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Etude de nanocomposites hybrides en vue d'application dans les microsystèmes : de la synthèse des nanoparticules à l'élaboration de films minces piézoélectriques / Study of hybrid nanocomposites for application in microsystems: from nanoparticles synthesis to piezoelectric thin films elaborationEschbach, Julien 24 June 2009 (has links)
L'objectif de ce travail est l'élaboration de nouveaux matériaux nanocomposites hybrides à propriétés spécifiques (piézoélectricité, optique non-linéaire). Dans un premier temps, des modèles numériques simples portant sur les propriétés mécaniques des nanocomposites sont présentées, ainsi que des simulations de déformation réalisées sur les nanocomposites à nanoparticules piézoélectriques. Les résultats expérimentaux de caractérisation mécanique (par spectrométrie Brillouin) et tribologique de différents nanocomposites sont exposés, y compris de nanocomposites réalisés au sein du laboratoire. L'influence des nanoparticules et de leur fonctionnalisation sur la matrice polymère y est discutée, et en particulier leur incidence sur les volumes libres dans les nanocomposites. Plusieurs procédés de synthèse de nanoparticules aux propriétés piézoélectriques ont parallèlement été étudiées. En particulier, un protocole de synthèse de nanoparticules de LiNbO3 a été mis au point. Ces nanoparticules ont été caractérisées par des techniques structurales, chimiques et d'imagerie. Enfin, ces travaux ont conduit à l'élaboration de films nanocomposites à matrice PVDF-TrFE incorporant des nanoparticules produites en laboratoire ou d'origine commerciale. Les méthodes de polarisation des films sont décrites, et les propriétés piézoélectriques de ces films nanocomposites ont été mesurées. Plus particulièrement, des films nanocomposites PVDF-TrFE/Al2O3 polarisés présentant une bonne réponse piézoélectrique ont été élaborés. / This work aims at the elaboration of new hybrid nanocomposites with specific properties (piezoelectricity, non-linear optic). First, simple numeric modelings on mechanical properties of nanocomposites are presented, as well as simulation of deformation in nanocomposites with piezoelectric nanoparticles. Experimental results on tribological and mechanical (performed by Brillouin Spectroscopy) characterization of different nanocomposites are exposed. The influence of nanoparticles and their fonctionalization on the polymer matrix is discussed, and in particular the incidence on free volume in nanocomposites. Several piezoelectric nanoparticles synthesis processes have been also studied. In particular, a LiNbO3 nanoparticles synthesis protocol has been worked out. These nanoparticles were characterized by structural, chemical and imaging techniques. Finally, these works leads to the elaboration of PVDF-TrFE matrix thin films nanocomposites filled with commercial or produced in laboratory nanoparticles. The methods used to polarize the films are described. The piezoelectric properties of the nanocomposites have been measured. More particularly, PVDF-TrFE/Al2O3 nanocomposites thin films with a good piezoelectric response have been elaborated.
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Determination of elastic constants of transition metal oxide based thin films using surface brillouin scatteringAyele, Fekadu Hailu 19 September 2016 (has links)
A dissertation submitted to the Faculty of Science, Wits University,
in fulfilment of the requirements for the degree of Master of Science. 30 March 2016. / Bismuth ferrite BiFeO3 is a transition metal oxide that exhibits both antiferromagnetic
and ferroelectric orderings and is termed a magnetoelectric
multiferroic. These functional properties make it crucial for applications
in various nanoelectronic devices and sensors. However, the integration of
BiFeO3 in devices requires the scaling down of bulk BiFeO3 to nano dimensional
length scales in thin lm format. For this purpose, the elements
of the elastic constant tensor of BiF eO3 thin lms are requisite, especially
in multilayered or single layer-on-substrate device con gurations. It is thus
essential that mechanical properties of BiFeO3 thin lms be established due
to their size and growth mode dependence.
