Les transitions intersousbandes dans les hétérostructures de nitrure d'éléments III ont été intensément étudiées dans le proche infrarouge pour des applications télécoms. L'accordabilité dans le proche infrarouge est rendu possible grâce à la discontinuité de potentiel en bande de conduction qui peut atteindre 1.75 eV pour le système GaN/AlN. Les matériaux nitrures suscitent actuellement un grand intérêt à plus grande longueur d'onde infrarouge. C'est par exemple le développement de détecteurs et d'imageurs rapides à cascade quantique dans la gamme 2-5 µm. C'est aussi l'extension des dispositifs intersousbandes dans le domaine de fréquences THz. Ce travail de thèse porte sur l'étude des transitions intersousbandes dans les puits quantiques GaN/Al(Ga)N épitaxiés par jets moléculaires. Le but est d'accorder ces transitions dans une gamme spectrale très large allant du proche au lointain infrarouge. Je montre que les transitions ISB peuvent être accordées dans la gamme 1-12 µm dans les puits quantiques GaN/AlGaN en phase hexagonale synthétisés selon l'axe polaire c [0001]. Ceci impose l'ingénierie du champ électrique interne, dont la valeur peut atteindre dans le GaN 10 MV/cm. Une solution alternative consiste à utiliser une orientation particulière, dite semipolaire, qui conduit à une réduction du champ électrique interne le long de l'axe de croissance [11-22]. J'ai montré que cette réduction du champ interne permet d'accorder les résonances intersousbandes des puits quantiques GaN/AlN dans le proche infrarouge et j'ai pu estimer le champ en comparant les résultats de spectroscopie et simulations. J'ai d'autre part étudié les propriétés interbandes et intersousbandes des puits quantiques de symétrie cubique, qui par raison de symétrie, ne présentent pas de champ électrique interne. Finalement j'ai mis en évidence les premières transitions intersousbandes aux fréquences THz dans les puits quantiques GaN/AlGaN polaires mais aussi cubiques.

Application of InAs/AlSb materials system for development of short-wavelength quantum cascade lasers is explored. Molecular beam epitaxy (MBE) technology allowing to grow multiperiodical unstrained InAs/AlSb heterostructures with roughness of 1-2 monolayers is developed. It is demonstrated that InAs/AlSb materials system is well-suitable for development of short-wavelength quantum cascade lasers operating below 4 µm wavelength. Lasers containing plasmon-enhanced waveguides as well as the short period InAs/AlSb superlattices as waveguides were designed, MBE-grown and studied. The effect of waveguide properties on the device parameters is revealed. Usage of these waveguides and innovations in laser active region introducing “funnel” injector allowed one to reach operation temperature 420 K at the emission wavelength of 3.3 µm. The obtained optical peak power exceeded 1 W per facet. The room temperature operation has been obtained at wavelength below 3 µm. As for wavelength range, applying the new active region design strategy and the short period InAs/AlSb superlattice spacers InAs based quantum cascade lasers emitting at the wavelengths as short as 2.63 µm were developed, which is today the shortest emission wavelength of the operation of semiconductor lasers based on the intersubband transitions. / Disertaciniame darbe nagrinėjamas InAs/AlSb medžiagų sistemos panaudojimas trumpabangių tarppajuostinių lazerių kūrimui. Buvo išplėtota molekulinių pluoštelių epitaksijos technologija, leidžianti auginti daugiaperiodines neįtemptas InAs/AlSb heterosandūras su mažu 1-2 atominių sluoksnių šiurkštumu. Buvo parodyta, jog InAs/AlSb medžiagų sistema yra tinkama kurti trumpabangiams kvantiniams kaskadiniams lazeriams, veikiantiems žemiau 4 µm bangos ilgio ribos. Buvo ištirtas kvantinių kaskadinių lazerių, turinčių tiek plazmoninius bangolaidžius su stipriai legiruotais InAs apdariniais sluoksniais, tiek ir mažo periodo InAs/AlSb supergardelių bangolaidžius, veikimas bei jų įtaka prietaiso parametrams. Šie sprendimai dėl bangolaidžių bei tolimesni aktyviosios terpės patobulinimai, naudojant piltuvėlio formos injektorių, leido sukurti didelio našumo prietaisus, galinčius veikti iki 420 K temperatūros, esant 3,3 µm bangos ilgio emisijai, ir pasiekti maksimalią optinę galią siekiančią 1 W kambario temperatūroje. Šios inovacijos leido sukurti ir InAs/AlSb kvantinį kaskadinį lazerį, emituojantį ~2,6 µm bangos ilgio spinduliuotę  šiai dienai tai yra trumpiausią bangos ilgį spinduliuojantis tokio tipo prietaisas pasaulyje.

