Bone tissue engineering (BTE) has emerged as a promising solution to heal the millions of people worldwide that suffer from bone degenerative pathologies and bone fractures. Since bone is a biocomposite of type I collagen nanofibres (namely osteoid) reinforced with nanocrystals of carbonated hydroxylapatite (CHA), reconstituted type I collagen gels are an attractive choice as scaffolds for BTE. However, to date, the design of a collagenous bone-like construct ready to be implanted is far from being accomplished, as collagen matrices are difficult to mineralize. The aim of this doctoral research was to design and evaluate strategies to rapidly achieve an acellular mineralization of an osteoid-like dense collagen gel for potential applications in bone regeneration. It was hypothesized that the collagen fibrillar density (CFD) affects the microenvironment and the physical properties of the framework of collagen gels. To test this hypothesis, and as a first objective, the mineralization of collagen gel with increasing CFDs was investigated in simulated body fluid (SBF). Collagen gels with physiologically relevant CFDs led to greater extent of mineralization, when compared to highly hydrated gels. It was therefore proposed that the increase in gel CFD led to a more physiological microenvironment, which facilitated the mineral formation and validated the proposed osteoid model. As a second objective, the mineralization of dense collagen (DC) gels was enhanced and accelerated by mimicking the role of anionic non collagenous proteins (NCPs) in the native osteoid, which act as CHA nucleators. Two strategies were implemented: first, the influence of collagen fibrillization pH on the extent of DC gel mineralization was investigated. Since the collagen molecule is slightly positively charged at physiological pH, it was hypothesized that it would be more negatively charged if formed in an alkaline environment, i.e., above its isoelectric point. This hypothesis was validated by investigating the electrostatic properties of collagen gels formed at physiological pH (7.4) and at pH values of 8.2 and 9.0. The effect of alkaline fibrillization pH on DC gel mineralization was evident by the extensive mineralization and the soft to hard transition of the gels by day 14 in SBF. Second, anionic fibroin derived polypeptides (Cs) were introduced, for the first time as easily produced alternatives to NCPs. Apatite was formed within 6 hours in SBF and by day 7, CHA crystals were homogenously distributed throughout the roll gels resulting also in a transition from soft-to-hard tissue-like response to compressive testing. As a third objective, a bioinorganic approach to enhance and accelerate the mineralization of collagen was developed. DC gels were combined with silica-based 45S5 bioactive glass of micron- and nano-sized particles (μBG and nBG, respectively) to investigate the effect of an osteoconductive and osteoinductive bioactive glass on collagen mineralization. DC-μBG gels conditioned in SBF resulted in the extensive mineralization of the collagenous framework. Furthermore, the effect of nBG on the mineralization of DC and its effect on seeded pre-osteoblastic cells, were also investigated. Compared to μBG, nBG particles resulted in an enhanced and accelerated mineralization of the collagen matrix when immersed in SBF. Apatite formation was immediately detected within as processed DC-nGB hybrid gels, and by day 7 there was a 13 fold increase in the hybrid gel scaffold compressive modulus. The metabolic activity of MC3T3-E1 cells was affected by the presence of nBG, indicating accelerated osteogenic differentiation in the absence of osteogenic supplements, suggesting the potential of DC-nBG scaffolds to be used as cell-seeded constructs. In conclusion, since the role of the collagen framework microstructure on its mineralization has been previously ignored, the present doctoral dissertation provides new insights into collagen mineralization. / Des millions de personnes dans le monde souffrent de maladies osseuses. Les techniques chirurgicales actuelles font appel à l'autogreffe, à l'allogreffe, à la xénogreffe et à la greffe de matériaux artificiels. Cependant, comme ces interventions comportent plusieurs inconvénients, l'ingénierie tissulaire de l'os (ITO) est apparue comme une solution prometteuse. Comme l'os est un biocomposite constitué de nanofibres de collagène de type I renforcées de nanocristaux d'hydroxylapatite carbonatée (HAC), les gels de collagène de type I représentent un choix attrayant pour la production de ces matrices. Toutefois, la minéralisation in vivo de ces matrices de collagène est difficile et la minéralisation in vitro n'est obtenue qu'après avoir soustrait les matrices des contraintes physiologiques, ce qui limite leur utilisation.Ces travaux s'appuyaient sur l'hypothèse selon laquelle la densité en fibrine du collagène (DFC) influe sur le microenvironnement et les propriétés physiques de la charpente de gels de collagène. Afin de vérifier cette hypothèse, et d'atteindre l'objectif premier de l'essai, la minéralisation de gel de collagène d'une DFC croissante a été réalisée dans du liquide organique simulé (LOS). Les gels de collagène d'une DFC physiologique ont permis d'obtenir une plus grande minéralisation et a aussi influé sur les propriétés électrostatiques des gels. Cette découverte suggère donc que l'augmentation de la DF du gel de collagène a permis de créer un microenvironnement plus physiologique, ce qui a facilité la formation minérale et a permis de valider le modèle proposé. Comme deuxième objectif, la minéralisation de gels de collagène dense a été améliorée et accélérée en reproduisant le rôle des protéines anioniques (PANC) au sein des ostéoïdes indigènes. Deux stratégies ont été mises en œuvre : étude de l'influence du pH des fibrines du collagène et de polypeptides anioniques dérivés de la fibroïne. Premièrement, la charge de la molécule de collagène étant légèrement positive dans un milieu doté d'un pH physiologique l'hypothèse est que un milieu dont le pH se situe au-dessus de son point isoélectrique, a été posée et validée. L'effet du pH alcalin durant la formation de fibrines sur la minéralisation du gel de collagène dense a été constaté par la quantité d'HAC formée; la matrice s'était largement minéralisée au jour 3. De plus, la minéralisation a significativement augmenté le module apparents des gels, rendant les structures autoportantes. Deuxièmement, la minéralisation de gels de collagène dense additionnés de 10 % poids de polypeptides anioniques dérivés de la fibroïne a été évaluée dans du LOS. De l'apatite s'était formée dans les 6 heures et des cristaux d'HAC étaient distribués de façon homogène dans les rouleaux de gels au jour 3.Le troisième objectif a été la mise au point d'une approche bio-inorganique en vue d'améliorer et d'accélérer la minéralisation du collagène. Des gels de collagène dense ont été additionnés de micro- et de nanoparticules de verre bioactif (μBG et nBG, respectivement) 45S5 à base de silice. Les gels de collagène dense additionnés de μBG préparés dans un LOS ont produit une importante minéralisation de la matrice de collagène. De plus, l'effet des nBG sur la minéralisation du collagène dense et son effet sur des cellules préostéoblastiques ensemencées ont aussi été étudiés. La formation d'apatite a immédiatement été détectée par la présence de gels hybrides de collagène dense contenant des nBG. Au jour 7, le module à la compression de la construction de gel hybride était 13 fois plus élevé. De plus, l'activité métabolique des MC3T3 cellules a été altérée par la présence des nBG, indiquant une différenciation ostéogénique accélérée en l'absence de suppléments ostéogéniques.En conclusion, le rôle des matrices de collagène à microstructures dans la minéralisation ayant été ignoré jusqu'ici, la présente dissertation doctorale jette un nouvel éclairage sur la minéralisation du collagène.