Therefore, the study aims to determine the propagation of the surface acoustic
waves and the elastic constants of BiFeO3 BFO thin lms in order to
tailor the mechanical properties for device applications. In this approach the
e ect of morphology and microstructure on the elastic constants has been
investigated. / MT2016
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The multiscale biomechanics and mechanochemistry of the extracellular matrix protein fibres, collagen & elastinEdginton, Ryan Stuart January 2018 (has links)
Collagen is the most abundant protein in the animal kingdom and, together with elastin, forms extensive fibrous networks that constitute the primary structure of the mammalian extracellular matrix, respectively endowing it with the tensile and elastic properties that fulfil its principal role as the passive framework of the body. The fibrous proteins are distinctly hierarchically organised from the molecular scale upwards; for example, the nanoscale tropocollagen monomer assembles in arrays that form the micrometer scale microfibrils and fibrils, and thence into collections of millimetre scale collagen fibres, that in-turn, constitute functional tissues such as skin, tendon and bone. Much is known about the structure at each of these individual scales – collagen being the most extensively researched – and the macromechanics of the fibres are well established. However, far less is known about the micromechanics of these proteins, in particular how the monomers influence the functional mechanics of the macroscopic fibres. In this thesis, I explore the multiscale mechanics of collagen and elastin fibres over a range of hydrations – with fibres in direct contact with aqueous solution, and progressively dehydrated in humidity-controlled environments. I use quasi-static tensile testing to probe the macroscopic mechanical response (Young’s modulus and stress relaxation) of the fibres, and employ Brillouin and Raman microscopy to assess the longitudinal modulus in the GHz range and corresponding molecular properties of the proteins. Brillouin microscopy is an emerging technique in the biomedical field. It enables the all-optical, contact-free and non-destructive testing of tissue micromechanics through detection of frequency shifted light scattered off thermally excited acoustic waves or “phonons” in the GHz range. As one of the first studies of Brillouin light scattering in these fibres, it sets the basis for further investigation of tissue biomechanics. In particular, I provide the full description of the protein fibre micromechanics by performing angular measurements using a so-called platelet-like configuration with sample mounted onto a reflective substrate at 45° angle to the excitation beam. I derive the high-frequency longitudinal modulus, and discuss the results in comparison to the Young’s modulus, in terms of the different frequency and spatial scale of the measurements. I obtained a full description of elasticity using Brillouin spectroscopy applied to dried fibres; however, obtaining the same description in hydrated fibres is a challenge, as the Brillouin spectrum is dominated by water. An assessment of the mechanical differences between type-I and type-II collagens is also given here. Water is known to be a primary determinant of tissue biomechanics, and I identified for the first time, the critical hydration ranges between 100 and 85% relative humidity (RH) for collagen, and around 85% RH for elastin, at which point each macroscopic fibre switched from viscoelastic to plastic-like behaviour. Dehydration below these critical points was shown to severely diminish collagen fibrillar sliding, and completely rob elastin of its ability to reversibly deform under strain. The Young’s modulus increased markedly below these hydrations, and I observed a parallel increase in the longitudinal modulus at high frequencies in each protein, indicating a concomitant increase in stiffness at the two scales. The major difference observed between the two fibrous proteins is that, in the case of elastin, I observe a two-fold increase in the longitudinal modulus as the hydration is decreased from 100 to 21% RH, whilst the Young’s modulus increases by two orders of magnitude. This discrepancy was not observed in collagen, which confirmed that the protein maintained its long-range order in the form of the triple helix at all hydrations employed in this work, whilst the elastin ultrastructure experiences a liquid-to-solid state change at a critical hydration. I demonstrate through the analysis of the low-wavenumber region (< 500 cm-1) of the Raman spectrum, that the increase in molecular stiffness of both proteins, is reflected in an increase in torsional rigidity of the peptide backbone upon dehydration. Moreover in collagen, I observe a reduction in the number of inter-protein water bridges, which I propose causes a collapse of the lateral spacing between monomers and an increase in direct backbone-backbone hydrogen bonding, that further stiffens the fibre. Small strain induced reorientations of the amide III and C–C stretching modes in dehydrated collagen fibres suggest that macroscopic stresses may be transferred to the triple helix, otherwise left unperturbed in the hydrated state. I postulate that this is a result of the degraded intra- and interfibrillar sliding mechanism below the critical hydration. Hence in its dehydrated state, the collagen whole-fibre mechanics are similar to those at the molecular scale. The role of proteoglycans and glycosaminoglycans and their potential connection to hydration, is also discussed. In agreement with previous work, I found no Raman spectral changes as a result of stretching hydrated elastin fibres, indicating that even large strains e.g. 80%, have no significant effect on the structural scale probed by Raman microscopy, nor in the air-dried state where the brittle fibres break at low strains. I suggest this may imply a limited sensitivity of Raman bands to these changes, possibly an indication of elastin’s dynamic ultrastructure, or that stress is dissipated at a higher level of the fibre structure. On the macroscopic scale, it is the poroelastic nature of elastin which controls the stress relaxation under strain, and the elastic recovery is mediated by an interplay of hydrophobic interactions and hydration forces.
