The subject of this work is the development of accurate frameworks to describe the electrochemical promotion of catalysis (EPOC) phenomenon. EPOC, also known as non-Faradaic electrochemical modification of catalytic activity (NEMCA), refers to the enhancement of the catalytic performance by application of current or potential in a catalyst/support system. Although this technology is of increasing interest nowadays in the field of modern electrochemistry and exhibits a great industrial potential, there are still just a few commercial applications, partly because the addressed phenomenon is not fully understood and has not been modelled to allow robust system design and control. For this purpose, a systematic multi-dimensional, isothermal, dynamic model is developed to address the EPOC phenomenon using the electrochemical oxidation of CO over Pt/YSZ as an illustrative system. The formulated model is based on partial differential equations (PDEs) accounting for the simulation of the mass and charge transport as well as the electrochemical phenomena taking place at the triple phase boundaries (TPBs, where the gas phase, the catalyst and the support are all in contact) implemented through a commercial finite element method (FEM) software (COMSOL Multiphysics). The constructed model is used in conjunction with experimental data for parameter estimation purposes, and a validated model is obtained. The results demonstrate that the effect in such a system is strongly non-Faradaic, with Faradaic rates 3 orders of magnidute lower than the non-Faradaic ones. The formulated model is extended to describe the various processes taking place in the electrochemically promoted CO combustion system at their characteristic length-scales. The proposed framework couples a macroscopic model simulating charge transport as well as electrochemical phenomena occuring at the TPBs implemented through a FEM-package and an in-house developed efficient implementation of the kinetic Monte Carlo method (kMC) for the simulation of reaction-diffusion micro-processes on the catalyst. Dynamic communication of macro- and micro-scopic models at the TPBs results in the construction of an integrated multi-scale system. Comparison between the multi-scale framework and a fully macroscopic model is carried out for several sets of operating conditions and differences between the two models steady-state outputs are presented and discussed. A detailed FEM/kMC model, regardless of accurately simulating the several phenomena at their appropriate length-scales, might not be suitable for large system simulations due to the high computational demand. To address this limitation, a computationally efficient coarse-graining methodology, the so-called gap-tooth method, is implemented. In this scheme the catalytic surface is efficiently represented by a small subset of the spatial domain (tooth) separated by gaps. While kMC simulations within each individual tooth (micro-lattice) are used to predict the corresponding evolution of the micro-processes, intelligent interpolation rules are employed to allow for the exchange (diffusion) of species between consecutive micro-lattices. A validated gap-tooth/kMC scheme is obtained and it is exploited for FEM/gap-tooth/kMC electrochemically promoted CO oxidation simulations achieving high computational savings.

Philosophiae Doctor - PhD (Nursing) / The number of healthcare institutions that has embraced Kangaroo Mother Care (KMC) as an effective and efficient method of neonatal care especially in Edo State, Nigeria has not multiplied even after more than a decade of its recommendation by the World Health Organisation (WHO) in 2003. Nigeria ranks seventh among the ten African countries where newborns have the highest risk of dying with over 700 newborn deaths per10, 000 live births. This is worrisome because Edo State is one of the 36 states in Nigeria that contribute about 6,700 neonatal deaths to the 255,500 mortality rate recorded in Nigeria annually. This has led to a concern about the knowledge and attitude of the key drivers in neonatal care of simplified methods aimed at reducing neonatal mortality despite previous training efforts. The development of a strategy to enhance the early implementation of the WHO KMC guidelines in all healthcare facilities across the state was therefore conceptualized. Strategies to increase implementation are considered important to the success of KMC because reducing neonatal mortality rate is contextual. This research aimed to explore and describe the application of the KMC guidelines by the nurses, administrators and parents of preterm infants in the care of premature babies and to develop strategies to enhance its early implementation in healthcare facilities in Edo State, Nigeria.