Bone defects resulting from disease or traumatic injury is a major health care problem worldwide. Tissue engineering offers an alternative approach to repair and regenerate bone through the use of a cell-scaffold construct. The scaffold should be biodegradable, biocompatible, porous with an open pore structure, and should be able to withstand the applied forces. Phosphate-based glasses (PGs) may be used as reinforcing agents in degradable composites since their degradation can be predicted and controlled through their chemistry. This doctoral dissertation describes the development and evaluation of PGs reinforced biodegradable polyesters for intended applications in bone augmentation and regeneration. This research was divided into three main objectives: 1) Investigating the composition dependent properties of novel PG formulations by doping a sodium-free calcium phosphate-based glass with SiO2, Fe2O3, and TiO2. Accordingly, (50P2O5-40CaO- xSiO2-(10-x)Fe2O3, where x = 10, 5 and 0 mol.%) and (50P2O5-40CaO-xSiO2-(10-x)TiO2 where x = 10, 7, 5, 3 and 0 mol.%) formulations were developed and characterised. SiO2 incorporation led to increased solubility, ion release, pH reduction, as well as hydrophilicity, surface energy, and surface polarity. In contrast, doping with Fe2O3 or TiO2 resulted in more durable glasses, and improved cell attachment and viability. It was hypothesised that the presence of SiO2 in the TiO2-doped formulations could up-regulate the ionic release from the PG leading to higher alkaline phosphatase activity of MC3T3-E1 cells. 2) Incorporating Si, Fe, and Ti doped PGs as fillers, either as particulates (PGPs) or fibres (PGFs), into biodegradable polyesters (polycaprolactone (PCL) and semi-crystalline and amorphous poly(lactic acid) (PLA and PDLLA)) with the aim of developing degradable bone analogous composites. It was found that PG composition and geometry dictated the weight loss, ionic release, and mechanical properties of the composites. It was also hypothesised that a potential reaction between Si and the ester bond led to the formation of carboxylate by-products resulting in a lower molecular weight polymer, thus affecting the mechanical properties of the composites. Cytocompatibility assessment with MC3T3-E1 preosteoblasts showed that these composites were cytocompatible, and cell alignment along the PGFs was observed possibly due to their favourable ionic release properties. 3) Investigating the solid-state foaming using carbon dioxide (CO2) of PDLLA-PGP composites with up to 30 vol.% filler content. While PDLLA foams resulted in 92% porosity, the porosity of the composites ranged between 79 and 91% which decreased with PGP content. In addition, a reduction in pore size was observed with increasing PGP content; however, the pore size maintained its range of 200-500 µm in all composite foams, suitable for bone tissue engineering applications. The percentage of open pores increased significantly with PGP content (up to 78% at 30 vol.% PGP). Compressive strength and modulus of PDLLA-PGP foams showed up to approximately 3-fold increase at 30 vol.% PGP content compared to neat PDLLA foams. / Les défauts osseux découlant de maladies ou de traumatismes constituent un problème de santé majeur à l'échelle mondiale. Le génie tissulaire représente une autre option pour réparer et régénérer des os en faisant appel à l'échafaudage cellulaire. L'échafaudage ainsi produit devrait fournir un milieu adéquat pour la prolifération et la différentiation des ostéoblastes et entraîner, à terme, la formation d'os. L'échafaudage doit être biodégradable, biocompatible, poreux à structure ouverte, et doit pouvoir résister aux forces appliquées. Des verres à base de phosphate (PG) peuvent être utilisés comme agents de renforcement dans des composites biodégradables puisque leur dégradation peut être prédite et maîtrisée par l'intermédiaire de leurs propriétés chimiques. La présente thèse de doctorat décrit la mise au point et l'évaluation de polymères biodégradables renforcés avec des PG pour des applications d'augmentation et de régénération osseuses. La recherche présentée visait les trois principaux objectifs suivants : 1) l'étude des propriétés dépendantes de la composition de nouvelles formulations de PG par le dopage de verres de calcium à base de phosphate exempts de sodium (50P2O5-40CaO, en % molaire) avec du SiO2, du Fe2O3 et du TiO2. Ainsi, des formulations de (50P2O5-40CaO-xSiO2-(10-x)Fe2O3, où x = 10, 5 et 0 % mol) et (50P2O5-40CaO-xSiO2-(10-x)TiO2 où x = 10, 7, 5, 3 et 0 % mol) ont été mises au point et caractérisées. L'incorporation de SiO2 s'est traduite par une augmentation de la solubilité, de la libération d'ions, de la réduction du pH, ainsi que de l'hydrophilicité, de l'énergie de surface et de la polarité. En revanche, le dopage au Fe2O3 ou au TiO2 a donné des verres plus durables, en plus d'améliorer la fixation et la viabilité cellulaires. Il a été postulé que la présence de SiO2 dans les formulations dopées au TiO2 pourrait accroître la libération d'ions des PG, entraînant ainsi une activité de l'ALP accrue des cellules MC3T3-E1. 2) l'incorporation de PG dopés aux Si, Fe et Ti comme charges, sous forme de particules ou de fibres, dans des polyesters biodégradables (polycaprolactone (PCL) et acides polylactiques amorphes (PLA et PDLLA)) dans le but de mettre au point des composites dégradables analogues aux os. Il a été établi que la composition et la géométrie des PG déterminent la perte de poids, la libération d'ions, et les propriétés mécaniques des composites. Il a également été postulé qu'une réaction potentielle entre le Si et le lien ester entraînait la formation de sous-produits de carboxylate, ce qui se traduirait par un polymère de poids moléculaire réduit et aurait ainsi une incidence sur les propriétés mécaniques des composites. L'évaluation de la cytocompatibilité avec les préostéoblastes MC3T3-E1 a démontré que ces composites étaient cytocompatibles, et un alignement de cellules le long des PGF a été observé, qui pourrait être dû à leurs propriétés de libération d'ions favorables. 3) l'investigation du moussage en milieu solide avec du dioxyde de carbone (CO2) de composites de PDLLA-PGP contenant jusqu'à 30 % vol de charge. Alors que les mousses de PDLLA présentaient 92 % de porosité, la porosité des composites allait de 79 % à 91 %, diminuant avec la teneur en PGP. En outre, une réduction de la taille des pores a été observée avec l'augmentation de la teneur en PGP; la fourchette de dimensions des pores est toutefois demeurée la même (de 200 µm à 500 µm) pour toutes les mousses de composites, qui conviennent à des applications en génie tissulaire osseux. Le pourcentage de pores ouverts a augmenté significativement avec la teneur en PGP (jusqu'à 78 % à 30 % vol de PGP). La résistance à la compression et le module d'élasticité en compression des mousses PDLLA-PGP avaient à peu près triplé à 30 % vol de PGP par rapport à celles des mousses seulement constituées de PDLLA.