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A photonic generation and transmission system for millimetre-wave futuristic communicationsAl-Dabbagh, Rasha Khalid Mohammed January 2018 (has links)
In this thesis, a fully millimetre-wave (mm-wave) generation and transmission system is proposed for futuristic communications. Significant challenges have been dealt with regarding the proposed system, including designing the mm-wave generation and transmission technique, and its application in cellular networks. These challenges are presented through five main contributions and validated via Optiwave Design Software and MATLAB simulation tools. Firstly, three novel photonic generation methods are proposed and designed based on the characteristics of Brillouin fibre laser and the Stimulated Brillouin Scattering (SBS) effects with phase modulation. The mm-wave carriers are successfully generated with a tuning capability from 5 to 90 GHz. Also, these carriers are with good Signal to Noise Ratio (SNR) up to 51 dB, and low noise signal power of about -40 dBm. The impact of these methods is obtaining stable mm-waves appropriate for Radio over Fibre (RoF) transmission systems in 5G optical networks. Secondly, a full-duplex RoF system with the generation of a 64 GHz mm-wave is proposed. Successful transmission of the mm-wave over a fibre link is achieved for up to 100 km of fibre with a data rate of 5 Gbits/s. The main impact of this system is cost reduction and performance improvement by simplifying mm-wave generation and transmission over fibre. Also, it ensures a useful communication link for small cell networks. Thirdly, a hybrid Fibre/Free-space optical (FSO) system for the generation and transmission of 64 GHz mm-wave is proposed. This optical system provides a low latency communication link and overcomes mm-wave high path losses. A successful mm-wave transmission is achieved over a 10 km fibre length, and 2 km FSO link length with a good Bit Error Rate (BER) of about 1.5×10-13 and a data rate of 10 Gbits/s. This system increases the network coverage area by transmitting the mm-wave over the FSO link to the areas with natural obstacles the laying of fibre cables impossible. Also, it can be used as an effective solution under emergency disaster conditions. Fourthly, a comprehensive study of the wireless propagation performance for different mm-wave bands (28, 60, and 73 GHz) as cellular networks is investigated and compared with the 2.4 GHz Ultra-High Frequency band (UHF). A map-based scenario is proposed for the deployment of Base Stations (BSs) within the Brunel University London Campus map to consider real blockage effects. This investigation involved specifying which mm-wave spectrum can enhance the futuristic cellular networks, by evaluating the coverage and rate trends. Comparative results show that the 73 GHz bands can achieve the higher rate with good coverage and the lowest interference effects than the other mm-wave bands. Finally, a simplified path loss model is proposed to estimate precisely the 28 GHz mm-wave performance, which is considered a key component in 5G networks in outdoor applications. The proposed path loss model captures the diffraction and specular reflection impacts on mm-wave wireless propagation.
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Modes de vibration de nano-objets : des nanoparticules métalliques aux virus biologiquesStephanidis, Bruno 22 January 2008 (has links) (PDF)
Comparée à leur structure généralement très bien caractérisée, la dynamique collective des nano-objets est assez mal connue. En une vingtaine d'années, la diffusion inélastique de lumière est devenue un outil puissant dans l'étude de la dynamique des nano-objets.<br><br>Ce travail traite de la transposition de cette technique habituellement appliquée à l'étude des modes propres de vibration de nanoparticules solides à la recherche de modes similaires chez leur équivalent biologique, les virus.<br><br>Nous revenons dans un premier temps sur les expériences Brillouin (ou Raman basse fréquence) sur des verres dopés à l'or et discutons de l'utilité du tandem Fabry-Pérot en particulier par l'apport de la haute résolution dans la détection des levées de dégénérescence associées à l'anisotropie des paramètres élastiques des nanoparticules d'or facettées. <br><br>La deuxième partie de ce travail est consacrée à la recherche de modes de vibration d'ensemble sur des virus à morphologie sphérique à travers l'étude de différents types d'échantillons : solutions, couches bidimensionnelles et cristaux tridimensionnels de virus. Cette partie rend compte d'une première détermination des constantes élastiques globales d'un cristal de phytovirus. Alors que pour les virus de petite taille (15-30nm) aucune preuve indiscutable de l'existence d'un mode de vibration de virus n'a pu être trouvée, pour un virus de plus grande taille (environ 200nm), un signal s'apparentant à un mode de vibration de virus a été observé.