Magister Public Health - MPH / Background: Every year, about 20 million infants are born with low birth weight globally, putting a heavy burden on health care and social systems, especially in developing countries as they are often understaffed and/or lack optimally functional equipment. In 1978, Dr E. Rey proposed the Kangaroo Mother Care (KMC) programme which was further developed by coworkers at one of the largest obstetric facilities in Santa Fe de Bogotá, Colombia. KMC was introduced as an alternative to the expensive and seldom used traditional methods to care for low birth weight infants. KMC is currently not practised at Tsumeb district hospital despite many infants born with low weight in the district. Aim: The aim of the study was to explore perceptions regarding the implementation of Kangaroo Mother Care in the maternity ward of Tsumeb district hospital. Study design: This was a qualitative exploratory study. Study population and sampling: The study population are doctors and nurses working in Tsumeb district, the Chief Medical Officer (CMO) as well as the health programme administrators in the family health division of the Ministry of Health and Social Services (MOHSS), Oshikoto region. Purposive sampling was used to select participants. Results: Perceptions were grouped into three main themes namely the parent-related, health worker-related and baby-related. Parent-related perceptions include self-trust, increased competency, less frustration, and active involvement of parents in baby care, which are similar to the literature and regarded as benefits of KMC. Health worker-related perceptions included both reduced workload and an increased workload. Baby-related perceptions are reduced morbidity, increased bonding and improved care. The study also revealed the barriers to KMC implementation as well as factors that can make KMC implementation a success. Conclusions: Three broad themes emerged from the study, parent-related, health worker-related and baby-related. Most of the health workers’ perceptions are similar to the benefits of KMC found in the literature but, some health workers have negative perceptions regarding KMC.

Arbetet har genomförts på uppdrag av Katastrofmedicinskt Centrum. Syftet var att utforska vilka möjligheter det finns med digitala simuleringsverktyg för stötta kollaborativt lärande och testande av hälso- och sjukvårdsorganisationers katastrofmedicinska sjukvårdsledningsförmåga. Utgångspunkten har varit dagens analoga simuleringsverktyg. Katastrofmedicinska händelser förekommer sällan vilket skapar behovet att kunna återskapa och öva på dessa, tidigare studier har visat på brister sjukvårdsledning i vårdkedjan som minskat patientsäkerheten. Forskningsansatsen var forskning-genom-design (Research through Design, RtD). Designutforskningen resulterade i fyra olika designkoncept, assisterande faciliteringsverktyg, ökade kontrollmöjligheter, enkel interaktion, och ökade träningsmöjligheter. Designkoncepten stärker samarbetet mellan deltagarna och ökar tiden spenderad på att utföra aktiviteter på sjukvårdsledningsnivå samt hjälper facilitatorer att planera och genomföra nya typer av övningar. Designprocessen visade också att digitala simuleringsverktyg bör ses som kompletterande istället för ersättare av analoga verktyg då det analoga materialet har andra styrkor. På så sätt kan styrkorna med digitala verktyg användas till fullo.