The scope of this thesis is the study of the dye (N719) - TiO2 (anatase) interface in dye sensitized solar cell (DSSC). The study of the TiO2 semiconductor/Ru complex [cis - (2,2'- bipyridyl - 4,4'- dicarboxylate)2 (NCS)2 ruthenium(II): N719] interface is important in order to understand the sensitization event as the dye and semiconductor are key factors for high conversion efficiency in DSSC. In spite of several studies of the interaction of the N719 dye/TiO2 films, the anchoring mechanism has been debated for a decade because it has not been fully revealed. Thus, this thesis aims at unifying the previous different views on the binding mechanism and the type of groups involved in the N719-TiO2 system as well as further elucidate new spectral information via vibrational spectroscopy (ATR-FTIR and SERRS), imaging techniques (Confocal Raman mapping and ATR-FTIR imaging) and electron spectroscopy (XAS and XPS). The combination of vibrational and electronic spectroscopic results allows for all the operating binding modes on the interface from molecular structure to interfacial electronic structure to be determined.We focused on the spectral change in our Raman and ATR-FTIR spectra rather than depend on ∆ν values (frequency difference) as the only method for differentiating binding modes. Furthermore, the hydroxyl vibrations of the N719 and two distinct nano-crystalline anatase surfaces (Dyesol and our own aqueous-synthesized variety) that occur before / after adsorption and their relation to the binding mechanism were explored using ATR-FTIR, SERRS, Confocal Raman mapping and ATR-FTIR imaging. As a result of this analysis the binding of the N719 dye to TiO2 was proposed to occur through two neighboring carboxylic acid/carboxylate groups via a combination of bidentate-bridging and H-bonding involving a donating group from the N719 (and/or Ti-OH) units and acceptor from the Ti-OH (and/or N719) groups. This binding mechanism was further elucidated by investigating the electronic interactions of TiO2 substrates and the N719 molecules via surface sensitive techniques (XAS and XPS) and probing methods (electron yield) before and after the sensitization event. This allowed us to propose that additional electronic interactions occur through the aromatic electron density of the bipyridine groups and the d states found in TiO2 and.that there is extra H-bonding interaction of the NCS ligand of the dye with the TiO2 surface groups (OH/H2O).From the application standpoint, TiO2 nanocrystalline films were prepared from commercial and aqueous-synthesized precursors by screen printing with the purpose of correlating physical properties and in particular surface TiO2 groups (Ti-OH/Ti-OH2) to DSSC performance. Their morphological features were characterized in terms of particle size, shape, BET surface area, pore size, Raman and AFM analysis. This work showed the distribution of surface Ti-OH/Ti-OH2 groups in Aqueous TiO2 to be qualitatively richer than in Dyesol TiO2. The current–voltage characteristics (I–V), electrical impedance spectroscopy (EIS) and open circuit voltage decay (OCVD) were also investigated in relation to the TiO2 film physical properties. It was found that photoelectrodes composed of surface hydroxyl-rich TiO2 nanocrystalline material exhibits longer electron lifetime attributed to enhanced surface-dye binding that suppresses interfacial recombination. The relations between the film's morphology, adsorption properties, and electrochemical behavior are comprehensively discussed. / L'objectif de cette thèse est l'étude de l'interface colorant (N719) – TiO2 (anatase) dans la cellule solaire sensibilisée par un colorant (DSSC). L'étude de l'interface du semiconducteur TiO2/complexe Ru [cis - (2,2'- bipyridyl - 4,4'- dicarboxylate)2 (NCS)2 ruthenium(II): N719] est importante pour comprendre l'évènement du sensibilisation étant donné que le colorant et le semiconducteur sont des facteurs clés pour une conversion à haute efficacité dans la DSSC. En dépit de plusieurs études sur l'interaction au niveau des films colorant N719/TiO2, le mécanisme d'ancrage a été débattu pendant une décennie, et est toujours non complètement connu. Ainsi, cette thèse vise à unifier les différentes points de vue antérieurs sur le mécanisme de fixation et le type de groupements impliqués dans le système N719-TiO2 ainsi que d'élucider de nouvelles informations spectrales moyennant la spectroscopie vibrationnelle (ATR-FTIR et SERRS), Les techniques d'imagerie (la cartographie Raman à confocale et l'imagerie ATR-FTIR) et la spectroscopie électronique (XAS et XPS). La combinaison des résultats de la spectroscopie vibrationnel et électronique permet de déterminer tous les modes de fixation fonctionnels à l'interface de la structure moléculaire et la structure électronique. Nous nous sommes concentrés sur le changement spectral dans les spectres Raman et FTIR-ATR et non seulement aux variations de fréquence Δν, comme étant la seule méthode qui différencie entre les différents modes de fixation. Par ailleurs, les vibrations de l'hydroxyle de N719 et les surfaces de deux distinctes anatase nano-cristalline (Dyesol et nos propres variétés aqueuses synthétisés) qui se produisent avant / après l'adsorption et leur relation avec le mécanisme de fixation ont été explorés par ATR-FTIR, SERRS, cartographie à confocale Raman et l'imagerie ATR-FTIR. En conséquence à cette analyse, la fixation du colorant N719 avec TiO2 a été proposée. Elle se produise à travers deux groupements carboxylique / carboxylate voisins via une combinaison de pontage bidentés et liaisons-H. Ces derniers impliquent un groupement donneur des unités de N719 (et / ou Ti-OH) et accepteur des groupements Ti-OH (et / ou N719). Ce mécanisme de fixation a été ensuite élucidé en étudiant les interactions des substrats de TiO2 et les molécules N719 via les techniques sensitives de surface (XAS and XPS) et les méthodes à sonde (rendement d'électron) avant et après l'évènement de sensibilisation. Cela nous a permis de proposer que les interactions électroniques supplémentaires se produisant à travers la densité des électrons aromatiques des groupes bipyridine et les états d trouvés dans TiO2 et qu'il y a des interactions supplémentaires de liaisons hydrogènes des ligands de NCS du colorant avec les groupements (OH/H2O) de la surface de TiO2. Du point de vue application, les films TiO2 nanocristallins ont été préparés à partir de précurseurs commerciaux et aqueuse synthétisés par sérigraphie dans le but de corréler les propriétés physiques et en particulier les groupements (Ti-OH/Ti-OH2) à la surface de TiO2 par rapport à la performance de la DSSC. Les caractéristiques de leurs morphologies ont été discutés en fonction de la taille des particules, leur forme, leur surface BET, la taille des pores, l'analyse AFM et la spectroscopie Raman. Les caractéristiques courant-tension (I-V), la spectroscopie d'impédance électrique (SIE), le déclin de tension en circuit ouvert (OCVD), ont également été étudiés en relation avec les propriétés physiques du film de TiO2.