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Interférences Raman et NanostructuresCazayous, Maximilien 27 October 2002 (has links) (PDF)
Les structurations de la matière à l'échelle nanométrique ont ouvert de larges champs d'étude. L'analyse des propriétés structurales des nanostructures, de leur degré d'organisation ainsi que leur influence sur les propriétés électroniques représentent actuellement un défi de première importance. Pour accéder à ces informations, il est souvent nécessaire de faire appel à un ensemble de techniques expérimentales et numériques souvent complexes dans leur mise en oeuvre. Dans cette contribution, nous étudions l'organisation et le confinement électronique dans des multiplans de boîtes quantiques, en nous appuyant à la fois sur une étude expérimentale et un travail de modélisation. Les interférences Raman, observées dans la gamme des phonons acoustiques, résultent de l'interaction entre ces derniers et les états électroniques localisés dans les nanostructures. Parce qu'ils explorent une gamme allant de quelques nanomètres à plusieurs centaines de nanomètres, les phonons acoustiques représentent une sonde particulièrement efficace pour l'étude des nanosystèmes. Les interférences Raman utilisent leur sensibilité pour la mesure des propriétés structurales et électroniques. Elles permettent de mesurer les effets de corrélation verticale et latérale dans les multiplans de boîtes quantiques. Nous avons développé un modèle général dont le domaine d'application s'étend des systèmes contenant quelques plans au super-réseaux. En utilisant l'analyse de Fourier des interférences, on détermine la fonction d'auto-corrélation de la densité de probabilité électronique selon l'axe de croissance. Sensible à la taille et à la forme de la densité électronique, les interférences Raman ouvrent la voie à une imagerie optique de la densité électronique.
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ETUDE DE L'EFFET BRILLOUIN EN CAVITE LASERMallek, Djouher 12 July 2011 (has links) (PDF)
Cette étude va servir à comprendre la source des instabilités observées expérimentalement dans les lasers à fibre de puissance. La première partie de ce travail est consacrée a la mise en oeuvre d'un modèle cinétique qui décrit l'évolution spatio-temporelle de l'intensité d'un laser de puissance à fibre dopée ytterbium en présence de la DBS. La cavité de ce laser est de type Fabry Pérot. Elle est constituée de deux miroirs ce qui conduit à l'existence de deux ondes laser (aller-retour) qui se propagent en sens contraire, ainsi que de deux ondes Stokes associées aux ondes laser. La présence de toutes ces ondes sous la courbe de gain nécessite la prise en compte de la saturation croisée entre les ondes laser et les ondes Stokes. Le résultat original le plus important de cette étude est qu'en présence de la diffusion Brillouin stimulée, le laser à fibre de puissance dopée ytterbium présente un fonctionnement auto-impulsionnel dans le cas d'une cavité à forte pertes sans aucun absorbant saturable. Pour le cas d'une bonne cavité où cavité à faibles pertes la dynamique présente un fonctionnement continu quel que soit le taux de pompage, ce qui est conforme aux observations expérimentales. Dans Ia deuxième partie nous avons étudié numériquement l'influence de la diffusion BriIlouin dans une cavité laser à faibles pertes, en utilisant le modèle des amplitudes couplées et en tenant compte de la dynamique de l'onde acoustique. Des fonctionnements dynamiques riches et complexes sont observés.