Self-organization of regular surface pattern under ion beam erosion was described in detail by Navez in 1962. Several years later in 1986 Bradley and Harper (BH) published the first self-consistent theory on this phenomenon based on the competition of surface roughening described by Sigmund’s sputter theory and surface smoothing by Mullins-Herring diffusion. Many papers that followed BH theory introduced other processes responsible for the surface patterning e.g. viscous flow, redeposition, phase separation, preferential sputtering, etc. The present understanding is still not sufficient to specify the dominant driving forces responsible for self-organization. 3D atomistic simulations can improve the understanding by reproducing the pattern formation with the detailed microscopic description of the driving forces. 2D simulations published so far can contribute to this understanding only partially. A novel program package for 3D atomistic simulations called trider (TRansport of Ions in matter with DEfect Relaxation), which unifies full collision cascade simulation with atomistic relaxation processes, has been developed. The collision cascades are provided by simulations based on the Binary Collision Approximation, and the relaxation processes are simulated with the 3D lattice kinetic Monte-Carlo method. This allows, without any phenomenological model, a full 3D atomistic description on experimental spatiotemporal scales. Recently discussed new mechanisms of surface patterning like ballistic mass drift or the dependence of the local morphology on sputtering yield are inherently included in our atomistic approach. The atomistic 3D simulations do not depend so much on experimental assumptions like reported 2D simulations or continuum theories. The 3D computer experiments can even be considered as ’cleanest’ possible experiments for checking continuum theories. This work aims mainly at the methodology of a novel atomistic approach, showing that: (i) In general, sputtering is not the dominant driving force responsible for the ripple formation. Processes like bulk and surface defect kinetics dominate the surface morphology evolution. Only at grazing incidence the sputtering has been found to be a direct cause of the ripple formation. Bradley and Harper theory fails in explaining the ripple dynamics because it is based on the second-order-effect ‘sputtering’. However, taking into account the new mechanisms, a ‘Bradley-Harper equation’ with redefined parameters can be derived, which describes pattern formation satisfactorily. (ii) Kinetics of (bulk) defects has been revealed as the dominating driving force of pattern formation. Constantly created defects within the collision cascade, are responsible for local surface topography fluctuation and cause surface mass currents. The mass currents smooth the surface at normal and close to normal ion incidence angles, while ripples appear first at θ ≥ 40°. The evolution of bimetallic interfaces under ion irradiation is another application of trider described in this thesis. The collisional mixing is in competition with diffusion and phase separation. The irradiation with He+ ions is studied for two extreme cases of bimetals: (i) Irradiation of interfaces formed by immiscible elements, here Al and Pb. Ballistic interface mixing is accompanied by phase separation. Al and Pb nanoclusters show a self-ordering (banding) parallel to the interface. (ii) Irradiation of interfaces by intermetallics forming species, here Pt and Co. Well-ordered layers of phases of intermetallics appear in the sequence Pt/Pt3Co/PtCo/PtCo3/Co. The trider program package has been proven to be an appropriate technique providing a complete picture of mixing mechanisms.

Atomlagenabscheidung (ALD, Atomic Layer Deposition) ist als präzise Technik zur Abscheidung dünner Schichten bekannt. Mittels wechselweisen Einleitens von Precursorgasen in einen Reaktor erzeugt der Prozess auch auf strukturierten Substraten gleichmäßige dünne Schichten. Durch die selbstsättigende Natur der zu Grunde liegenden Reaktionen sind sowohl die Wachstumsrate als auch die Zusammensetzung wohldefiniert, weshalb sich Atomlagenabscheidung beispielsweise zur Herstellung nanoskopischer Bauelemente im Bereich der Mikroelektronik eignet. Obwohl Aluminiumoxid vermehrt Aufmerksamkeit für seine hohe Bandlücke (~9 eV) sowie die relativ hohe Dielektrizitätskonstante (k ~ 9) geerntet hat, ist oftmals trotz vielseitiger Untersuchungen der anwendbaren Precursorpaare nur wenig über die strukturellen Eigenschaften sowie die Wachstumskriterien der resultierenden Schichten bekannt. In dieser Arbeit wurde eine kombinierte Simulationsmethode entwickelt, mit der sich Atomlagenabscheidung mittels elementarer Reaktionen auf beliebig strukturierten Substraten simulieren lässt. Molekulardynamische Berechnungen ermöglichen dabei atomare Genauigkeit, wohingegen die Ankunft der individuellen Precursoratome durch Kinetic Monte Carlo-Methoden dargestellt werden. Diese Aufteilung erlaubt die Kopplung der molekulardynamischen Präzision mit den Größenordnungen einer KMC-Simulation, welche prinzipiell die Betrachtung von Milliarden von Atomen zulässt. Durch asynchrone Parallelisierung mit bis zu tausenden Arbeiterprozessen wird zudem die Effizienz gegenüber einer herkömmlichen Molekulardynamiksimulation ausreichend erhöht, um binnen weniger Stunden mehrere Abscheidungszyklen nahezu unabhängig von der Größe des betrachteten Raumes, welche im Bereich von Quadratmikrometern liegen kann, zu simulieren. Zur abschließenden Validierung des Modells und seiner Implementierung werden einerseits Versuche einfacher Schichtwachstumsprozesse unternommen, andererseits wird die Atomlagenabscheidung des wohluntersuchten Precursorpaares Trimethylaluminium (TMA, Al(CH3)3) und Wasser simuliert und die resultierende Schicht auf Übereinstimmung mit bestehenden Daten geprüft.

