Avec l’avènement des BioMEMS (Bio-MicroElectroMechanical Systems), ce sont toutes les pratiques médicales, biologiques, environnementales et agro-alimentaires qui entament une nouvelle ère. Les enjeux scientifique et industriel se rejoignent dans la miniaturisation des systèmes de détection, l’amélioration de leurs sensibilités et la simplification de leurs procédés de fabrication. Cette thèse hautement interdisciplinaire s’inscrit dans le cadre de ces enjeux. Elle expose la fabrication, la bio-fonctionnalisation et l’application d’un BioMEMS pour l’analyse de réactions enzymatiques en temps réel et à l’échelle micrométrique. Deux choix stratégiques ont été adoptés pour ce travail: le premier concerne l’utilisation de la technologie des plasmas froids ou polymérisation plasma pour la fonctionnalisation de surface à travers le dépôt de films polymères d’allylamine. Ce dépôt a permis ultérieurement l’immobilisation covalente de la trypsine (enzyme modèle protéolytique) au sein du BioMEMS. Cette technologie a été également utilisée pour développer une méthode simple de microfabrication des circuits microfluidiques compatible avec une production à grande échelle. Le second choix concerne l’utilisation de ce bioMEMS autour d’une transduction TeraHertz (THz) mise au point au sein de l’équipe. La spectroscopie THz vise à détecter les événements moléculaires à l’échelle de la picoseconde, sans marqueur et d’une manière non-invasive, en sondant directement les liaisons chimiques de faible énergie. Au cours de ce travail, nous avons donc développé un procédé de fonctionnalisation de surfaces par des amines, optimisé une méthode de greffage des enzymes, et étudié l’activité de la trypsine immobilisée. Nous avons ensuite intégré ces étapes dans le procédé de microfabrication du BioMEMS. Les mesures réalisées dans le domaine sub-THz (0,06-0,11 THz) sur une réaction de biocatalyse confirment la faisabilité d’une telle approche comme méthode analytique en biologie. Les résultats des différentes études montrent également que le mariage des plasmas froids avec les méthodes lithographiques représente une voie efficace, rapide et très compétitive pour le transfert de la technologie des BioMEMS à l’échelle industrielle. / The applications of miniaturized devices are no longer limited to electronic industry. Today, a new kind of microsystems called BioMEMS (Bio-MicroElectroMechanical Systems) are spreading in different fields, including biomedical, environmental and food industry applications. Recurring challenges are focusing on enabling processes for smaller, cost-effective, high-functionality devices, with more sensitivity and suitability for industrial scale development. This highly interdisciplinary thesis work attempts to provide new solutions to meet some of the needs mentioned above. It reports the fabrication, functionalization, and applications of a BioMEMS for enzyme reaction monitoring. First, we have developed a PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) process for the surface functionalization by plasma polymerized allylamine. Films with high amine density and enhanced stability in aqueous environment were obtained. The amine functions were then used for enzymes immobilization. The covalently bonded trypsin molecules were extensively characterized and kinetic parameters determined using several microscopic and spectroscopic methods. Finally, both optimized processes were applied to the biofunctionalization of a TeraHertz (THz)-based BioMEMS. THz spectroscopy is the only non-invasive analytic method able to monitor molecular events at the picosecond timescale by probing low binding energies directly. It is used here for sensing a biocatalysis reaction inside the bioMEMS microchannels. Sub-THz measurements (0.06-0.11 THz) showed that combining microfluidic microsystems technology with THz detection could be a promising alternative for label-free real-time detection of biological interactions at the microscale. Additionally, we have developed a new microchannel fabrication process using direct plasma polymerization of TMDS (TetraMethylDiSiloxane) on micropatterned surfaces. This achievement demonstrates that cold plasma processes could be used not only for functionalization purposes or surface treatment but for the 3D microfabrication as well. This highly reduces processing time and manual handling steps, which is of a great importance for further industrial scale production.