Integration of nanomaterials (in the form of quantum dots, nanotubes, nanowires, nanocrystalline thin films, and nanocomposite films) with micromachined devices can lead to improved performance and new functionalities; however, it has to confront many difficult scientific and engineering challenges. Addressing some of these challenges is the overarching goal of this thesis. The first major challenge is to develop versatile methods for synthesizing nanomaterials and integrating them with micromachined structures and devices. An approach that combines spray-coating of electron beam resist, direct-write electron beam lithography, physical vapour deposition of thin films, and lift-off processes was developed for integrating nanomaterials directly on fragile micromachined structures. Polymeric and metallic structures in the form of arrays of holes, arrays of lines, and concentric circles were patterned directly on various micromachined structures including commercial metal-coated silicon microcantilevers used for atomic force microscopy,and commercial plate-mode SiC/AlN microresonators used for sensing. The critical lateral dimensions of the nanostructured materials ranged from 135 nm to 500 nm. Once the practical difficulties of material synthesis and integration have been addressed, it is necessary to confront the challenges of predicting the behaviour, performance, and reliability of the integrated system. As a step towards that goal, this thesis established process-structure-property relationships for three different nanomaterials. The first study focused on the elastic properties of polyimide nanocomposite films reinforced with single-walled carbon nanotubes. Both computational (Eshelby-Mori-Tanaka micromechanics) and experimental (nanoindenter-based bending tests of freestanding nanocomposite films) approaches were utilized to this end. Using results from microstructural examination, a link was found between the elastic properties of the nanocomposite and the dispersion, alignment and bundle size of the single-walled carbon nanotubes. The second study focused on energy dissipation by internal friction in nanofabricated structures. A novel method was developed for measuring internal friction using a silicon microcantilever platform that is calibrated against thermoelastic damping. The use of this method was demonstrated by obtaining the first calibrated measurements of internal friction in aluminium nanowires with thickness ranging from 50 nm to 100 nm and widths ranging from 110 nm to 396 nm. At room temperature, the internal friction in these nanowires ranged from 0.026 to0.035 for frequencies between 6.5 kHz and 21 kHz. Combining these measurements with microstructural examination of the grain size of the nanowires provided useful insights into the effects of patterning on dissipation. The third study explored the relationships between processing parameters and elastic properties for a novel nanocomposite architecture which consists of an interconnected carbon nanotube network that is conformally coated with a thin layer of titanium nitride. Taken together, the contributions of this thesis - processes for patterning and integration, techniques for measuring material properties, and results for process-structure-property relationships - establish a foundation for the rational integration of nanomaterials with MEMS. / L'intégration des nanomatériaux (dans le forme de points quantum, nanotubes, nanofils, minces films nanocristallins et films nanocomposites) avec des dispositifs micro-fabriqués a le potentiel de permettre le développement de systèmes micro électromécaniques (SMEM) ayant des fonctionnalités et performances accrues. Toutefois, plusieurs défis scientifiques et d'ingénierie doivent être surmontés. Cette thèse a comme objectif de résoudre certains de ces défis. Le premier défi majeur est de développer des méthodes versatiles pour synthétiser des nanomatériaux et les intégrer aux dispositifs et structures micro-fabriquées. Une approche qui combine le revêtement par atomisation de résine, la lithographie à écriture-directe par faisceau d'électrons, le dépôt de films minces et des procédés de soulèvement a été développé pour intégrer des nanomatériaux directement sur la fragilité des structures micro-usinées. Des structures polymériques et métalliques de différentes formes (trous, lignes et cercles concentriques) ont été fabriquées directement sur les micro-poutres de silicium commercialement disponibles et utilisées pour la microscopie à force atomique ainsi que des micro-résonateurs commerciaux de type "plate-mode SiC/AlN" utilisés à des fins de détection. Les dimensions critiques latérales des matériaux nanostructurés varient de 135 nm à 500 nm. Une fois que les difficultés pratiques de synthèse et d'intégration des matériaux ont été maîtrisées, il a été nécessaire de comprendre et prédire le comportement, la performance et la fiabilité du système intégré. Cette thèse a établi des relations fabrication-structure-propriétés pour trois différents nanomatériaux. La première étude s'est concentrée sur les propriétés élastiques de films polymériques renforcés de nanotubes de carbone. Les propriétés élastiques de films nanocomposites de polyimide (PI) et renforcés par des nanotubes de carbone à simple paroi (SWNT) ont été étudiées par une étude numérique (via la micromécanique Eshelby-Mori-Tanaka) et expérimentale (par des tests de flexion de films nanocomposites non-contraints basés sur la nanoindentation). En utilisant des résultats d'inspections microstructurales, un lien a été établi entre les propriétés élastiques du nanocomposite et la dispersion, l'alignement et la taille des agglomérats de nanotubes de carbone. La seconde étude s'est concentrée sur la dissipation d'énergie par friction interne dans les structures nano-fabriquées. Une méthode originale a été développée pour mesurer la friction interne en utilisant une plateforme pour des micro-poutres de silicium qui est calibrée en fonction de l'amortissement thermoélastique. L'utilisation de cette méthode a été démontrée en obtenant les premières mesures calibrées de friction interne dans des nanofils d'aluminium ayant des épaisseurs de 50 à 100 nm et des largeurs de 110 nm à 396 nm. À température ambiante, la friction interne de ces nanofils a varié de 0.026 à 0.035 pour des fréquences entre 6.5 kHz et 21 kHz. La combinaison de ces mesures avec une inspection microstructurale de la taille des grains des nanofils a fourni des indices des effets produits par la forme des motifs sur la dissipation. La troisième étude a exploré les relations entre les paramètres de fabrication et les propriétés élastiques pour une architecture nanocomposite originale consistant d'un réseau de nanotubes de carbone interconnecté recouvert d'une mince couche de nitrure de titane. Dans leur ensemble, les contributions de cette thèse - les procédés de fabrication de motifs et d'intégration, les techniques pour mesurer les propriétés des matériaux, et les résultats pour les relations fabrication-structure-propriétés - établissent une fondation pour l'intégration rationnelle des nanomatériaux avec les SMEM.