Atomlagenabscheidung (ALD, Atomic Layer Deposition) ist als präzise Technik zur Abscheidung dünner Schichten bekannt. Mittels wechselweisen Einleitens von Precursorgasen in einen Reaktor erzeugt der Prozess auch auf strukturierten Substraten gleichmäßige dünne Schichten. Durch die selbstsättigende Natur der zu Grunde liegenden Reaktionen sind sowohl die Wachstumsrate als auch die Zusammensetzung wohldefiniert, weshalb sich Atomlagenabscheidung beispielsweise zur Herstellung nanoskopischer Bauelemente im Bereich der Mikroelektronik eignet. Obwohl Aluminiumoxid vermehrt Aufmerksamkeit für seine hohe Bandlücke (~9 eV) sowie die relativ hohe Dielektrizitätskonstante (k ~ 9) geerntet hat, ist oftmals trotz vielseitiger Untersuchungen der anwendbaren Precursorpaare nur wenig über die strukturellen Eigenschaften sowie die Wachstumskriterien der resultierenden Schichten bekannt. In dieser Arbeit wurde eine kombinierte Simulationsmethode entwickelt, mit der sich Atomlagenabscheidung mittels elementarer Reaktionen auf beliebig strukturierten Substraten simulieren lässt. Molekulardynamische Berechnungen ermöglichen dabei atomare Genauigkeit, wohingegen die Ankunft der individuellen Precursoratome durch Kinetic Monte Carlo-Methoden dargestellt werden. Diese Aufteilung erlaubt die Kopplung der molekulardynamischen Präzision mit den Größenordnungen einer KMC-Simulation, welche prinzipiell die Betrachtung von Milliarden von Atomen zulässt. Durch asynchrone Parallelisierung mit bis zu tausenden Arbeiterprozessen wird zudem die Effizienz gegenüber einer herkömmlichen Molekulardynamiksimulation ausreichend erhöht, um binnen weniger Stunden mehrere Abscheidungszyklen nahezu unabhängig von der Größe des betrachteten Raumes, welche im Bereich von Quadratmikrometern liegen kann, zu simulieren. Zur abschließenden Validierung des Modells und seiner Implementierung werden einerseits Versuche einfacher Schichtwachstumsprozesse unternommen, andererseits wird die Atomlagenabscheidung des wohluntersuchten Precursorpaares Trimethylaluminium (TMA, Al(CH3)3) und Wasser simuliert und die resultierende Schicht auf Übereinstimmung mit bestehenden Daten geprüft.:1 Einführung 1.1 Anwendungen von Atomlagenabscheidung 1.2 Aktueller Stand 1.2.1 Experimentelle Untersuchungen 1.2.2 Kinetic Monte Carlo-Simulationen von Dwivedi 1.2.3 Kinetic Monte Carlo-Simulationen von Mazaleyrat 1.2.4 Molekulardynamik-Simulationen 1.2.5 Dichtefunktionaltheoretische Rechnungen von Musgrave 1.3 Motivation 2 Grundlagen 2.1 Atomlagenabscheidung 2.1.1 Einführung zur Atomlagenabscheidung 2.1.2 ALD von Metalloxiden 2.1.3 ALD von Al2O3 2.2 Kinetic Monte Carlo Methoden 2.2.1 KMC-Formalismus 2.2.2 KMC-Algorithmen 2.3 Molekulardynamik 2.3.1 Grundlagen 2.3.2 Methoden zur Ensembledarstellung 2.3.3 Potentialarten 2.3.4 Numerische Optimierungen 3 Kombiniertes Modell 3.1 Verwendetes Kinetic Monte Carlo-Modell 3.2 Kombiniertes Modell 3.2.1 Abscheidungszyklus 3.2.2 Simulationsraum 3.2.3 Ereignisse 3.2.4 Parallelisierungsmethode 3.2.5 Abhängigkeitsgraph 4 Implementierung 4.1 Existierende Software 4.1.1 LAMMPS 4.1.2 SPPARKS 4.1.3 Sonstige Software 4.2 LibKMC 4.2.1 Modularisierung 4.2.2 Abhängigkeiten 4.3 