Disertaciniame darbe nagrinėjamas InAs/AlSb medžiagų sistemos panaudojimas trumpabangių tarppajuostinių lazerių kūrimui. Buvo išplėtota molekulinių pluoštelių epitaksijos technologija, leidžianti auginti daugiaperiodines neįtemptas InAs/AlSb heterosandūras su mažu 1-2 atominių sluoksnių šiurkštumu. Buvo parodyta, jog InAs/AlSb medžiagų sistema yra tinkama kurti trumpabangiams kvantiniams kaskadiniams lazeriams, veikiantiems žemiau 4 µm bangos ilgio ribos. Buvo ištirtas kvantinių kaskadinių lazerių, turinčių tiek plazmoninius bangolaidžius su stipriai legiruotais InAs apdariniais sluoksniais, tiek ir mažo periodo InAs/AlSb supergardelių bangolaidžius, veikimas bei jų įtaka prietaiso parametrams. Šie sprendimai dėl bangolaidžių bei tolimesni aktyviosios terpės patobulinimai, naudojant piltuvėlio formos injektorių, leido sukurti didelio našumo prietaisus, galinčius veikti iki 420 K temperatūros, esant 3,3 µm bangos ilgio emisijai, ir pasiekti maksimalią optinę galią siekiančią 1 W kambario temperatūroje. Šios inovacijos leido sukurti ir InAs/AlSb kvantinį kaskadinį lazerį, emituojantį ~2,6 µm bangos ilgio spinduliuotę  šiai dienai tai yra trumpiausią bangos ilgį spinduliuojantis tokio tipo prietaisas pasaulyje. / Application of InAs/AlSb materials system for development of short-wavelength quantum cascade lasers is explored. Molecular beam epitaxy (MBE) technology allowing to grow multiperiodical unstrained InAs/AlSb heterostructures with roughness of 1-2 monolayers is developed. It is demonstrated that InAs/AlSb materials system is well-suitable for development of short-wavelength quantum cascade lasers operating below 4 µm wavelength. Lasers containing plasmon-enhanced waveguides as well as the short period InAs/AlSb superlattices as waveguides were designed, MBE-grown and studied. The effect of waveguide properties on the device parameters is revealed. Usage of these waveguides and innovations in laser active region introducing “funnel” injector allowed one to reach operation temperature 420 K at the emission wavelength of 3.3 µm. The obtained optical peak power exceeded 1 W per facet. The room temperature operation has been obtained at wavelength below 3 µm. As for wavelength range, applying the new active region design strategy and the short period InAs/AlSb superlattice spacers InAs based quantum cascade lasers emitting at the wavelengths as short as 2.63 µm were developed, which is today the shortest emission wavelength of the operation of semiconductor lasers based on the intersubband transitions.