Magnesium alloys have attracted a great deal of attention as structural materials for automotive applications, due to their low density, high specific strength and high specific stiffness. However, poor formability, due to a strong crystallographic texture in Mg alloy sheet, is a major issue. In this thesis, alloys have been designed to form precipitates during hot compression at the industrial hot rolled temperatures, since this might influence dynamic recrystallization and texture. Based on thermodynamic calculations, two micro-alloyed Mg alloys, Mg-0.3Al-0.2Ca (AX0302) and Mg-0.1Al-0.5Ca (AX0105), were designed such that the equilibrium precipitation (Al2Ca and Mg2Ca, respectively) temperatures are in the hot rolling range (300 °C to 400 °C).Both alloys were cast in a copper mould, and the ingots were solution treated at 500 °C for 8 h to dissolve the eutectic precipitates and homogenize the distribution of the alloying elements. In order to investigate precipitation characteristics, isothermal heat treatment (aging) were performed at 250 °C to 400 °C for a time range from 10 min to 32 h. To understand the effect of deformation parameters on hot deformation characteristics, including precipitation, hot compression tests were conducted on homogenized specimens at temperatures from 300 °C to 450 °C with three strain rates of 0.1s-1, 0.01s-1, 0.001s-1 to strains of 10%, 30%, 60% and 90%. As well as precipitation, the deformation substructures and dynamic recrystallization was characterized using the flow curves, SEM with BSE and EDS detectors and optical microscopy was used to characterize microstructure mainly on DRX and twins, X-ray diffraction was used to measure texture and micro-hardness was conducted to study the room temperature properties of aged and hot compressed samples.Strain induced dynamic precipitation occurred in both alloys during hot compression at under all conditions except at temperatures where precipitation was not predicted (by FactSage) to occur. The effect of temperature and strain rate on the size and volume fraction of DRX grains was studied.The results indicated that the size and amount of DRX grains increased as Z parameter decreased. However, compared with two alloys, the effect of Z on DRX is more sensitive to AX0302 than AX0105, which could be related to larger amount of precipitates in AX0105. Texture was not clearly affected by changes in precipitate amounts, but higher temperature slightly decreased the intensity of the basal texture, which may due to the activation of non-basal slip. / Le magnésium et ses alliages ont attiré beaucoup d'attention en tant que matériaux de structure pour les applications automobiles, en raison de leur faible densité, haute résistance spécifique et haute rigidité spécifique. Cependant, la faible formabilité, en raison d'une forte texture cristallographique dans la feuille de Mg, est un enjeu majeur. Dans cette mémoire, des alliages ont été conçus pour former des précipités lors de la compression à chaud à des températures chaudes utilisées en industries, car cela pourrait influencer la recristallisation dynamique et la texture.Sur la base de calculs thermodynamiques, deux micro-allié de Mg-Al-Ca alliages, Mg-0.3 Al-0.2Ca (AX0302) et Mg-0.1Al-0.5Ca (AX0105), ont été conçus de telle sorte que la précipitation d'équilibre (Al2Ca et Mg2Ca, respectivement) sont des températures dans l'intervalle de laminage à chaud (300°C à 400°C). Les deux alliages ont été coulés dans un moule en cuivre, et les lingots ont été mises en solution à 500°C pendant 8 h à dissoudre les précipités eutectiques et homogénéiser la répartition des éléments d'alliage Afin d'étudier les caractéristiques des précipitations, un traitement thermique isotherme (vieillissement) ont été réalisées à 250°C à 400°C pendant un intervalle de temps de 10 minutes à 32 heures. Pour comprendre l'effet de déformation sur des caractéristiques de déformation à chaud, y compris les précipitations, les essais de compression à chaud ont été réalisés sur des échantillons homogénéisés à une température de 300°C à 450°C avec trois taux de déformation de 0.1s-1, 0,01s-1, 0,001s-1 à 10% de souches, 30%, 60% et 90%. Ainsi que les précipitations, les structures de déformation et de recristallisation dynamique a été caractérisé en utilisant les courbes d'écoulement, MEB (microscope électronique à balayage) de l'ESB et des détecteurs EDS et microscopie optique a été utilisé pour caractériser la microstructure principalement sur DRX et les jumeaux, diffraction des rayons-X a été utilisée pour texture et de mesure de micro-dureté a été menée pour étudier les propriétés de température ambiante de personnes âgées et chaude échantillons comprimés. La quantité de précipités dans AX0105 est plus importante que celle de AX0302 lors de la compression et de vieillissement chaud, qui conviennent à la tendance identifiées par les prédictions thermodynamiques à l'aide du logiciel FactSage. Égoutter les précipitations induite dynamique s'est produite dans les deux alliages lors de la compression à chaud à toutes les conditions, sauf à des températures où les précipitations n'ont pas été prévues (par FactSage) de se produire. Après compression à chaud, une structure de grain partiellement recristallisé a été obtenue constitué de fines dynamiques grains recristallisés aux limites de grains grossiers d'origine et/ou sur les jumeaux dans les deux alliages à une souche de 90% à toutes les conditions de déformation dans cette étude. La contrainte d'écoulement des deux alliages peuvent être représentés par ZenerHollomen fonction des paramètres (Z). L'effet de la température et de la vitesse de déformation sur la fraction de taille et de volume de grains DRX a été étudiée. Les résultats ont indiqué que la taille et la quantité de grains DRX augmenté lorsque le paramètre Z diminué. Cependant, par rapport à deux alliages, l'effet de Z sur DRX est plus sensible à AX0302 que AX0105, ce qui pourrait être lié à une plus grande quantité de précipités dans AX0105. La texture n'est pas clairement influencée par des changements dans les quantités de précipité, mais des plus hautes températures diminue légèrement l'intensité de la texture de base, qui peut être dû à l'activation de glissement non-basal.

Sacrificial metallic coatings, such as those based on Zn and Cd are used to protect steel components against corrosion. Growing environmental and health concerns have limited the use of Cd in any form since Cd plating bath is cyanide based and Cd compounds are carcinogenic. This thesis investigates Zn-Ni as a potential replacement for Cd and Cd based alloy coatings used in aerospace industries and Zn in automotive industries with respect to their tribological, corrosion and tribocorrosion resistance and hydrogen embrittlement susceptibility. In situ tribometry and additional ex situ analyses revealed that Zn-Ni coatings had superior resistance to adhesive wear compared to cadmium coatings. The microhardness of Zn-Ni coatings was higher than Zn and Cd coatings. Hardness on the wear track of Zn-Ni coatings showed the formation of strain hardened tribo layer. Zn-Ni coatings had higher polarization resistance after wear testing as compared to zinc and cadmium coatings. The mass loss due to wear enhanced corrosion was less with Zn-Ni than with Zn and Cd coatings. Zn-Ni coatings are a suitable replacement to Cd coatings when the surfaces are subjected to simultaneous wear and corrosion. Zn-Ni coatings had higher polarization resistance after the 24 hour immersion tests compared to zinc and cadmium coatings. Zn-Ni coatings offer better sacrificial corrosion protection because of low corrosion rates, and are a suitable replacement for Cd coatings. The Passivated Zn-Ni coatings showed lower corrosion resistance when heat treated due to localized damage of passive films while there was no effect of heat treatment on corrosion resistance of as plated Zn-Ni coatings. During the electrodeposition of metals, hydrogen is evolved due to electrolysis. The evolved hydrogen may diffuse outward and become trapped in the substrate/coating interface or migrate inward into the steel lattice causing delayed embrittlement when the component is subjected to stress. This study reports two principal variables for Zn, Zn-Ni, and Cd coatings: (i) quantity of hydrogen absorbed by the coating and substrate, by vacuum thermal desorption (ii) permeability of the coating material to hydrogen, by electrochemical permeation. The findings were analyzed in correlation with microstructural characteristics of both the coating material and the coating/substrate interface. With Zn-Ni, both coating process and coating material combined to significantly reduce the risk of internal hydrogen embrittlement by: (i) introducing the least amount hydrogen during the electrodeposition process, and (ii) by the ease with which hydrogen can be extracted by baking due to the presence of cracks in the coating.Keywords: Zn-Ni, Cd, Cd-Ti, Zn, EIS, insitu tribology, tribocorrosion, hydrogen permeation, TDS / Les revêtements métalliques sacrificiels à base de zinc et cadmium sont utilisés pour protéger les composants en acier contre la corrosion. Les préoccupations environnementales et de la santé ont limité l'utilisation du cadmium car les bains de d'électrodéposition au Cd sont normalement à base de cyanure et en plus le Cd est cancérigène. Cette thèse examine le revêtement Zn-Ni pour remplacer le Cd et les revêtements à base de Cd pour utilisation dans l'industrie aérospatiale, ainsi que pour remplacer le Zn dans l'industrie automobile. Les caractéristiques étudiées sont les propriétés tribologique, la résistance à la corrosion et la tribocorrosion, ainsi que la susceptibilité à la fragilisation par l'hydrogène.La tribométrie in situ a révélé que les revêtements Zn-Ni on une résistance supérieure à l'usure adhésive par rapport aux revêtements cadmium. La micro-dureté des revêtements Zn-Ni était plus élevé que les celle des revêtements Zn et Cd. La dureté de la piste d'usure des revêtements Zn-Ni témoigne la formation d'une tribo-couche écrouie.Les revêtements Zn-Ni ont une plus grande résistance à polarisation après l'essai d'usure comparés aux revêtements Zn et Cd. La perte de masse due à l'usure améliorée à la corrosion était moins que pour les revêtements Zn et Cd. Les revêtements Zn-Ni sont un substitut approprié pour les revêtements Cd lorsque les surfaces sont soumises à l'usure et la corrosion simultanée. L'effet du traitement thermique et de la passivation au chrome trivalent sur la corrosion des revêtements Zn-Ni est également décrit. Les revêtements Zn-Ni démontrent une plus grande résistance à la polarisation lors des essais d'immersion comparés aux revêtements Cd. Les revêtements Zn-Ni offrent une meilleure protection à la corrosion sacrificielle en raison des faibles taux de corrosion, et sont de ce point de vue un substitut approprié de revêtements Cd.Au cours de l'électrodéposition de métaux, l'hydrogène se dégage par électrolyse. L'hydrogène peut soit diffuser vers l'extérieur et se piéger à l'interface entre le substrat en acier et le revêtement, soit migrer vers l'intérieur dans l'acier provoquant une fragilisation retardée lorsque le composant est soumis à une contrainte. Cette étude rapporte deux variables principales pour le Zn, Zn-Ni, et les revêtements Cd: (i) la quantité d'hydrogène absorbé par le revêtement et le substrat, mesurée par désorption thermique sous vide, et (ii) la perméabilité du matériau de revêtement à l'hydrogène, mesurée par perméation électrochimique. Les résultats sont analysés en corrélant les caractéristiques de la microstructure du matériau de revêtement et de l'interface entre le revêtement et le substrat en acier. Pour le Zn-Ni, le procès de revêtement ainsi que le matériau de revêtement, ensemble diminuent le risque de fragilisation par l'hydrogène en: (i) introduisant une quantité minimum d'hydrogène lors du processus d'électrodéposition, et (ii) par la facilité avec laquelle l'hydrogène peut être extrait par traitement thermique grâce à la présence de fissures dans le revêtement.Mots-clés: Zn-Ni, Cd, Cd-Ti, Zn, tribologie in situ, tribocorrosion, perméation de l'hydrogène.