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Les modes de résonance acoustique dans les fibres optiques microstructurées - Applications aux capteurs répartisDossou, Michel 07 April 2011 (has links) (PDF)
Ce travail de thèse rassemble nos résultats d'étude sur l'utilisation des modes de résonance acoustique pour réaliser des capteurs répartis à base des fibres à cristaux photoniques (Photonic Crystal Fibres : PCF). Tout d'abord, nous avons démontré qu'à l'heure actuelle, il est difficile voire impossible de mesurer en rétrodiffusion les modes acoustiques transverses dans une fibre optique. Ces modes dont la fréquence est inférieure à 2 GHz, ont été mesurés dans une boucle non linéaire sur une PCF, une fibre conventionnelle et une fibre à dispersion décalée. Les différents spectres montrent une dépendance à la structure transverse des fibres. Ensuite, nous avons mis au point un réflectomètre Brillouin (Brillouin Optical Time Domain Reflectometer : BOTDR) permettant de suivre en temps réel le spectre Brillouin le long d'une fibre avec une résolution spatiale de l'ordre d'une dizaine de mètres. Il est particulièrement capable de discriminer différents modes présents dans le spectre Brillouin. La comparaison des spectrogrammes obtenus sur différentes structures transverses de fibres, confirme que l'existence de multipics Brillouin dans les PCF est liée au très petit coeur (dont le diamètre est de l'ordre de la longueur d'onde de mesure) de la fibre. Enfin, toujours dans l'optique de mieux observer le spectre Brillouin réparti, nous avons développé un outil d'analyse Brillouin vectorielle permettant de cartographier avec précision les modes Brillouin hybrides grâce à la complémentarité du spectrogramme de phase. Les mesures réalisées sur une PCF dont le diamètre varie linéairement de 3,5 μm à 2,6 μm montrent un second mode Brillouin dont la fréquence varie à raison de -118,2 MHz/ μm.
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Optimisation de la modulation de phase utilisée pour les lasers de puissance : Minimisation de la conversion FM-AM tout en conservant les fonctionnalités d'élargissement spectral nécessaire à la fusionHocquet, Steve 09 November 2009 (has links) (PDF)
Dans ce manuscrit, nous abordons la problématique des modulations de phase sur les lasers de puissance (comme le Laser MégaJoule, projet développé en France) et de leur impact sur différents phénomènes physiques comme la suppression de la diffusion Brillouin stimulée (nécessaire pour éviter l'endommagement des optiques) et le lissage optique qui permet une homogénéisation spatiale des taches focales. Nous abordons de manière approfondie les contreparties des modulations de phase et en particulier la conversion FM-AM qui est source de modulations d'intensité non désirées et de perte d'énergie. Nous donnons une modélisation qui se veut complète des phénomènes générant de la conversion FM-AM sur une chaîne de laser de puissance. Nous étudions théoriquement et expérimentalement les deux méthodes permettant de réduire la conversion FM-AM à distorsion spectrale donnée : la compensation des fonctions de transfert et la modification du signal de modulation de phase pour le rendre moins sensible aux effets de distorsions spectrales. Concernant la seconde voie d'exploration, nous déterminons quelle devrait être la forme du spectre idéal de la modulation de phase et nous donnons une méthode pour s'en approcher. Nous montrons la faisabilité pratique d'une telle méthode et nous effectuons différentes expériences pour montrer dans quelles mesures ces solutions peuvent améliorer les performances les lasers de puissance. Nous concluons ce manuscrit de thèse, en proposant des solutions optimisées pour le Laser MégaJoule.
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Modélisation réaliste de l'instabilité de diffusion brillouin stimulée.Masson-Laborde, Paul-Edouard 28 March 2006 (has links) (PDF)
Afin de décrire l'instabilité de Diffusion Brillouin Stimulée dans un plasma "réaliste", c'est à dire inhomogène et de grande taille, on utilise une méthode basée sur une décomposition des différentes quantités caractérisant le plasma en leur composantes de grandes et de courtes longueurs d'ondes. Cette méthode permet de décrire simultanément et de manière efficace: l'évolution hydrodynamique du plasma, la propagation du faisceau laser, la diffusion Brillouin et la génération des harmoniques de l'onde excitée. Une comparaison en 1D et 2D avec une méthode ne faisant pas cette séparation d'échelles montre que cette décomposition en harmoniques est très efficace numériquement et très fiable. Une confrontation avec des résultats expérimentaux obtenus au Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses montrent un bon accord sur les taux de réflectivité moyens ainsi que sur la localisation des ondes sonores. Une extension de ce modèle fluide pour introduire les effets cinétiques ioniques et leurs conséquences sur la désintégration vers les composantes de grandes longueurs d'ondes est aussi étudiée par des comparaisons avec des simulations PIC-Hybrid (ions particules/électrons fluides).
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