les métaux fondus.<p>- Résistance au frottement.<p>L’analyse de la bibliographie relative aux traitements de surface utilisés dans ces systèmes a été analysée et des « architectures »-types ont été identifiées (chapitre 3). On prévoit, par exemple, un traitement conférant la résistance à la fatigue superficielle, ainsi qu’un revêtement étanche et résistant à l’aluminium fondu. Une barrière thermique est parfois préconisée.<p>Pour chacune des architectures, des traitements de surface individuels peuvent être sélectionnés. Un « facteur de performance » permettant de classer les solutions par rapport au problème de la fatigue thermique a été construit (chapitre 4) et discuté dans deux situations :<p>- Lorsqu’un revêtement est présent, et que les contraintes d’origine thermique (différence de dilatation thermique couche-substrat) menacent de le rompre lors de l’immersion dans un milieu corrosif à haute température. Des essais de corrosion dans de l’aluminium fondu ont été réalisés sur un acier revêtu par du nitrure de chrome dopé à l’aluminium, synthétisé par déposition physique en phase vapeur (chapitre 5 – collaboration :Inasmet).<p>- Lorsque des variations thermiques rapides menacent de rompre le substrat et la (les) couches. Des essais de fatigue thermique ont été réalisés sur de l’acier à outils pour travail à chaud non traité, boruré ou recouvert d’un multitraitements (zircone yttriée / NiCrAlY / boruration / acier). Le revêtement en zircone yttriée a été obtenu par projection par plasma. L’essai de fatigue thermique a été modélisé et le facteur de performance, discuté (chapitre 6).<p>Au chapitre 7, les architectures-types ont été introduites dans une méthodologie de sélection des multi-traitements de surface, qui a été appliquée dans deux cas :<p>- Celui des moules de fonderie, devant résister à la fatigue thermique et à la corrosion par l’aluminium fondu. Le facteur de performance a été extrapolé à d’autres situations qu’aux chapitres 5 et 6. Les solutions habituellement proposées pour résoudre ce problème sont retrouvées.<p>- Celui de deux pièces en acier frottant l’une contre l’autre en présence d’aluminium fondu.<p><p>To select surface treatments, one must account for the required functional properties, the substrate features and the solicitations the substrate must endure. Certain combinations of these parameters make it difficult to select a single surface treatment, a reason why several successive treatments are preferred. To select them, one needs to determine:<p>- How to divide the several requests into groups and how to stack up these groups from the substrate to the outer surface, so that each treatment deals with one specific group of requests/properties.<p>- How to select individual layers for each group of properties.<p>- How to rank the multi-treatments in terms of relevance for a given application.<p>In this work, one tries to answer the first and the third questions, by studying the case of aluminium foundry, in which the industrial devices frequently face the following solicitations:<p>- Thermal stress (thermal fatigue, thermal expansion mismatch).<p>- Presence of corrosive molten metal.<p>- Sliding wear.<p>In the literature, several “standard” architectures are proposed (chapter 3), like a diffusion layer reducing superficial fatigue plus a corrosion barrier layer. A thermal barrier coating is also sometimes proposed.<p>For each of these architectures, one can select individual treatments. To rank them, one devised a “performance index” for thermal stress (chap.4), which is discussed for two cases:<p>- For large differences between layer and substrate thermal expansion coefficients, when both are put into contact with a high temperature corrosive medium, the layer may be damaged. One discusses this case by examining the corrosion caused by molten aluminium for a steel substrate coated by anticorrosive chromium nitride doped with aluminium. The layer is produced by physical vapour deposition (chap. 5 – cooperation: Inasmet).<p>- Repeated fast surface temperature transients can also damage the substrate and/or the layer by thermal fatigue. One conducted thermal fatigue tests with samples of hot work tool steel, respectively untreated, simply borided and protected by a multilayer. In the last case, top coat is yttria stabilised zirconia, followed by a nickel superalloy and then a borided layer (undercoat). One synthesized the zirconia coating by plasma spray and one modelled the thermal fatigue (chap. 6).<p>In chap. 7, architectures from chap. 2 are introduced in a multi-treatment selection routine, which is applied in two cases:<p>- Foundry moulds for molten aluminium, withstanding both thermal fatigue and corrosion. The devised performance index is extrapolated beyond the tests of chap. 5 and 6 to treatments for this industrial application, thereby quantifying their respective merits.<p>- A foundry device exposed to molten metal and sliding wear.<p><p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished