During the boreal cool season, regional climate in the United States is strongly impacted by extreme temperature regimes (ETRs), including both cold air outbreaks (CAOs) and warm waves (WWs), which have significant impacts on energy consumption, agriculture, as well as the human population. Using NCEP/NCAR and MERRA reanalysis data, the statistical characteristics of ETRs over three distinct geographical regions are studied: the Midwest (MW), Northeast Megalopolis (NE), and Deep South (SE). The regional long-term variability in the frequency and amplitude of ETRs is examined, and the modulation of these ETRs by low frequency modes is quantified. ETR behavior is characterized using three different metrics applied to both T and Twc: 1) the number of extreme cold/warm days, 2) a seasonal cumulative "impact factor", and 3) a peak normalized anomaly value. A trend analysis reveals a significant downward trend in SE WW events from 1949-2011. Otherwise, no significant trends are found for ETRs in any of the other regions. Thus, these results indicate that there has not been any significant reduction in either the amplitude or frequency of CAOs over the United States during the period of analysis. In fact, for the SE region, the recent winters of 2009/2010 and 2010/2011 both rank among the top 5 in terms of CAO metrics. In addition, strong interannual variability in ETRs is evident from 1949-2011 in each region. Linear regression analysis is then used to determine the associations between ETR metrics and the seasonal mean state of several low frequency modes, and it is found that ETRs tend to be modulated by certain low frequency modes. For instance, in the SE region, there is a significant association between ETRs and the phase of the North Atlantic (or Arctic) Oscillation (NAO/AO), the Pacific North American (PNA) pattern (for WWs only), the Pacific Decadal Oscillation (PDO) and the El Niño-Southern Oscillation (for WWs only). Over the MW region, WWs are modulated by the NAO/AO and PNA patterns, while in the NE region, the AO, NAO (for WWs only) and PDO (for WWs only) are implicated. In addition, it is found that there is an asymmetry between the low frequency mode modulation of CAOs and WWs. Multiple linear regression analysis is then used to quantify the relative roles of the various low frequency modes in explaining interannual variability in ETR metrics, and reveals that various combinations of low frequency modes can explain anywhere between 10% and 50% of the variance in the ETR metrics.

This thesis presents how experimental results, from wave power research performed offshore at the Lysekil research site, were obtained. The data were used to verify theoretical models as well as evaluate the feasibility of wave power as a future sustainable energy source. The first experiments carried out at the research site was the measurement of the force in a line where one end was connected to a buoy with a diameter of 3 m and the other end to a set of springs with limited stroke length. The system is exposed to high peak forces compared to average forces. The maximum measured force in the line, when the buoy motion is limited by a stiff stopper rope is ten times the average force in that particular sea state. The experiment performed on the first wave energy converter tested at the Lysekil Research Site is described. The infrastructure of the site is presented where the central connection point is the measuring station. The key finding is that it is possible to transform the motions of ocean waves into electrical energy and distribute it to land. Many wave energy converters must be interconnected if large amounts of energy are to be harvested from the waves. The first submerged substation intended for aggregation of energy from wave power converters is described, with focus on the measurement and control system placed inside the substation. During this experiment period the generators were equipped with many different sensors; these measurements are explained in the thesis. The system that aggregates power from the studied wave energy converter is regularly exposed to peak power of up to 20 times the maximum average output from the converter. Vertical and horizontal movement of the buoy has been measured in different ways. The result is that the vertical displacement of the buoy can be measured with a simple accelerometer circuit but it is much more complicated to measure the horizontal displacement. A special method for measuring the horizontal displacement has been implemented by measuring the strain in the enclosure and the force in the line. / Den här avhandlingen berättar om hur experimenten vid Lysekils forskningsområde för vågkraft har utförts. Insamlade mätdata har använts för att verifiera teoretiska samband som modulerats vid Elektricitetslära, Uppsala universitet. De teoretiska och praktiska resultaten har visat på att vågkraft har förutsättningarna att implementeras som en hållbar framtida energikälla. Intressanta mätmetoder har utvecklas och påfrestningarna  på utrustningin och dess samband med medel effekten har studerats. / Lysekils projektet

Les matériaux de faible dimensionnalité, tels que les nanotubes de carbone, le graphène, les nanofils de semi-conducteurs ou d'oxydes métalliques, présentent des propriétés intéressantes telles qu'un rapport surface/ volume important, des mobilités électroniques élevées, des propriétés thermiques et électriques particulières, avec la possibilité de constituer une alternatives à certaines fonctions CMOS ou d'intégrer de nouvelles fonctions comme la récupération d'énergie ou des capteurs. Pour la bio-détection, les nanofils permettent par exemple d'obtenir une grande sensibilité à la présence de biomolécules cibles grâce à la modification de charge qui accompagne leur hybridation sur des biomolécules sondes greffées à la surface du nanofil et au fort couplage électrostatique de cette charge de surface avec le cœur du nanofil. La fabrication de ce type de structure suit différentes voies: une voie dite "top-down" qui est utilisée par la production microélectronique de masse et qui permet un excellent contrôle technologique grâce à l'utilisation d'équipements, notamment de lithographie, extrêmement performants; une seconde voie moins coûteuse mais moins contrôlée dite "bottom-up" dont un exemple répandu est la réalisation de réseaux aléatoires, obtenus par dispersion de nanostructures réalisées directement sous forme 1D par croissance et en général relativement dopés de façon non nécessairement contrôlée. Dans les deux cas, le mécanisme de base est le contrôle électrostatique du canal par effet de champ d'un ensemble (organisé ou non) de nanostructures. Dans cette thèse, trois types de transistors différents sont explorées ; des transistors à nanofils SnO2, des réseaux aléatoires de nanotubes de carbone, des transistors à nanofil à canal uniformément dopé, dits "junctionless transistors" ou JLTs). Par rapport à la configuration classique d'un transistor MOS à inversion, le contrôle demande en général à être reconsidéré pour tenir compte des spécificités de ce type de structures: topologie du canal, isolants non standards (résines), effets de percolation dans les réseaux désordonné, contrôle électrostatique dans les nanofils fortement dopés, rôle crucial des états d'interface. Le travail s'appuie sur (i) une caractérisation approfondie de ces composants en statique (contrôle du courant), en petit signal (contrôle de la charge) et en bruit (pièges et états d'interfaces), (ii) une analyse critique des méthodologies d'extraction de paramètres et des modèles utilisés pour analyser ce fonctionnement avec dans certains cas l'appui de simulations et (iii) le développement, lorsque cela s'avère nécessaire, de nouvelles méthodologies d'extraction. / In this dissertation, the electrical characterization of heavily-doped junctionless transistors (JLTs) and individual tin-oxide (SnO2) nanowire field-effect transistors (FETs) and single-walled carbon nanotube (SWCNT) random network thin film transistors (RN-TFTs) are presented in terms of I-V, C-V, low frequency noise (LFN), and low temperature measurement including a numerical simulation, respectively. As a potential emerging candidate for more than Moore, recently developed heavily doped JLTs were studied in low-temperature (77K ~ 350K) with double gate mode to have physical insights of carrier scattering mechanism with account for both the position of flat-band voltage and doping concentration, respectively. Besides, as a nano-scaled bottom-up device, polymethyl methacrylate passivated individual SnO2 nanowire FET was discussed. A large contribution of channel access resistance to carrier mobility and LFN behavior was found as same as in nano-structure devices. Furthermore, various electrical characteristics of percolation dominant N-type SWCNT RN-TFTs were demonstrated by taking into account for I-V, C-V, LFN and a numerical percolation simulation.