The solidification behavior of an Aluminum-Lithium-Copper (Al-Li-Cu) alloy, AA2199, and the microstructural morphology and solute distributions resulting from three rapid solidification processing techniques were investigated. Controlled-Short-Circuiting Metal-Inert-Gas (CSC-MIG) welding, Laser Re-melting (LRM), and Electrospark Deposition (ESD) were investigated. The morphology of the rapidly solidified material was then compared with the Kurz-Giovanola-Trivedi (KGT) model for microstructural development during rapid solidification, to allow for the estimation of the solidification front velocity (SFV) realized during processing. This SFV was then compared with that required for non-equilibrium solute partitioning as predicted by the Continuous Growth Model (CGM) of Aziz. The solute distributions where then measured and compared with that expected for equilibrium and non-equilibrium partitioning, to determine if the solute trapping phenomenon had been induced during solidification. The CSC-MIG deposited material displayed a fine (4.3 ±1 μm) cellular structure, comparable to that reported for electron beam welding. The SFV was estimated to be ~2-4.5x10-4m/s, a value below that required to impart any deviation from equilibrium partitioning. Chemical analysis via Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) and Time-Of-Flight Secondary-Ion-Mass-Spectroscopy (TOF-SIMS) revealed lateral segregation of copper to the cell walls, and a similar segregation profile to that predicted by the Clyne-Kurz model. TOF-SIMS also revealed a homogeneous lateral lithium distribution, while depth profiling displayed some lithium enrichment at the surface.Within the LRM material it was determined that laser pulse energies on the order of 0.25 – 0.5 Joules resulted in a fine cellular solidification structure. The SFV was estimated to be between 3 and 25cm/s were realized during solidification. Furthermore, a pulse energy of 0.125J resulted in a featureless solidification structure. The SFV for the samples produced with a pulse energy of 0.125J was estimated to be >1m/s. The CGM predicted a deviation from equilibrium partitioning all pulse energy levels employed. This was supported by the chemical profiling of lithium within the re-melted samples measured via X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Measurement of the lattice parameter via X-ray diffraction (XRD) revealed that the solute trapping phenomenon resulted in the formation of a super saturated solid solution, evident through a reduction of the lattice parameter from 4.0485 Å for the starting material to 4.0399 Å in the LRM material produced with a pulse energy of 0.125 Joules. The analysis of the ESD solidified material revealed the breakdown of a planar solid-liquid interface into a cellular morphology, resulting in fine copper rich cells within the microstructure (~30-60nm in width). The KGT model predicted this occurred at a SFV of ~1m/s. The CGM predicted significant trapping of Li at a SFV of 1m/s, which was supported by the TOF-SIMS data, which revealed a homogeneous distribution of lithium within the solidified material. Finally Atom-Probe-Tomography revealed the presence of Al3Li upon the cell walls. It was then determined that the Al3Li was not formed during the solidification process, as predicted by a time dependent nucleation model for phase suppression during rapid solidification, and the result of subsequent aging. It was also revealed that the T1 hardness of the LRM material is similar to that of the T3 BM. It was therefore concluded that the LRM process is capable of producing SFF components of AA2199, which can achieve adequate hardness via a natural aging process, without requiring cold-working prior to aging. Finally the LRM solidified material in the T5 condition was determined to be capable of aging to 81% of the hardness (~122HV) of the BM in the T8' condition, without the application of a cold working process prior to aging. / Le comportement de solidification d'un alliage aluminium-lithium (Al-Li), AA2199, et la morphologie microstructurale des distributions de soluté de trois techniques rapides de traitement de solidification ont été étudiés. Contrôle de court-circuit métallique de gaz inerte (CSC-MIG), Re-fondrement au Laser (LRM), et dépôt d'électro-érosion (ESD), ont été étudiés. La morphologie microstructurale du matériel solidifié rapidement a ensuite été comparée au modèle Kurz-Giovanola-Trivedi (KGT) qui décrit le développement microstructurale lors de la solidification rapide afin de permettre l'estimation de la vitesse du front de solidification (SFV) apparaissant au cours du traitement. Cet SFV a ensuite été comparé à celui des partitions de soluté non-équilibrés prédit par le modèle de croissance continue d'Aziz. Les distributions de soluté ont ensuite été mesurées et comparées à celles prédites pour l'éffet de partage à l'équilibre et hors d'équilibre afin de déterminer si le phénomène de piégeage de soluté a été incité au cours du solidification.Le matériel déposé par CSC-MIG affiche une structure cellulaire très fine(4,3 ± 1 micron) et comparable à celle rapportée antérieurement pour le soudage par faisceau d'électrons. L'estimation de l'SFD est d'environ 2-4.5x10-4m / s. Ceci est inférieure à celle requise pour causer une déviation de partition à l'équilibre comme prévu par le CGM. L'analyse chimique par EDS et TOF-SIMS a révélé une ségrégation latérale de cuivre sur les parois cellulaires et un profil de ségrégation semblable à celui prédit par le modèle Clyne-Kurz. Time-Of-Flight-secondary-Ion Mass Spectroscopy-(TOF-SIMS) a révélé une distribution latérale homogène de lithium. Cependant, le profile en profondeur affiche une certaine quantité d'enrichissement de lithium à la surface du matériel déposé.Au sein du matériel LRM, il a été déterminé que les énergies de pulsation au laser à l'ordre de 0,125 à 0,5 Joules causent une structure cellulaire de solidification fine. Il a ensuite été estimé que des vitesses de front de solidification (SFV) entre 3 et 25 cm / s ont été atteints au cours de la solidification. Le CGM pour le piégeage des solutés a prédit une déviation des partitions à l'équilibre lors de la solidification pour tous niveaux d'énergie de pulsation employés. Ce phénomène a été appuyé par le profile chimique de lithium dans les échantillons refondus et mesurés à l'aide du spectroscopie de photoélectrons au rayons X (XPS). Les mesures du paramètre du réseau crystalline par diffraction de rayons X (XRD) ont révélé que le phénomène de piégeage de soluté donne lieu à la formation d'une solution saturée super-solide, ce qui est démontré par une réduction du paramètre du réseau de 4,0485 Å pour le matériel de départ comparé à 4,0399 Å pour le matériel refondu avec une énergie de pulsation de 0,125 joule.L'analyse de la matière solidifiée par ESD a révélé la désintégration de l'interface planaire solide-liquide en une morphologie cellulaire qui entraîne la présence de cellules fines riches en cuivre à l'intérieure de la microstructure (~ 30-60nm de largeur). Le modèle déduit par KGT prédit que ceci se produit à un SFV d'environ 1m / s. Le CGM prédit une piégeage significatif de lithium à une SFV de 1 m / s, ce qui a été soutenu par les données TOF-SIMS qui ont révélé une distribution homogène de lithium dans le matériel solidifié. Ensuite, la tomographie par sonde d'atoms a révélé la présence de la phase Al3Li sur les parois des cellules riches en cuivre. De plus, il a été déterminé que le Al3Li n'a pas été formé lors de la solidification. Ceci est prédit par un modèle temporel de nucléation qui sert à la prédiction de la suppression de phases au cours de la solidification rapide, et donc le résultat est un processus de vieillissement antérieur.