Pour répondre aux questions que pose la faisabilité d'un dispositif de détection d'explosifsà l'aide de la technologie de spectroscopie térahertz, cette thèse a exploré troisaxes. Le premier a consisté à établir une base de données des signatures spectrales (indiceet absorption) d'une large gamme de matériaux d'intérêt pour ce type d'applications,à partir des données expérimentales que nous avons mesurées par spectroscopie dans ledomaine temporel. Nous avons identifié les matériaux montrant une signature spectralesignificative et nous avons aussi étudié l'effet des matériaux de dissimulation.Dans la seconde partie de ce travail, nous avons conçu et construit un banc de spectroscopieultra-large bande destiné à une meilleure identification spectrale des substances. Nousavons identifié les limites techniques de ce type de banc et donné les pistes pour atteindreles performances désirées.Ensuite, nous avons développé et validé un banc de spectroscopie en réflexion, de typegoniométrique, afin de détecter des signaux térahertz diffusés par des matériaux hétérogènes.Finalement, nous avons étudié les plasmons de surface dans le domaine térahertz, en vuede la détection de très faibles quantités de matière.

Pour répondre aux questions que pose la faisabilité d’un dispositif de détection d’explosifsà l’aide de la technologie de spectroscopie térahertz, cette thèse a exploré troisaxes. Le premier a consisté à établir une base de données des signatures spectrales (indiceet absorption) d’une large gamme de matériaux d’intérêt pour ce type d’applications,à partir des données expérimentales que nous avons mesurées par spectroscopie dans ledomaine temporel. Nous avons identifié les matériaux montrant une signature spectralesignificative et nous avons aussi étudié l’effet des matériaux de dissimulation.Dans la seconde partie de ce travail, nous avons conçu et construit un banc de spectroscopieultra-large bande destiné à une meilleure identification spectrale des substances. Nousavons identifié les limites techniques de ce type de banc et donné les pistes pour atteindreles performances désirées.Ensuite, nous avons développé et validé un banc de spectroscopie en réflexion, de typegoniométrique, afin de détecter des signaux térahertz diffusés par des matériaux hétérogènes.Finalement, nous avons étudié les plasmons de surface dans le domaine térahertz, en vuede la détection de très faibles quantités de matière. / This PhD work was performed in view of using terahertz electromagnetic signals forthe detection and identification of dangerous and prohibited substances. In a first stage,a database of the terahertz properties (namely refractive index and absorption) of thesesubstances was created from the measurements we performed using terahertz time-domainspectroscopy. Then a large bandwidth terahertz time-domain set up has been built, togetherwith a goniometric-type set up that allows us recording signals scattered by roughor heterogeneous samples. Finally, we studied the excitation and propagation of surfaceplasmons in the terahertz domain, which may be used for the detection of small amountsof matter.

L’évaluation non destructive (NDT) des matériaux composites est compliquée en raison de la vaste gamme de défauts rencontrés (y compris délaminage, microfissuration, fracture de la fibre, retrait des fibres, fissuration matricielle, inclusions, vides et dommages aux chocs). La capacité de caractériser quantitativement le type, la géométrie et l’orientation des défauts est essentielle. La thermographie infrarouge (IRT), en tant que technique de diagnostic d’image, peut satisfaire le besoin industriel croissant de NDT&E. Dans la thèse, la thermographie par excitation optique et mécanique a été utilisée pour étudier différents matériaux composites, dont 1) des préformes sèches en fibres de carbone, 2) des composites de fibres naturelles, 3) des composites hybrides de basalte-fibres de carbone soumis à une charge d’impact (séquence de type sandwich et séquence d’empilement intercalé), 4) des défauts micro-dimensionnés dans un composite polymère renforcé de fibre de carbone (CFRP) en 3D avec une couture de type « joint en T », et 5) des peintures sur toile qui peuvent être considérées comme des matériaux composites. Une nouvelle technique IRT de thermographie de ligne par micro-laser (micro-LLT) a été proposée pour l’évaluation des porosités submillimétriques dans le CFRP. La microscopie de points par micro-laser (micro-LST) et la micro-vibrothermographie (micro-VT) ont également été présentées avec l’utilisation de microlentilles. La thermographie pulsée (PT) et la thermographie modulée « à verrouillage » (LT) ont été comparées à la tomographie par rayons X (TC) pour validation. Le C-scan ultrasonore (UT) et l’imagerie par ondes tera-hertziennes en onde continue (CW THz) ont également été réalisés à des fins comparatives. L’inspection par techniques thermographiques est une question ouverte à discuter pour le public scientifique. En fait, la thermographie par impulsions (PPT) basée sur la transformation de phase a été utilisée pour estimer