L'objectif de ce travail de thèse était la caractérisation puis l'étude des applications potentielles dans le domaine des extraits naturels végétaux ou d'origine fermentaire d'un nouvel Extracteur de Partage Centrifuge (EPC) prototype. Ce but originel a été sensiblement infléchit et a conduit, au fil de l'avancement des études menées, à des développements différents et/ou complémentaires à ceux initialement imaginés. ce travail portait au départ sur l'extraction et la purification des métabolites issus principalement des biotechnologies blanches (acides succinique, itaconique,…), mais très rapidement, nous avons été amené à recentrer nos recherches sur d'autres métabolites naturels issus d'extraits de plantes (Glycyrrhiza glabra, Sinapis alba, et Anogeissus leiocarpus) et une seule cible fermentaire (l'acide itaconique). / The aim of this thesis was the characterization and study of potential applications of a new Centrifugal Partition Extractor (CPE) prototype, in the field of natural plant extracts and withe biotechnology. This work initially focused on the extraction and purification of metabolites mainly from white biotechnology (succinic acid, itaconic acid, ...), but very quickly, we have been led to focus our research on other metabolites from natural extracts plant (Glycyrrhiza glabra, Sinapis alba, and Anogeissus leiocarpus) and one target fermentation (itaconic acid).

Master of Science / Department of Mechanical and Nuclear Engineering / Douglas S. McGregor / Purification of cadmium, zinc and tellurium was attempted to improve the quality of cadmium-zinc-telluride (CdZnTe) crystal growth. Specifically, vacuum distillation, zone refining and H[subscript]2 gas flow assisted zone refining were all investigated as methods to purify the constituent elements of CdZnTe. A unique multi-chamber ampoule was used to enable a purification sequence starting with double vacuum distillation followed by zone refining all without sample handling after the initial step. Modifications due to unique material properties of Cd and Zn were developed. Glow discharge mass spectroscopy (GDMS) analysis was used to measure impurity concentrations of 74 elements. Cd purification using vacuum distillation proved to be an effective method to reduce the impurity level of 5N starting material to a purity between the range of 6N5 and 7N5, as measured using GDMS and laser ablation mass spectroscopy. Combined Zn double vacuum distillation and zone refining in an enclosed Ar atmosphere using 5N starting material yielded material with a purity between the range of 5N8 to 6N8. Tellurium purification using combined double vacuum distillation followed by zone refining under continuous H[subscript]2 flow of 4N specified raw material resulted in high purity tellurium between the range of 6N3 and 7N4.

Les diodes électroluminescentes organiques (OLED) ont une durée de vie limitée. Cette limitation est notamment due à la présence d'impuretés dans le matériau électroluminescent. Ces impuretés proviennent principalement des électrodes. Nous pensons que l'ajout de couches de matériaux entre les électrodes et le matériau électroluminescent peut retarder l'arrivée des impuretés. Cette couche ajoutée doit avoir plusieurs caractéristiques dont principalement : être conductrice, ne pas absorber la lumière, être facilement mise en oeuvre et être d'une grande pureté. Nous pensons que des matériaux de type discotique possédant une mésophase aux températures d'utilisation de la OLED peuvent remplir ce cahier des charges. Nous avons choisi d'étudier les composés discotiques à base de triphénylène, car celui-ci n'absorbe pas dans le visible. Nous avons tout d'abord étudié les 2,3,6,7,10,11-Hexa-(alkylthio)triphénylènes (HATT). Les HATT possèdent déjà les propriétés physiques que nous recherchons à l'exception des propriétés thermotropes. Nous avons donc étudié la possibilité de modifier celles-ci. La synthèse de plusieurs HATT possédant six chaînes alkylsulfanyles identiques n'a pas donné les résultats attendus du point de vue des propriétés thermotropes. Nous avons alors synthétisé des molécules possédant plusieurs chaînes alkylsulfanyles différentes. Après différents essais, nous avons trouvé un mélange de molécules possédant plusieurs chaînes latérales différentes ayant les propriétés physiques recherchées. Mais ce matériau est composé d'un grand nombre de molécules et sa purification est difficile. Les techniques classiques de purification des composés organiques ne donnant pas une pureté suffisante, ou étant inapplicables sur une mésophase cristal liquide à température ambiante, nous avons donc recherché d'autres techniques de purification ou d'obtention des propriétés thermotropes désirées. Nous avons étudié la purification par raffinage de zone des matériaux à l'aide d'une impureté que nous avons ajoutée et suivie au cours des manipulations. Le raffinage de zone montre une bonne purification lors de l'utilisation d'une transition de phase entre une phase cristalline et une phase liquide. Par contre, lors de l'utilisation d'une transition impliquant une mésophase (cristal liquide ou cristal plastique), une faible (ou une absence de) purification est observée. Ces deux dernières études ont été faites sur des 2,3,6,7,10,11-Hexa(alkyloxy)triphénylènes (HAOT) que nous avons synthétisés et purifiés au préalable. Les gels de silice fonctionnalisés que nous avons utilisés montrent une purification des cations métalliques durs et, dans une moindre mesure, des cations métalliques intermédiaires dans le concept dur-mou. Le phosphore, seul élément non-métallique que nous ayons étudié, est l'élément dont la baisse de concentration est la moins efficace. La seconde approche pour obtenir des mélanges possédant une mésophase cristal liquide à température ambiante est la formation de mélanges de molécules synthétisées et purifiées isolément. Parmi les mélanges de molécules que nous avons effectués, nous avons pu observer une plage de concentration de mélanges ternaires qui possède les propriétés thermotropes recherchées. Nous avons donc obtenu un matériau cristal liquide à température ambiante grâce à un mélange de molécules. Le matériau ainsi formé absorbe peu dans le visible, possède potentiellement une bonne mobilité des porteurs de charges électriques, est facilement obtenu à une pureté suffisante. Ce mélange de molécules possède donc les propriétés que nous recherchons pour être utilisé comme couche de matériau ajoutée aux OLED.