Our study is focused on the behavior of grain boundaries in uranium dioxide system under irradiation conditions. The research can be seen as two parts: the study of interaction of the grain boundary and the damage cascade, and the calculation of Kapitza resistance of grain boundaries. The connection between these two parts lies in that damage cascades bring in changes in the structure and other properties of grain boundaries, and inevitably the Kapitza resistance of the grain boundary changes as well. For the first part, we studied interactions of grain boundaries and damage cascades in uranium dioxide system by simulating two types of bombardments: one direct bombardment into a grain boundary leading to ballistic-collision-mediated interface mixing; the other bombardment is in the close vicinity of a grain boundary causing interface biased defect migration. We found that more defects are trapped by the grain boundary followed by the first type of bombardment, resulting in enhanced grain boundary energy. By comparing with the second type of bombardment, we are able to reveal the mechanisms of the interaction between defects and grain boundaries. For the second part, we employed the non-equilibrium molecular dynamics method to calculate the Kapitza resistance of different coincident site lattice boundaries with or without defects loaded, and later we found that a universal positive correlation between the Kapitza resistance and the grain boundary energy can be well established, regardless of the cause of boundary energy changes. Our study provides a deeper understanding of the Kapitza resistance of the grain boundary and its evolutions under irradiation, which benefits multi-scale modeling of uranium dioxide thermal properties under extreme radiation conditions as well as experimental studies of fuel material thermal properties.

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The flow field around a low pressure turbine blade is examined using smoke-wire flow visualization, static surface pressure measurements, and particle image velocimetry (PIV). The purpose of the experimental study is to investigate the transition and separation characteristics on low pressure turbine blades under low Reynolds number (Re) and varying freestream turbulence intensity (FSTI). A cascade model consisting of 6 Pratt andamp; Whitney PAK-B low pressure turbine blades was examined in a wind tunnel using PIV and flow visualization. Smoke-wire visualization was performed for test section exit angles of 93°, 95°, and 97°, in the range Re = 3 · 104 to 9 · 104 and three levels of FSTI varied with a passive grid. The locations of separation and transition were determined to be approximately 45% and 77% of the suction surface length, respectively, based upon the smoke stream lines observed in the images, and appear to be independent of Re, turning angle, and FSTI. The maximum size of the separation bubble was found to decrease with increasing Re, turning angle, and FSTI. PIV images from three camera views were processed for an exit angle of 95° and a Re range of 3:0 · 104 to 30:0 · 104 and three levels of FSTI. Velocity, vorticity, and reversed flow probability field plots were generated along with velocity, vorticity, and RMS velocity profiles. The point of separation point was determined to be from 63% SSL to 67% SSL. The area of reversed flow was computed for each image pair from camera views 1 and 3, as an approxiamtion of the relative size of the separation region. For low Re and FSTI cases the area was much larger than for higher FSTI cases at any Re. The raw PIV images include some of the rst clear pictures of the turbulent flow structures forming in the unsteady shear layer over the suction surface of low pressure turbine blades. Several movies are compiled that show how the geometry and location of the shear layer evolve in time for a given set of flow conditions.

The National Strategy for Science was progressively introduced from 2002 with the intention of providing a clear structure for improved delivery of the subject in secondary schools. Through a series of scripted training events, supported by printed resources, the intention was to provide science teachers with a clear framework for sequential teaching of key themes through the use of pedagogy intended to involve the students in their own learning. After several years, the nature of the National Strategy shifted to concentrate on the support of subject leaders, and the Strategy is planned to end in 2011. The current school cohorts have all experienced the teaching of science since the introduction of the Strategy, and should therefore have benefitted from the improved delivery, intended to create improved outcomes and more positive attitudes towards science. By means of a case study investigation in 2008 in a single school, the impact of the National Strategy was explored. By means of a range of qualitative methods, including questionnaires, interviews and lesson observations, it was possible to investigate the extent to which National Strategy ideas had become embedded in the daily routines of the science teachers, and the extent to which students viewed science positively. The study focused on Y7 (soon after entry to the school), Y9 (prior to the SATs examinations) and Y11 (during the run-up to GCSE). An initial study four years previously was used to provide an indication of changes during the life of the Strategy, and to indicate trends. In addition, sampling in other schools was used to determine whether the questionnaire results were atypical. The results showed that the Strategy had largely failed to become embedded in normal classroom practice, with little evidence of teachers making good use of the pedagogy or the structured delivery that was central to the Strategy message. The reasons for this failure were: • The expectation that centrally-delivered training would be effectively cascaded by one individual to other teachers in the school, • The failure to concentrate on a few simple messages or themes, repeatedly delivered and reinforced in subsequent training, • The introduction of a plethora of other initiatives, each demanding teacher time, and diluting efforts to focus attention on the National Strategy themes. As a result, the science teachers in 2008 showed less understanding of the Strategy than teachers in 2004, and their use of techniques such as the three-part lesson and enquiry-based learning were less evident. The Strategy was to be a mechanism to improve examination results and to improve student attitudes to science. The examination results are shown to be largely stagnant over this period 2003-2008, and the attitudes of students towards science are shown to become less positive during their time in secondary school. The key finding, therefore, is that the Strategy failed in its aims because it failed to listen to its own message. It failed to recognise that teachers, just as much as students, need simple messages, repeatedly delivered in innovative ways, in order to learn and fully internalise these ideas.