la profondeur des dommages. Pour traiter les données thermographiques, on a également utilisé la reconstruction de signal thermographique de base (B-TSR), la thermographie des composants principaux (PCT) et la thermographie des moindres carrés partiels (PLST). Enfin, une analyse complète et comparative basée sur le diagnostic d’images thermographiques a été menée en vue d’applications industrielles potentielles. / Non-destructive testing (NDT) of composite materials is complicated due to the wide range off laws encountered (including delamination, micro-cracking, fiber fracture, fiber pullout, matrix cracking, inclusions, voids, and impact damage). The ability to quantitatively characterize the type, geometry, and orientation of flaws is essential. Infrared thermography (IRT), as an image diagnostic technique, can satisfy the increasing industrial need for NDT&E. In the thesis, optical and mechanical excitation thermography were used to investigate different composite materials, including 1) carbon fiber dry preforms, 2) natural fiber composites, 3) basalt-carbon fiber hybrid composites subjected to impact loading (sandwich-like and intercalated stacking sequence), 4) micro-sized flaws in a stitched T-joint 3D carbon fiber reinforced polymer composite (CFRP), and 5) paintings on canvas which can be considered as composite materials. Of particular interest, a new IRT technique micro-laser line thermography (micro-LLT) was proposed for the evaluation of submillimeter porosities in CFRP. Micro-laser spot thermography (micro-LST) and micro-vibrothermography (micro-VT) were also presented with the usage of a micro-lens. Pulsed thermography (PT) and lock-in thermography (LT) were compared with x-ray computed tomography (CT) for validation. Ultrasonic C-scan (UT) and continuous wave terahertz imaging (CW THz) were also conducted for the comparative purpose. The inspection by thermographic techniques is an open matter to be discussed for the scientific audience. In fact, pulse phase thermography (PPT) based on phase transform was used to estimate the damage depth. Basic thermographic signal reconstruction (B-TSR), principal component thermography (PCT) and partial least squares thermography (PLST) (another more recent advanced image processing technique) were also used to pro-cess the thermographic data. Finally, a comprehensive and comparative analysis based on thermographic image diagnostics was conducted in view of potential industrial applications.

L’évaluation non destructive (NDT) des matériaux composites est compliquée en raison de la vaste gamme de défauts rencontrés (y compris délaminage, microfissuration, fracture de la fibre, retrait des fibres, fissuration matricielle, inclusions, vides et dommages aux chocs). La capacité de caractériser quantitativement le type, la géométrie et l’orientation des défauts est essentielle. La thermographie infrarouge (IRT), en tant que technique de diagnostic d’image, peut satisfaire le besoin industriel croissant de NDT&E. Dans la thèse, la thermographie par excitation optique et mécanique a été utilisée pour étudier différents matériaux composites, dont 1) des préformes sèches en fibres de carbone, 2) des composites de fibres naturelles, 3) des composites hybrides de basalte-fibres de carbone soumis à une charge d’impact (séquence de type sandwich et séquence d’empilement intercalé), 4) des défauts micro-dimensionnés dans un composite polymère renforcé de fibre de carbone (CFRP) en 3D avec une couture de type « joint en T », et 5) des peintures sur toile qui peuvent être considérées comme des matériaux composites. Une nouvelle technique IRT de thermographie de ligne par micro-laser (micro-LLT) a été proposée pour l’évaluation des porosités submillimétriques dans le CFRP. La microscopie de points par micro-laser (micro-LST) et la micro-vibrothermographie (micro-VT) ont également été présentées avec l’utilisation de microlentilles. La thermographie pulsée (PT) et la thermographie modulée « à verrouillage » (LT) ont été comparées à la tomographie par rayons X (TC) pour validation. Le C-scan ultrasonore (UT) et l’imagerie par ondes tera-hertziennes en onde continue (CW THz) ont également été réalisés à des fins comparatives. L’inspection par techniques thermographiques est une question ouverte à discuter pour le public scientifique. En fait, la thermographie par impulsions (PPT) basée sur la transformation de phase a été utilisée pour estimer la profondeur des dommages. Pour traiter les données thermographiques, on a également utilisé la reconstruction de signal thermographique de base (B-TSR), la thermographie des composants principaux (PCT) et la thermographie des moindres carrés partiels (PLST). Enfin, une analyse complète et comparative basée sur le diagnostic d’images thermographiques a été menée en vue d’applications industrielles potentielles. / Non-destructive testing (NDT) of composite materials is complicated due to the wide range off laws encountered (including delamination, micro-cracking, fiber fracture, fiber pullout, matrix cracking, inclusions, voids, and impact damage). The ability to quantitatively characterize the type, geometry, and orientation of flaws is essential. Infrared thermography (IRT), as an image diagnostic technique, can satisfy the increasing industrial need for NDT&E. In the thesis, optical and mechanical excitation thermography were used to investigate different composite materials, including 1) carbon fiber dry preforms, 2) natural fiber composites, 3) basalt-carbon fiber hybrid composites subjected to impact loading (sandwich-like and intercalated stacking sequence), 4) micro-sized flaws in a stitched T-joint 3D carbon fiber reinforced polymer composite (CFRP), and 5) paintings on canvas which can be considered as composite materials. Of particular interest, a new IRT technique micro-laser line thermography (micro-LLT) was proposed for the evaluation of submillimeter porosities in CFRP. Micro-laser spot thermography (micro-LST) and micro-vibrothermography (micro-VT) were also presented with the usage of a micro-lens. Pulsed thermography (PT) and lock-in thermography (LT) were compared with x-ray computed tomography (CT) for validation. Ultrasonic C-scan (UT) and continuous wave terahertz imaging (CW THz) were also conducted for the comparative purpose. The inspection by thermographic techniques is an open matter to be discussed for the scientific audience. In fact, pulse phase thermography (PPT) based on phase transform was used to estimate the damage depth. Basic thermographic signal reconstruction (B-TSR), principal component thermography (PCT) and partial least squares thermography (PLST) (another more recent advanced image processing technique) were also used to pro-cess the thermographic data. Finally, a comprehensive and comparative analysis based on thermographic image diagnostics was conducted in view of potential industrial applications.

Cette thèse présente une étude sur les hétérostructures à base de mercure, cadmium et tellure (HgCdTe ou MCT) pour l'émission et la détection de radiations Térahertz (THz). En raison de leurs propriétés physiques spécifiques, les hétérostructures à base de HgCdTe devraient en effet jouer un rôle important dans les futurs dispositifs Térahertz. Parmi les autres propriétés remarquables de ces structures, les puits quantiques de HgTe/CdTe à l'épaisseur critique (environ 6,3 nm) présentent un état sans gap caractérisé par la relation de dispersion linéaire propre aux fermions Dirac sans masse. Lorsque la largeur du puits quantique dépasse la valeur critique, la structure de la bande s’inverse. Dans ce cas, ces puits deviennent des isolants topologiques bidimensionnels qui passionnent la communauté scientifique depuis une décennie. Cette inversion de bande peut être brisée en variant plusieurs paramètres physiques tels que le champ magnétique ou la température. Ces transitions de phases topologiques pourraient être très intéressantes en vue d’applications à l’électronique haute fréquence et à basse consommation d'énergie.Dans ce travail, l’accent est mis sur des dispositifs munis de grilles et présentant une structure de bande inversée. Premièrement, nous mettons en évidence la possibilité de détecter la lumière incidente Térahertz à des températures cryogéniques. Nous rapportons également une amélioration de la détection Térahertz au voisinage de la transition de phase topologique induite par le champ magnétique et proche du point de neutralité de charge. Deuxièmement, nous observons sans ambiguïté la transition de phase induite par la température entre l'état isolant topologique et l'état isolant de l’effet Hall quantique, par des expériences de magnéto-transport. Ensuite, en utilisant la technique de détection Térahertz non résonnante, nous avons retracé avec succès les niveaux de Landau du puits et défini précisément le champ magnétique critique correspondant à la transition de phase quantique. Nous avons constaté que cette technique Térahertz peut être utilisée dans chaque échantillon avec grille sans besoin de quatre contacts de mesure ni de traitement de données mathématiques.En ce qui concerne les émetteurs Térahertz, nous présentons ici nos résultats sur l'émission stimulée d'hétérostructures de HgCdTe dans leur état semi-conducteur conventionnel à des fréquences supérieures à 30 THz. Nous discutons des mécanismes physiques impliqués et des voies prometteuses vers le domaine de fréquence entre 5 et 15 THz. Malgré le fait que les principaux matériaux pour les lasers solides à grandes longueurs d'ondes sont des hétérostructures basées sur les semi-conducteurs III-V, leurs bandes Reststrahlen rendent cette gamme de fréquences inaccessible pour les lasers à base de III-V (y compris les lasers à cascade quantique) même à des températures cryogéniques. Étant donné que la bande d'absorption du réseau cristallin dans les hétérostructures à base de Hg1-xCdxTe est décalée vers des longueurs d'onde plus grandes, ces composés (avec x <0,21) semblent être très prometteurs en tant que lasers solides Térahertz. / This thesis presents an investigation of mercury-cadmium-telluride (HgCdTe or MCT) based heterostructures for emission and detection of Terahertz (THz) radiations. Due to their specific physical properties, HgCdTe-based heterostructures are indeed expected to play an important role in future terahertz systems. Among other remarkable properties, HgTe/CdTe-based quantum wells (QWs) at the critical thickness (about 6.3 nm), exhibit a gapless state characterized by the linear energy-momentum law of massless Dirac fermions. When the QW width exceeds this critical value, the energy band structure becomes inverted. In this case, these QWs are shown to be two-dimensional topological insulators that attract since the last decade a great fundamental interest. This band inversion can be broken by varying several external physical parameters as magnetic field or temperature. These so-called topological phase transitions could be of high interest for future low-energy consumption and high frequency electronics.Here, focusing on gated devices presenting inverted band ordering, we first evidence the possibility to detect THz incident light at cryogenic temperatures. We also report on an enhancement of the terahertz photoconductive response in the vicinity of the magnetic field driven topological phase transition and close to the charge neutrality point. Secondly, we observed unambiguously the temperature driven phase transition between the topological insulator state and the usual quantum Hall insulator state by magneto-transport experiments. Then, using the non-resonant THz detection technique, we successfully imaged the QWs Landau levels and defined precisely the critical magnetic field corresponding to the quantum phase transition. We found that this THz technique can be used in every gated sample without need neither for four contacts devices nor mathematical data processing.Regarding terahertz emitters, we present here our results on stimulated emission of HgCdTe heterostructures in their conventional semiconductor state above 30 THz, discussing the physical mechanisms involved and promising routes towards the 5–15 THz frequency domain. Despite the fact that the leading materials for long wavelength solid-state lasers are heterostructures based on III-V semiconductors, their Reststrahlen bands makes this frequency range inaccessible for III-V-based lasers (including quantum cascade lasers) even at cryogenic temperatures. Since the lattice absorption band in Hg1-xCdxTe-based heterostructures is shifted to longer wavelengths, these compounds with (x<0.21) seem to be very promising as interband solid-state THz lasers.

Les expériences de spectroscopie ont été réalisées en collaboration avec Jean-François Allard du groupe de Denis Morris de l'Université de Sherbrooke. / Le présent projet de maîtrise a pour but d’étudier les interactions optiques des films de nanotubes de carbone (FNTCs) avec les ondes THz. Des expériences d’absorption térahertz faites par spectroscopie THz dans le domaine temporel ont été entreprises sur les films dont l’épaisseur varie. Les films d’épaisseurs allant de 14 à 145 nm, sont des couches minces de nanotubes de carbone (NTCs) empilés les uns sur les autres et sont déposés sur substrats (GaAs et silicium). Une caractérisation comparative des épaisseurs des films est entreprise dans un premier temps par AFM et par ellipsométrie spectroscopique. À cause de la rugosité de la surface et de porosité des films qui compliquent les interactions de la lumière avec les films, les épaisseurs déterminées par AFM sont gardées au détriment de celles d’ellipsométrie. La relation entre les épaisseurs mesurées par AFM en fonction des épaisseurs nominales s’est révélée linéaire. Les couleurs des FNTC sont aussi caractérisées en fonction de leurs épaisseurs. L’expérience d’absorption THz sur les films consiste à enregistrer la transmission d’une impulsion THz à large bande à travers les échantillons. Sur les spectres, on détecte aussi l’impulsion de réflexion, l’écho de réflexion de l’impulsion principale THz à l’intérieur du substrat séparé par un délai temporel. La diminution du pic de l’impulsion principale THz en fonction de l’épaisseur est non linéaire et atteint une saturation pour les films les plus épais. Ce résultat est en lien direct avec les mesures quatre pointes de conductivité dc des films où l’inverse de la résistivité de feuille sature à partir des mêmes épaisseurs de film. L’écho de réflexion de l’impulsion principale à l’intérieur du substrat perd de l’amplitude plus rapidement en fonction de l’épaisseur à cause de près de deux passages supplémentaires de l’impulsion dans le film au moment de la réflexion. Finalement, une disparition de l’impulsion de réflexion à une épaisseur particulière de film (100 nm pour le GaAs et 60 nm pour le Si) démontre les propriétés antiréfléchissantes des FNTCs. / In the present masters project, the goal is to study the optical interactions of carbon nanotube films (CNTFs) with terahertz (THz) waves. The THz absorption experiments made by time domain THz spectroscopy have been undertaken on thickness-variable films. CNTFs, which have their thicknesses range from 14 to 145 nm, are thin CNT layers that are piled one on another are deposited on a substrate (GaAs or silicon). First, a comparative characterization of film thicknesses is undertaken with AFM and with spectroscopic ellipsometry. Because of surface rugosity and film porosity which has the effect of complexifying the interaction of light with the films, AFM thicknesses are held for the rest of the analysis instead of those determined with ellipsometry. AFM measured thicknesses scale linearly with respect to nominal thicknesses that are proportional to the CNT density. CNTFs’ colors reveal to be correlated with their thicknesses. THz absorption experiments consist of taking the transmission spectrum of a broad band THz pulse through the samples. On the spectra, we also detect the reflection pulse, which is the echo of the main THz pulse inside the substrate separated by a time delay. The decrease of the main THz pulse with respect to the film thickness is non linear and reaches a saturation plateau for the thickest films. This finding is in direct relationship with four-point probe sheet conductivity measurements made on the films where a saturation is also observed from the same thicknesses. The reflection pulse loses amplitude more rapidly as the film thickness increases because of two additional wave passages in the film during reflection. Lastly, a quenching of the reflection pulse which is observed at a particular film thickness (100 nm for GaAs and 60 nm for silicon) demonstrates antireflection properties for the CNTFs.

Le but de ce travail est de quantifier le potentiel et les capacités de la technologie térahertz à contrôler des colis afin de détecter les menaces telles que les armes et les explosifs, sans avoir besoin d'ouvrir le colis.Dans cette étude, nous présentons la spectroscopie térahertz résolue en temps et l'imagerie multi-spectrale pour la détection des explosifs. Deux types d’explosifs, ainsi que leurs mélanges binaires sont analysés. En raison de la complexité de l'extraction des informations face à tels échantillons, trois outils de chimiométrie sont utilisés: l’analyse en composantes principales (ACP), l'analyse des moindres carrés partiels (PLS) et l'analyse des moindres carrés partiels discriminante (PLS-DA). Les méthodes sont appliquées sur des données spectrales térahertz et sur des images spectrales pour : (i) décrire un ensemble de données inconnues et identifier des similitudes entre les échantillons par l'ACP ; (ii) créer des classes, ensuite classer les échantillons inconnus par PLS-DA ; (iii) créer un modèle capable de prédire les concentrations d’un explosif, à l'état pur ou dans des mélanges, par PLS.Dans la deuxième partie de ce travail, nous présentons l'imagerie par les ondes millimétriques pour la détection d'armes dans les colis. Trois techniques d'imagerie différentes sont étudiées : l'imagerie passive, l’imagerie active par des ondes continues (CW) et l’imagerie active par modulation de fréquence (FMCW). Les performances, les avantages et les limitations de chacune de ces techniques, pour l’inspection de colis, sont présentés. En outre, la technique de reconstruction tomographique est appliquée à chacune de ces trois techniques, pour visualiser en 3D et inspecter les colis en volume. Dans cet ordre, un algorithme de tomographie spécial est développé en prenant en considération la propagation gaussienne de l'onde. / The aim of this work is to demonstrate the potential and capabilities of terahertz technology for parcels screening and inspection to detect threats such as weapons and explosives, without the need to open the parcel.In this study, we first present terahertz time-domain spectroscopy and spectral imaging for explosives detection. Two types of explosives as well as their binary mixture is analyzed. Due to the complexity of extracting information when facing such mixtures of samples, three chemometric tools are used: principal component analysis (PCA), partial least square analysis (PLS) and partial least squares-discriminant analysis (PLS-DA). The analyses are applied to terahertz spectral data and to spectral-images in order to: (i) describe a set of unknown data and identify similarities between samples by PCA; (ii) create a classification model and predict the belonging of unknown samples to each of the classes, by PLS-DA; (iii) create a model able to quantify and predict the explosive concentrations in a pure state or in mixtures, by PLS.The second part of this work focuses on millimeter wave imaging for weapon detection in parcels. Three different imaging techniques are studied: passive imaging, continuous wave (CW) active imaging and frequency modulated continuous wave (FMCW) active imaging. The performances, the advantages and the limitations of each of the three techniques, for parcel inspection, are exhibited. Moreover, computed tomography is applied to each of the three techniques to visualize data in 3D and inspect parcels in volume. Thus, a special tomography algorithm is developed by taking in consideration the Gaussian propagation of the wave.