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This dissertation describes the development of an intelligent non-invasive thermal energy flow rate sensor for laminar and turbulent pipe flows. Energy flow rate is the thermal energy that is carried by a fluid, for example, in a pipe to heat or cool a space in a building. It can be measured by an energy flow rate sensor which consists of a volume flow rate meter and supply and return fluid temperature sensors to bill the users for their energy usage. A non-invasive, low-cost, and easy to install thermal energy flow rate sensor based on thermal interrogation transient heat flux and temperature measurements has been developed to measure fluid velocity and fluid temperature in pipes. This sensor can be used for different pipe diameters, different pipe materials, and different viscous fluids. The transient measurements are made on the outer surface of a pipe by using a heat flux sensor and a thin-film thermocouple which are covered by a thin-film heater. A one-dimensional transient thermal model is applied before and during activation of the external heater along with a parameter estimation code to provide estimates of the fluid heat transfer coefficient and apparent thermal resistance between the thermocouple and the pipe surface. This dissertation contributes to the sensor's development in three ways. First, a new design is developed by using a single layer of Kapton tape with an adhesive (dielectric material) between the thermocouple foils and the pipe wall to isolate the thermocouple electrically from the pipe surface. This new design gives accurate and reliable estimates of the internal mean fluid temperature without environmental interference. Second, this new sensor design is tested for turbulent pipe flows with two different pipe diameters ( = 25.4 mm and = 12.7 mm) and two different viscous fluids (diesel oil and water). Experiments are completed over a large range of fluid velocity from 0.2 m/s to 5.5 m/s and a range of fluid temperature from 20 ℃ to 50 ℃. The estimated parameters, heat transfer coefficient and apparent thermal resistance, are correlated with the fluid velocity and fluid temperature. This sensor gives a good correlation, repeatability, and sensitivity between the estimated parameters and the fluid velocities with an accurate estimation of the fluid temperatures without environmental interference. Third, this sensor is tested for laminar flow in pipes over a range of fluid velocity from 0.049 m/s to 0.45 m/s and a range of fluid temperature from 20 ℃ to 50 ℃. A new empirical correlation between the estimated parameters and the laminar fluid velocity has been developed. The results show that this sensor gives lower sensitivity and accuracy between the estimated parameters and the fluid velocity and fluid temperature for the laminar flow. / Doctor of Philosophy / Heating or cooling is responsible for approximately 50% of the total energy consumption in a building. Budlings' energy consumption can be measured by energy flow rate sensors (measuring both fluid velocity and fluid temperature). Current energy flow rate sensors are invasive (requiring installation inside the system and disturbing the flow) which create unacceptable risks, such as fluid leaks and damage the equipment. Other energy flow rate sensors based on ultrasonic and electromagnetic technologies are non-invasive which can be installed on the outside of the pipe without disturbing the flow, however, they are expensive to buy, difficult to install, and hard to calibrate. Therefore, developing new sensor techniques is necessary, preferably non-invasive, low-cost, and easy to install. In this dissertation, a new non-invasive, low-cost, and easy to install thermal energy flow rate sensor has been designed, developed, and tested. This thermal sensor is based on transient heat flux and temperature measurements which are made on the outside of a copper pipe surface by using a heat flux sensor and a thermocouple. This sensor is used to estimate the energy consumption by measuring a fluid velocity and a fluid temperature in heating and cooling pipe applications for different pipe diameters, different fluids, and different pipe materials. A parameter estimation code is developed to match the analytical and experimental sensor temperature values and to estimate the unknown system parameters. These parameters are correlated with the fluid velocity and fluid temperature. Experiments are completed over a large range of fluid velocity from 0.049 m/s to 5.5 m/s and a range of fluid temperature from 20℃ to 50℃. The encouraging measurement results show that this sensor gives a good correlation, repeatability, accuracy, and sensitivity between the estimated parameters and the fluid velocities with an accurate estimation of the fluid temperatures to allow calculation of the thermal energy consumption.