Understanding and control of the flow structures in metallic fluids is important for the development of optimal crystal growth processes. One of the techniques used to control flow structures is the application of a rotating magnetic field (RMF) in the plane perpendicular to the growth direction, which induces two magnetic body force components; one in the radial direction and the other one in the circumferential direction. These two body force components alter the fluid flow in the growth system, leading to enhanced mixing, flatter growth interface, and more homogeneous crystal composition. The application of RFM was therefore considered in three separate projects: 1) the zone refining of cadmium and tellurium, 2) the synthesis of cadmium telluride (CdTe) by the travelling heater method (THM), and 3) the THM growth of gallium antimonide (GaSb). In the zone refining of tellurium, the objective was to enhance the transport of selenium in the melt since the selenium segregation coefficient is close to unity. A magnetic field with intensity of 0.6 mT and frequency of 100 Hz was selected based on the results of earlier numerical simulations. Due to the very low electrical conductivity of tellurium, the numerical simulations predicted a very small effect of RMF on selenium transport. The designed zone refining experiments for the tellurium system have verified this numerical simulation result. On the other hand, cadmium is an electric conductor, and thus the numerical simulations predicted a notable effect of RMF. However, experiments on the cadmium system could not be carried out because of the instability of molten zones caused by cadmium’s very high thermal conductivity. The commercial synthesis of CdTe is presently done by THM, which produces materials with much better stoichiometry than other techniques, but very slow process speeds make THM very costly. An application of RMF was considered in order to improve the speed of the process. A 1.3 mT, 0.5 Hz field was applied during the THM synthesis of CdTe. Under the experimental conditions employed, the examination of samples has shown that the application of RMF did not increase the maximum synthesis speed. The use of higher intensity RMF was not possible with the present system, but it is thought that higher fields might worsen the mixing of Cd and Te to produce non-stoichiometry. The objective of the third project was to carry out preliminary THM growth experiments for GaSb under RMF in order to prepare a basis for future THM growth experiments aimed at reducing the cost of THM by using higher growth rates and smaller seeds with tapered ampoules. The substantially redesigned THM furnace permits rotation of the growth ampoule, better control of the experimental environment, and a stronger temperature gradient at the growth interface. Two crystals have been grown at 25 mm diameter with and without the application of a magnetic field of 0.6-mT intensity and 100-Hz frequency. These preliminary experiments have shown that the system can be used for the planned THM experiments; however, further experiments are required to attribute any effect to RMF.