Le présent projet de maîtrise a pour but d’étudier les interactions optiques des films de nanotubes de carbone (FNTCs) avec les ondes THz. Des expériences d’absorption térahertz faites par spectroscopie THz dans le domaine temporel ont été entreprises sur les films dont l’épaisseur varie. Les films d’épaisseurs allant de 14 à 145 nm, sont des couches minces de nanotubes de carbone (NTCs) empilés les uns sur les autres et sont déposés sur substrats (GaAs et silicium). Une caractérisation comparative des épaisseurs des films est entreprise dans un premier temps par AFM et par ellipsométrie spectroscopique. À cause de la rugosité de la surface et de porosité des films qui compliquent les interactions de la lumière avec les films, les épaisseurs déterminées par AFM sont gardées au détriment de celles d’ellipsométrie. La relation entre les épaisseurs mesurées par AFM en fonction des épaisseurs nominales s’est révélée linéaire. Les couleurs des FNTC sont aussi caractérisées en fonction de leurs épaisseurs. L’expérience d’absorption THz sur les films consiste à enregistrer la transmission d’une impulsion THz à large bande à travers les échantillons. Sur les spectres, on détecte aussi l’impulsion de réflexion, l’écho de réflexion de l’impulsion principale THz à l’intérieur du substrat séparé par un délai temporel. La diminution du pic de l’impulsion principale THz en fonction de l’épaisseur est non linéaire et atteint une saturation pour les films les plus épais. Ce résultat est en lien direct avec les mesures quatre pointes de conductivité dc des films où l’inverse de la résistivité de feuille sature à partir des mêmes épaisseurs de film. L’écho de réflexion de l’impulsion principale à l’intérieur du substrat perd de l’amplitude plus rapidement en fonction de l’épaisseur à cause de près de deux passages supplémentaires de l’impulsion dans le film au moment de la réflexion. Finalement, une disparition de l’impulsion de réflexion à une épaisseur particulière de film (100 nm pour le GaAs et 60 nm pour le Si) démontre les propriétés antiréfléchissantes des FNTCs. / In the present masters project, the goal is to study the optical interactions of carbon nanotube films (CNTFs) with terahertz (THz) waves. The THz absorption experiments made by time domain THz spectroscopy have been undertaken on thickness-variable films. CNTFs, which have their thicknesses range from 14 to 145 nm, are thin CNT layers that are piled one on another are deposited on a substrate (GaAs or silicon). First, a comparative characterization of film thicknesses is undertaken with AFM and with spectroscopic ellipsometry. Because of surface rugosity and film porosity which has the effect of complexifying the interaction of light with the films, AFM thicknesses are held for the rest of the analysis instead of those determined with ellipsometry. AFM measured thicknesses scale linearly with respect to nominal thicknesses that are proportional to the CNT density. CNTFs’ colors reveal to be correlated with their thicknesses. THz absorption experiments consist of taking the transmission spectrum of a broad band THz pulse through the samples. On the spectra, we also detect the reflection pulse, which is the echo of the main THz pulse inside the substrate separated by a time delay. The decrease of the main THz pulse with respect to the film thickness is non linear and reaches a saturation plateau for the thickest films. This finding is in direct relationship with four-point probe sheet conductivity measurements made on the films where a saturation is also observed from the same thicknesses. The reflection pulse loses amplitude more rapidly as the film thickness increases because of two additional wave passages in the film during reflection. Lastly, a quenching of the reflection pulse which is observed at a particular film thickness (100 nm for GaAs and 60 nm for silicon) demonstrates antireflection properties for the CNTFs. / Les expériences de spectroscopie ont été réalisées en collaboration avec Jean-François Allard du groupe de Denis Morris de l'Université de Sherbrooke.