Les lasers à cascade quantique sont des sources lasers à semiconducteur compactes et capables de délivrer une forte puissance optique sur une large gamme de longueur d'onde dans l'infrarouge. Les QCLs de la filière InP sont les plus établis. Le système de matériaux InAs/AlSb est une solution alternative encore peu développée mais qui, en vertu de ses propriétés, présente des atouts incontestables pour la réalisation de lasers à cascade quantique. Le travail de cette thèse a apporté une meilleure connaissance du système InAs/AlSb et de ses possibilités pour les QCLs, à la fois sur un plan théorique, expérimental et technologique.Nous avons œuvré à l'amélioration des performances des lasers à cascade quantique sur ce système de matériaux, notamment en cherchant à augmenter la température maximum de fonctionnement dans les courtes longueurs d'onde et le lointain infrarouge. Un modèle de transport électronique a été développé. Ce modèle permet de reproduire de manière relativement précise les résultats expérimentaux. Il est un outil utile pour l'amélioration des designs de zone active et, en conséquence, des performances des lasers.La finalité de ces lasers est leur utilisation pour des applications telles que la spectroscopie moléculaire par absorption. Nous avons donc travaillé à les rendre plus adaptés aux besoins de celles-ci, à savoir que leur émission soit monomode, ce que nous avons rendu possible grâce au développement d'une technologie DFB à haut rendement et très reproductible, et qu'ils puissent fonctionner en régime continu, ce qui a été accompli, autour de 9 µm de longueur d'onde d'émission, jusqu'à une température de 255 K en s'appuyant sur un modèle prédictif basé sur une approche analytique.Afin d'atteindre le fonctionnement en régime continu en dessous de 4 µm de longueur d'onde, nous nous sommes penchés sur l'utilisation d'un substrat alternatif en GaSb, qui nous permet de réaliser des claddings conciliant un faible indice de réfaction et de faibles pertes optiques. Nous avons à cette occasion fait la démonstration du premier QCL fonctionnant sur ce substrat, et ce jusqu'à température ambiante à 3,3 µm de longueur d'onde.

Ces travaux de thèse nous ont permis de mettre au point différentes voies de synthèse de systèmes polycycliques complexes tels que des fenestradiènes et des cyclooctatriènes, par réactions en cascades palladocatalysées. Celles-ci débutent par une réaction de cyclocarbopalladation 4-exo-dig et est suivie par un couplage de Sonogashira. Dans des conditions adéquates, une réaction d'addition d'alcyne sur une triple liaison a ensuite lieu et [permet] d'accéder à un intermédiaire de type tétraène, dont les quatre doubles liaisons conjuguées permettent au système de subir spontanément une électrocyclisation à huit électrons. Sous contrôle des conditions d'irradiation, une réaction supplémentaire d'élecrocyclisation à six électrons re s'effectue alors. Plusieurs exemples de [4.6.4.6] fenestradiènes, ainsi que des cyclooctatriènes 6-4-8 et 7-4-8 comportant des différents substituants ont ainsi été synthétisés, en partant du même substrat de départ de structure relativement simple et en utilisant des réactifs et catalyseurs courants. Notre étude souligne notamment la remarquable régiosélectivité de la réaction d'addition d'alcyne qui se déroule lors de cette cascade réactionnelle catalysée au palladium.