Implementierung des kombinierten Modells 4.3.1 Vorstellung der Software 4.3.2 Einbindung von LibKMC 4.3.3 Einbindung von LAMMPS 4.3.4 Host-Worker-System 4.3.5 Substratgenerierung 5 Validierung 5.1 Validierung des kombinierten Modelles 5.1.1 Wachstumskriterium 5.1.2 Sättigungskriterium 5.1.3 Parallelisierungseffizienz 5.2 Untersuchungen von Al2O3 5.2.1 Potentialuntersuchungen 5.2.2 Schichtwachstumseigenschaften 5.2.3 Strukturanalyse 6 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Danksagung

La croissance de couches minces d'oxydes sur les alliages métalliques et les métaux purs est un phénomène ayant fait l'objet d'un grand nombre d'études expérimentales. Les structures des couches d'oxydes sont bien connues, ainsi que les modèles mathématiques servant à modéliser les aspects macroscopiques de la croissance. Cependant, les détails des mécanismes de germination de la couche d'oxyde dans les premiers stades de la corrosion ainsi que sa croissance ultérieure demeurent peu ou mal connus. La simulation atomistique apparaît comme une alternative pour évaluer les différents mécanismes proposés et appréhender l'influence des différents paramètres physico-chimiques. Le développement d'un tel outil de simulation a démarré au LPCS avec la thèse de M. Legrand. En se basant sur l'exemple de l'alliage FeCr, un modèle informatique tridimensionnel dit "modèle de Legrand", permettant de simuler la dissolution sélective et la passivation des alliages binaires a été réalisé. L'évolution dynamique est basée sur une technique de type Monte Carlo classique. Le logiciel permet de simuler l'évolution d'un alliage quelconque, d'une composition et d'une structure cristallographique donnée. Il prend en compte la diffusion des atomes sur la surface, leur dissolution et le blocage de la dissolution par formation d'une couche de passivation. Cet outil était adapté pour la simulation des premiers stades de la corrosion. L'objectif de ce travail est d'améliorer ce modèle existant, afin de simuler l'évolution de la couche passive sur une échelle de temps plus longue. A l'issue de ce travail, de nombreux apports ont été effectués. Ainsi, l'introduction d'un champ de force MEAM (Modified Embedded Atom Method) pour le calcul des barrières de diffusion et de dissolution, a permis de remplacer les probabilités de diffusion empiriques par des probabilités calculées, et de mettre en évidence la diffusion préférentielle des Cr vers leurs semblables. L'introduction d'une dynamique de simulation Monte Carlo Cinétique (KMC) a permis une prise en compte réaliste de l'évolution cinétique du modèle avec des temps de simulation reliés au temps réel. Enfin Un second réseau cristallographique RVO (réseau virtuel d'oxyde) tridimensionnel, correspondant à celui de la couche passive (Cr2O3) a été implémenté, ainsi qu'une interface graphique pour un meilleur suivi de la simulation. Les résultats obtenus lors des simulations sont en accord avec les observations expérimentales: passivation totale à partir du Fe-16Cr, enrichissement en Cr de la couche passive, allures des courbes cinétiques, influence du champ électrique, mise en évidence l'apparition de cavités sous la couche passive.

Cette thèse vise à étudier la diffusion protonique, et dans une moindre mesure ionique, au sein d'un matériau électrolyte pour pile à combustible BaCeO3 dopé Gd, en adoptant une démarche multi-échelle. Tout d'abord, des calculs ab initio ont été réalisés afin de déterminer les positions stables des défauts protoniques OH_O et des lacunes d'oxygène VO dans le matériau. Puis, en utilisant toujours le formalisme de la théorie de la fonctionnelle de la densité, les barrières d'énergies pour les deux types de défauts entre deux positions stables ont été calculées. Enfin, ces barrières ont été utilisées dans un algorithme de Monte-Carlo cinétique afin de simuler des trajectoires de protons et de lacunes d'oxygène. Cette méthode permet d'accéder à des grandeurs macroscopiques, accessibles expérimentalement, telles que l'énergie d'activation, le coefficient de diffusion ou la mobilité, en se basant uniquement sur des données atomiques issues de simulations ab initio. Le gadolinium semble être un dopant intéressant pour le cérate de barium au vu de son faible pouvoir attractif sur le proton : il permet ainsi la création de nombreuses lacunes d'oxygène, qui pourront incorporer des molécules d'eau, sans toutefois piéger l'hydrogène. Ces deux conditions sont nécessaires pour obtenir un bon électrolyte pour les oxides solides conducteurs de protons.

Ce travail de recherche portant sur la compréhension des premières étapes de synthèse des zéolithes s'inscrit dans le cadre général de développements efficients de nouveaux catalyseurs performants. De nombreuses incertitudes demeurent quant aux mécanismes moléculaires de leur formation, en particulier lors de la nucléation en conditions de synthèse hydrothermale. Dans ce contexte, une méthodologie globale a été proposée afin d'évaluer l'impact des variables de synthèse sur la formation des espèces siliciques. La réalisation de ce travail a nécessité l'usage de différentes méthodes théoriques, combinant des calculs ab initio DFT et des simulations kMC. Un nouveau module kMC nommé Réacdiff a ainsi été développé et validé avec le modèle Lodka. L'extension des chemins réactionnels vers des espèces plus complexes a été effectuée et le recours à des modèles théoriques du type Brønsted-Evans-Polanyi (BEP) a été indispensable afin de les estimer rapidement. Un nouveau modèle des étapes réactionnelles d'oligomérisation a été proposé et a permis de tester l'effet crucial des agents organiques structurants (AS). Ces travaux ont permis de donner un nouveau regard sur la compréhension de la condensation des espèces siliciques durant les premières étapes de la synthèse des zéolithes. / This research work on the understanding of the early stages of zeolites synthesis fits withinthe general framework of the technological lock on the lower cost of new efficient catalysts synthesisoptimization. Many uncertainties remain with respect to the molecular mechanisms of their formation,in particular during nucleation in hydrothermal synthesis conditions. In this context, a comprehensivemethodology was proposed to assess the impact of synthesis variables in the formation of silicicspecies. This objective has required the use of different theoretical methods, combining ab initio DFTcalculations and kMC simulations. The creation of a new kMC module named Reacdiff has beendeveloped and validated with the Lodka model. The extension of reaction pathways to more complexspecies was carried out with the essential use of theoretical models like Brønsted-Evans-Polanyi(BEP) to quickly estimate. A new anionic model of the reaction steps of oligomerization has beenproposed and has allowed testing the crucial effect of organic templates. These thesis works gave anew understanding on the condensation of silicic species in early stages of zeolite synthesis.