Les jonctions tunnel magnétiques épitaxiées Fe/MgO/Fe(001) présentent des comportements remarquables dans la limite des faibles ou des fortes épaisseurs de MgO. Ainsi, dans le premier cas, une interaction antiferromagnétique entre les deux couches de fer est observée ; dans le second, des effets de filtrage en symétrie conduisent à l?obtention de fortes valeurs de magnétorésistance. Les expériences réalisées au cours de cette thèse visent à étudier et mettre en relation ces deux régimes de propriétés extrêmes. Des analyses en tension et en température nous permettent d?étudier les conséquences d?une modulation de la structure cristalline des électrodes et/ou de l?interface sur le transport polarisé en spin. Dans ce cadre, nous nous intéressons à trois systèmes : des jonctions hybrides Fe/MgO(001)/CoFeB, où l?électrode de CoFeB est déposée par pulvérisation cathodique puis cristallisée in situ, des jonctions Fe/MgO/Fe à texture (001), ainsi que des jonctions Fe/MgO/Fe monocristallines présentant une rugosité artificielle à l?interface barrière/électrode. Le couplage antiferromagnétique dans des systèmes Fe/MgO/Fe(001) à barrière fine est étudié grâce à des mesures de magnétométrie sur la gamme de température [5 K ; 500 K]. Nous considérons aussi l?effet de modifications structurales et/ou chimiques de l?interface par le biais de l?introduction d?une rugosité contrôlée ou d?un contaminant. Les résultats les plus originaux de cette thèse sont obtenus grâce à l?introduction d?une rugosité artificielle à l?interface Fe/MgO ; contre toute attente, ce désordre contrôlé peut en effet augmenter l?effet de magnétorésistance ou l?intensité du couplage antiferromagnétique / Epitaxial magnetic tunnel junctions Fe/MgO/Fe(001) exhibit noteworthy behaviors for both small and large MgO thicknesses. In the first case, a strong antiferromagnetic interaction between Fe layers is observed, whereas symmetry filtering effects occur for large barriers, leading to high TMR values. The aim of the experiments performed during this thesis is to study and link these two behaviors. We consider the effect of a modulation of electrodes and/or interfaces crystalline structure on spin-polarized transport, by means of temperature and voltage analyses. In this framework, we focus on three systems: Fe/MgO(001)/CoFeB hybrid junctions, where the CoFeB electrode is grown by sputtering and in situ recrystallized, textured Fe/MgO/Fe(001) junctions, and finally single crystalline (001)Fe/MgO/Fe junctions with an artificial roughness at the electrode/barrier interface. The antiferromagnetic coupling in epitaxial Fe/MgO/Fe(001) systems with a thin MgO barrier is studied by magnetometry measurements in the [5 K; 500 K] range. We also consider the effect of structural and/or chemical changes resulting from a controlled roughness or a contamination on the coupling. The most interesting results of this thesis are obtained with the introduction of an artificial roughness at the Fe/MgO interface. Unexpectedly, this controlled disorder can improve the magnetoresistance effect or the coupling intensity. In both cases, this result is attributed to a Fe-O hybridization, which emphasizes the role of oxygen in MgO based magnetic tunnel junctions for both behaviors associated with extremely thin or thick barriers

Ce travail porte sur l'étude des effets thermiques dans un palier hydrodynamique, alimentée par une rainure circonférentielle (CGJB) sous charge statique, en tenant compte des phénomènes de rupture de film dans la zone divergente. La recherche expérimentale a été réalisée à l'Université de Poitiers ; elle a permis une détermination minutieuse des champs de pression et de température sur la portée située à l’avant d’un CGJB et dans la section médiane de sa rainure. Ces mesures sous un régime stationnaire sont originales par rapport celles existantes, quel que le type de palier, de par le grand nombre de points de mesure, 180 pour la pression et 144 pour la température, l'instrumentation de haute précision, la large plage de conditions d'exploitation (pression spécifique variant de 0,125 à 2 MPa et vitesse linéaire de l’arbre allant de 5,25 à 21 m/s). Des études du régime transitoire de démarrage au régime stationnaire établi ont été effectuées pour de faibles charges. Des expériences effectuées à l'Université "Politehnica" de Bucarest ont montré une bonne corrélation entre la perte de portance, anti-portance et la rupture du film sur un patin Rayleigh (RSP), ce qui est essentiel pour l'évaluation des phénomènes de rupture dans les paliers. Quelques modèles théoriques ont été utilisés pour évaluer les risques de serrage au démarrage qui est une instabilité thermoélastique catastrophique. Les principaux résultats sont l’obtention d’une base fiable de données expérimentales permettant le développement des modèles