Les diodes électroluminescentes organiques (OLED) ont une durée de vie limitée. Cette limitation est notamment due à la présence d'impuretés dans le matériau électroluminescent. Ces impuretés proviennent principalement des électrodes. Nous pensons que l'ajout de couches de matériaux entre les électrodes et le matériau électroluminescent peut retarder l'arrivée des impuretés. Cette couche ajoutée doit avoir plusieurs caractéristiques dont principalement :être conductrice, ne pas absorber la lumière, être facilement mise en oeuvre et être d'une grande pureté. Nous pensons que des matériaux de type discotique possédant une mésophase aux températures d'utilisation de la OLED peuvent remplir ce cahier des charges.<p>Nous avons choisi d'étudier les composés discotiques à base de triphénylène, car celui-ci n'absorbe pas dans le visible. Nous avons tout d'abord étudié les 2,3,6,7,10,11-Hexa-(alkylthio)triphénylènes (HATT). Les HATT possèdent déjà les propriétés physiques que nous recherchons à l'exception des propriétés thermotropes. Nous avons donc étudié la possibilité de modifier celles-ci.<p>La synthèse de plusieurs HATT possédant six chaînes alkylsulfanyles identiques n'a pas donné les résultats attendus du point de vue des propriétés thermotropes. Nous avons alors synthétisé des molécules possédant plusieurs chaînes alkylsulfanyles différentes. Après différents essais, nous avons trouvé un mélange de molécules possédant plusieurs chaînes latérales différentes ayant les propriétés physiques recherchées. Mais ce matériau est composé d'un grand nombre de molécules et sa purification est difficile. Les techniques classiques de purification des composés organiques ne donnant pas une pureté suffisante, ou étant inapplicables sur une mésophase cristal liquide à température ambiante, nous avons donc recherché d'autres techniques de purification ou d'obtention des propriétés thermotropes désirées.<p> Nous avons étudié la purification par raffinage de zone des matériaux à l'aide d'une impureté que nous avons ajoutée et suivie au cours des manipulations. Le raffinage de zone montre une bonne purification lors de l'utilisation d'une transition de phase entre une phase cristalline et une phase liquide. Par contre, lors de l'utilisation d'une transition impliquant une mésophase (cristal liquide ou cristal plastique), une faible (ou une absence de) purification est observée. Ces deux dernières études ont été faites sur des 2,3,6,7,10,11-Hexa(alkyloxy)triphénylènes (HAOT) que nous avons synthétisés et purifiés au préalable. <p>Les gels de silice fonctionnalisés que nous avons utilisés montrent une purification des cations métalliques durs et, dans une moindre mesure, des cations métalliques intermédiaires dans le concept dur-mou. Le phosphore, seul élément non-métallique que nous ayons étudié, est l'élément dont la baisse de concentration est la moins efficace.<p>La seconde approche pour obtenir des mélanges possédant une mésophase cristal liquide à température ambiante est la formation de mélanges de molécules synthétisées et purifiées isolément. Parmi les mélanges de molécules que nous avons effectués, nous avons pu observer une plage de concentration de mélanges ternaires qui possède les propriétés thermotropes recherchées.<p>Nous avons donc obtenu un matériau cristal liquide à température ambiante grâce à un mélange de molécules. Le matériau ainsi formé absorbe peu dans le visible, possède potentiellement une bonne mobilité des porteurs de charges électriques, est facilement obtenu à une pureté suffisante. Ce mélange de molécules possède donc les propriétés que nous recherchons pour être utilisé comme couche de matériau ajoutée aux OLED.<p> / Doctorat en sciences, Spécialisation chimie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

The semiconducting compounds CdTe and CdZnTe have important applications in high-energy radiation detectors and as substrates for infrared devices. The materials offer large band gaps, high resistivity, and excellent charge transport properties; however all of these properties rely on very precise control of the material composition. Growing bulk crystals by the travelling heater method (THM) offers excellent compositional control and fewer defects compared to gradient freezing, but it is also much slower and more expensive. A particular challenge is the current need to grow new crystals onto existing seeds of similar size and quality. Simulations and experiments are used in this work to investigate the feasibility of growing these materials by THM without the use of large seed crystals. A new fixed-grid, multiphase finite element model was developed based on the level set method and used to calculate the mass transport regime and interface shapes inside the growth ampoule. The diffusivity of CdTe in liquid tellurium was measured through dissolution experiments, which also served to validate the model. Simulations of tapered THM growth find conditions similar to untapered growth with interface shapes that are sensitive to strong thermosolutal convection. Favourable growth conditions are achievable only if convection can be controlled. In preliminary experiments, tapered GaSb crystals were successfully grown by THM and large CdTe grains were produced by gradient freezing. Beginning with this seed material, 25 mm diameter CdTe and CdZnTe crystals were grown on 10 mm diameter seeds, and 65 mm diameter CdTe on 25 mm seeds. Unseeded THM growth was also investigated, as well as ampoule rotation and a range of thermal conditions and ampoule surface coatings. Outward growth beyond one or two centimeters was achieved only at small diameters and included secondary grains and twin defects; however, limited outward growth of larger seeds and agreement between experimental and numerical results suggest that tapered growth may be achievable in the future. This would require active temperature control at the base of the crystal and reduction of convection through thermal design or by rotation of the ampoule or applied magnetic fields. / Graduate / 0346 / 0794 / 0548 / jordan.roszmann@gmail.com