For as long as economies and trade have existed, there have been people who have attempted to produce imitations of valuable goods for personal gain. Counterfeiting is a substantial drain on business, costing the U.S. economy between $200-250 billion annually, as well as billions of dollars in losses to the Canadian economy. The increased in counterfeiting attests to the limitation of present security techniques and indicates a strong need to develop more secure ones. In this contribution, we synthesize Nanocrystalline Cellulose (NCC), study the optical properties of this novel material, and propose that NCC can be used as a sophisticated anti-counterfeiting taggant. We suggest that NCC security taggants possess multiple security features: overt iridescence, covert selective reflection, ultraviolet fluorescence, covert unique morphology, a white light diffraction pattern, and a water induced color variation. The origin of the iridescence of NCC comes from both the Bragg multilayer reflection and surface relief grating diffraction, while the covert selective reflection security feature comes from the chiral structure formed during the casting by self-assembly of NCC. In order to add another covert security feature, ultraviolet fluorescence, an Optical Brightening Agents (OBA) was incorporated into the NCC suspension, and the result is a fluorescent and iridescent NCC material. The white light diffraction pattern which arises from the morphology of the NCC taggant provides further covert security. We also show that this NCC material displays water induced color variation which may also be used as security feature. Compared to conventional anti-counterfeiting techniques, the proposed method has several advantages: one system supports multi-level security, including overt and covert features. These features are very difficult to copy, but can be authenticated using low-cost tools, as well as a simple optical set-up when further lab tests are needed. / Depuis que l'économie et le commerce existent, des gens ont tenté de créer des imitations de marchandises de valeur pour leur profit personnel. La contrefaçon engendre des pertes substantielles, coûtant entre 200 et 250 milliards de dollars annuellement à l'économie des États-Unis ainsi que des pertes de milliards de dollars à l'économie canadienne. L'augmentation de la contrefaçon souligne les limites des technologies présentement utilisées pour la sécurité et indique le besoin grandissant pour le développement d'une nouvelle technologie d'authentification. Dans cette contribution, nous synthétisons la nanocellulose cristalline (NCC), nous étudions les propriétés optiques de ce nouveau matériau, et nous proposons l'utilisation de la cellule nanocristalline (NCC) comme marqueur anti-contrefaçon sophistiqué. Nous suggérons que la NCC traceurs de sécurité possèdent plusieurs fonctions de sécurité: une irisation manifeste, une sélection de réflexions masquées, une fluorescence ultraviolette, une morphologie unique masquée et un motif de diffraction de la lumière blanche. L'origine de l'irisation de la NCC vient à la fois de la réflexion de Bragg sur de multiples interfaces et du relief sur la surface du réseau de diffraction, alors que la sélection de réflexions masquées vient de la structure chirale formée lors du moulage par autoassemblage du NCC. Afin d'inclure une autre caractéristique de sécurité masquée, la fluorescence ultraviolette, un agent azurant, est ajoutée au NCC en suspension ce qui lui apporte la fluorescence et l'irisation. Finalement, la morphologie du marqueur NCC et le motif de diffraction de la lumière blanche fournissent des éléments de sécurité masqués supplémentaires.La méthode proposée possède de multiples avantages par rapport aux méthodes d'anti-contrefaçon conventionnelles: un système de sécurité à multiples niveaux, incluant des caractéristiques manifestes et masquées. Ces caractéristiques sont très difficiles à reproduire mais peuvent être authentifiées grâce à des outils à faible coût ainsi qu'avec un système optique simple lorsque de plus amples tests seront nécessaires.

Dislocation-free semiconductor nanowires are an extremely promising route towards compound semiconductor integration with silicon technology. However, precise control over nanowire doping, together with the surface charge properties, has remained a near-universal material challenge to date. In this regard, we have investigated the molecular beam epitaxial growth and the correlated surface electrical and optical properties of InN nanowires, a promising candidate for future ultrahigh-speed nanoscale electronic and photonic devices and systems, on Si platform.By dramatically improving the epitaxial growth process, intrinsic InN nanowires are achieved, for the first time, both within the bulk and on the non-polar InN surfaces. The near-surface Femi-level is measured to locate below the CBM, suggesting the absence of surface electron accumulation. Such intrinsic InN nanowires can possess an extremely low free carrier concentration of ~1e13 /cm3, as well as a close-to-theoretically-predicted electron mobility in the range of 8,000 to 12,000 cm2/V·s at room temperature. This result is in direct contrast to the universally observed 2DEG on the InN grown surfaces. Furthermore, the surface charge properties of InN nanowires, including the formation of 2DEG and the optical emission characteristics can be precisely tuned, for the first time, through the controlled n-type doping.More importantly, p-type doping into InN nanowires is also realized, for the first time. The presence of Mg-acceptors is clearly demonstrated by the PL spectra. Furthermore, p-type surface is observed from the XPS experiments, indicating the presence of free holes. Additionally, p-type conduction is directly measured by single nanowire field effect transistors.In the end of this thesis, InN nanowire p-i-n photodiodes are fabricated, with a light response up to the telecommunication wavelength range at low temperatures. This thesis work provides a vivid example, and paves the way for the rational “materials by design” development of silicon integrated InN-based device technology in the nanoscale. / Les nanofils semi-conducteurs sans dislocations sont une voie très prometteuse vers l'intégration des semi-conducteurs composés avec la technologie silicium. Cependant, un contrôle précis de dopage des nanofils, ainsi que les propriétés de charge de surface, reste un défi universel à ce jour. À cet égard, nous avons étudié la croissance épitaxiale par faisceau moléculaire et les propriétés de surface corrélés électriques et optiques des nanofils de InN sur du substrat de silicium, qui ont émergé comme candidat prometteur pour l'avenir des dispositifs électroniques et photoniques à très haute vitesse et à échelle nanométriques.Pour la première fois, en améliorant le processus de croissance épitaxiale, InN intrinsèque est atteint, à la fois dans le volume et sur les surfaces non polaires de InN. Le niveau de Fermi à la surface est mesuré et localisée sous le CBM, ce qui suggère l'absence d'accumulation d'électrons en surface. Ces nanofils InN intrinsèques possédent une concentration de porteurs libres très faible ~1e13 /cm3, ainsi que d'une mobilité proche de le théoriquement prédite d'électrons entre 8000 à 12000 cm2/V·s à température ambiante. Ce résultat est en contraste direct avec les 2DEG observés sur les surfaces d'InN. En outre, les propriétés de charge de surface de nanofils InN, y compris la formation de 2DEG et les caractéristiques d'émission optiques, peut être réglé avec précision, pour la première fois, par l'intermédiaire du contrôle d'incorporation de dopants de type n.Plus important encore, dopage de type p dans les nanofils InN est également réalisé pour la première fois. La présence de niveaux d'énergie Mg-accepteur est démontrée par les spectres de PL. Dans ces nanofils dopés de Mg, il n'y a pas d'accumulation d'électrons de surface et le niveau de Fermi dans le volume est proche de la VBM, ce qui indique un matériau de type p.En fin, la jonction p-i-n basé sur des nanofils InN photodétecteurs qui peut être utilisé en mode photovoltaïque est démontrée, avec une réponse à la lumière jusqu'à la longueur d'onde des télécommunications à de basses températures. Ce travail de thèse fournit un exemple frappant, ainsi que prépare le terrain pour le développement "matériaux par conception" de la technologie des dispositifs en silicium intégrée à base InN à l'échelle nanométrique.

Ice was grown from melts of tap water and low salinity NaCl brines. The melts could, be heated from below and stirred, so that the rate of freezing, the temperature gradient below the solid-liquid (S-L) interface, and the initial concentration of the melt could be varied independently. The morphology of the S-L interface was observed at various stages of growth. [...]