théoriques avancés et l’infirmation d’une répartition de pression constante dans la zone divergente et de pression et température constantes dans la rainure d'alime / The main objective of the thesis is to study the thermal effects in steadily loaded circumferential groove journal bearings (CGJBs), including cavitation phenomena occurring in the divergent zone of such bearings. Experimental research conducted at University of Poitiers – Institut Pprime – France enabled a thorough determination of film pressure and temperature fields for the front land of a CGJB plus its mid-groove section, and several performance parameters. Measurements of film pressure and temperature fields under steady-state regime surpassed existing works, regardless of journal bearing design, through: sheer number of land measurement locations, 180 for pressure and for 144 temperature; high precision state of art instrumentation; broad range of operating conditions, 0.125 … 2 MPa specific bearing pressure and 5.25 … 21 m/s shaft speeds. Transient start-up to steady-statestabilization regimes have been investigated at low loads. Experiments at University "Politehnica" of Bucharest – Romania showed a correlation between the downforce thrust and film rupture for a Rayleigh step pin (RSP), important in evaluating divergent zone cavitation phenomena. Theoretical research consisted in developing simple models for evaluating CGJBs performance in steady-state and transient start-up regimes. Several theoretical models were employed for assessing start-up seizure, catastrophic transient thermoelastic instability and damage risk. The major result is a reliable experimental data collection that: enables development of advanced theoretical models; disprove flat film pressure distributions in divergent zones, and constant pressure and temperature in the bearing supply groov

Durant ces dernières années, l’apparition de nouvelles architectures (FDSOI, FinFETs ou NW-FETs) et l’utilisation de nouveaux matériaux (notamment SiGe) ont permis de repousser les limites des performances des dispositifs MOS et de contourner l’effet canal court inhérent à la miniaturisation des composants. Cependant, pour toutes ces nouvelles architectures, la résistance de contact se dégrade au fil des nœuds technologiques. Celle-ci dépend fortement de deux paramètres physiques : la concentration de dopants actifs proches de la surface du semi-conducteur et de la hauteur de barrière Schottky du contact siliciuré. De multiples procédés avancés ont été proposé pour améliorer ces deux paramètres physiques (pré-amorphisation, recuit laser, ségrégation de dopants, etc…). Afin d’optimiser les conditions expérimentales de ces nouvelles techniques de fabrication, il est primordial de pouvoir caractériser avec fiabilité leur impact sur les deux grandeurs physiques citées. Dans le cadre de cette thèse, deux thématiques dédiées à l’étude de chacun des paramètres sont abordées, explicitant les méthodes de caractérisation développées ainsi que des exemples concrets d’applications. La première partie concerne l’étude de la concentration de dopants actifs proches de la surface du semi-conducteur. Dans cet axe, nous avons mis en place une méthode d’Effet Hall Différentiel (DHE). Cette technique combine gravures successives et mesures par effet Hall conventionnel afin d’obtenir le profil de concentration de dopants actifs en fonction de la profondeur. Nous avons développé et validé une méthode de gravure chimique et de mesure électrique pour des couches ultra-minces de SiGe et de Si dopées. Les profils de concentration générés ont une résolution en profondeur inférieure à 1 nm et ont permis d’étudier de façon approfondie dans les premiers nanomètres proches de la surface de couches fabriquées grâce à des techniques d’implantation et de recuit avancées comme par exemple, la croissance en phase solide activée par recuit laser. La deuxième partie porte sur la mesure de hauteurs de barrière Schottky pour des contacts siliciurés. Durant cette étude, nous avons transféré une technique se basant sur des diodes en tête bêche pour caractériser l’impact de la ségrégation de différentes espèces à l’interface siliciure/semi-conducteur sur la hauteur de barrière Schottky d’un contact en siliciure de platine. Cette méthode de mesure associée à des simulations physiques a permis d’une part, d’extrairer avec fiabilité des hauteurs de barrières avec une précision de 10meV et d’autre part, d’effectuer une sélection des meilleures conditions de ségrégation de dopants pour la réduction de la hauteur de barrière Schottky. Pour conclure, ce projet a rendu possible le développement de méthodes de caractérisation pour l’étude de matériaux utilisés en nanoélectronique. De plus, nous avons pu apporter des éclaircissements concernant l’impact de techniques d’implantation ionique alternatives sur des couches de Si et SiGe ultrafines, et ce, dans le but de réduire la résistance de contact entre siliciure et semi-conducteur dans le module source-drain de transistors ultimes. / During the past few decades, the emergence of new architectures (FDSOI, FinFETs or NW-FETs) and the use of new materials (like silicon/germanium alloys) allowed to go further in MOS devices scaling by solving short channel effect issues. However, new architectures suffer from contact resistance degradation with size reduction. This resistance strongly depends on two parameters: the active dopant concentration close to the semi-conductor surface and the Schottky barrier height of the silicide contact. Many solutions have been proposed to improve both of these physical parameters: pre-amorphisation, laser annealing, dopant segregation and others. In order to optimize the experimental conditions of these fabrication techniques, it is mandatory to measure precisely and reliably their impact on cited parameters.Within the scope of this thesis, two parts are dedicated to each lever of the contact resistance, each time precising the developed characterization method and concrete application studies. The first part concerns the study of the active dopant concentration close to the semi-conductor surface. In this axis, we developed a Differential Hall Effet method (DHE) which can provide accurate depth profiles of active dopant concentration combining successive etching processes and conventional Hall Effect measurements. To do so, we validated layer chemical etching and precise electrical characterization method for doped Si and SiGe. Obtained generated profiles have a sub-1nm resolution and allowed to scan the first few nanometers of layers fabricated by advanced ion implantation and annealing techniques, like solid-phase epitaxy regrowth activated by laser annealing. In the second part, we focused on the measurement of Schottky barrier height of platinum silicide contact. We transferred a characterization method based on back-to-back diodes structure to measure platinum silicide contacts with different dopant segregation conditions. The electrical measurements were then fitted with physical models to extract Schottky barrier height with a precision of about 10meV. This combination between measurements and simulations allowed to point out the best ion implantation and annealing conditions for Schottky barrier height reduction.To conclude, thanks to this project, we developed highly sensitive characterization methods for nanoelectronics application. Moreover, we brought several clarifications on the impact of alternative ion implantation and annealing processes on Si and SiGe ultra-thin layers in the perspective of contact resistance reduction in FDSOI source-drain module.

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Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Kondo-Gitter YbT2Si2 (T = Rh, Ir, Co) und CeTPO (T = Ru, Os, Fe, Co) untersucht. In diesen Systemen treten starke ferromagnetische Korrelationen der 4f-Momente zusammen mit ausgeprägter Kondo-Wechselwirkung auf, deren theoretische Beschreibung bislang sehr kontrovers diskutiert wird. Diese Arbeit liefert damit einen essentiellen experimentellen Beitrag zur Physik von ferromagnetischen Kondo-Gittern. So konnten qualitativ hochwertige Einkristalle von YbRh2Si2 hergestellt und erstmalig an einem Schwere-Fermion-System deren kritische Fluktuationen um den magnetischen Phasenübergang analysiert werden. Weiterhin konnte das bis dahin unverstandene Auftreten einer Elektron-Spin-Resonanz (ESR)-Linie in YbT2Si2 auf ferromagnetische Korrelationen zurückgeführt werden. Außerdem wurde mit CeFePO ein neues Schwere-Fermion-System mit starken ferromagnetischen Korrelationen entdeckt sowie mit dem isoelektronischen CeRuPO der seltene Fall eines ferromagnetisch geordneten Kondo-Gitters realisiert. / Within the context of this thesis the Kondo lattices YbT2Si2 (T = Rh, Ir, Co) and CeTPO (T = Ru, Os, Fe, Co) were investigated. In these systems strong ferromagnetic correlations of the 4f-moments together with pronounced Kondo interactions are present, whose theoretical description are pres-ently controversial discussed. Therefore, this work gives an essential experimental contribution to the physics of ferromagnetic Kondo lattices. The main results include the growth of high-quality single crystals of YbRh2Si2 and the first analysis of the critical fluctuations around the magnetic phase transition in a heavy fermion system. Furthermore, the unexpected observation of an electron spin resonance in YbT2Si2 could be ascribed to ferromagnetic correlations. Moreover, a new heavy fermion system CeFePO with strong ferromagnetic correlations was found and with the isoelec-tronic CeRuPO the rare case of a ferromagnetic Kondo-lattice discovered.