L'introduction de diélectriques de forte permittivité dit « High-Κ » peut faire apparaître des comportements jusqu'ici négligeables. C'est le cas du phénomène de relaxation diélectrique. Ce mémoire traite de l'étude de ce phénomène dans les capacités Métal-Isolant-Métal intégrés en microélectronique. Au travers de plusieurs diélectriques amorphes et d'un diélectrique ferroélectrique, deux comportements sont identifiés, le comportement de « flat loss » et celui de polarisation d'électrode. Comme la relaxation diélectrique peut dégrader les performances de certains circuits, une modélisation a été proposée grâce à la réalisation d'un circuit de mesure de l'effet mémoire. Puis l'étude détaillée du comportement du diélectrique Ta2O5, aussi bien en terme de stabilité de courant qu'en terme de variation de permittivité dans les basses fréquences, permettra de mettre en évidence la migration de lacunes d'oxygène dans le diélectrique. Finalement, deux solutions sont proposées afin de réduire le phénomène de relaxation diélectrique tout en obtenant de bonnes performances électriques. La première consiste à déposer des stacks diélectrique basés sur les performances du Ta2O5. La seconde propose l'intégration d'un nouveau diélectrique, l'oxyde de Zirconium.

Final accepted manuscripts of parts 4 and 5 from Roadmap on Structured Light, authored by Masud Mansuripur, College of Optical Sciences, The University of Arizona.

The advent of hyperpolarized magnetic resonance (MR) has provided new potential for real-time visualization of in vivo metabolic processes. The aim of the work in this thesis was to use hyperpolarized substrates to study rapid metabolic processes occurring in the healthy and diseased rat heart. Initial work, described in Chapter 2, optimized the hyperpolarization process to reproducibly generate tracers. Chapter 3 describes use of hyperpolarized 1-13C-pyruvate to investigate in vivo flux through the regulatory enzyme pyruvate dehydrogenase (PDH). Cardiac PDH activity was altered in several physiological and pathological states, namely fasting, type 1 diabetes, and high-fat feeding, and in vivo flux through PDH was measured using hyperpolarized MR. These measurements correlated with measurements of in vitro PDH activity obtained using a validated biochemical assay. The work in Chapter 4 investigated the physiological interaction between hyperpolarized tracer and cardiac tissue. The effect of hyperpolarized 1-13C-pyruvate concentration on its in vivo metabolism was analyzed using modified Michaelis-Menten kinetics. It was found that hyperpolarized MR could non-invasively follow mechanisms of metabolic regulation, in addition to reporting enzyme activity. In Chapter 5, hyperpolarized MR was incorporated into the isolated perfused rat heart. 1-13C-pyruvate in normal and ischaemic hearts revealed significant differences in lactate metabolism, and provided the foundation for a novel intracellular pH probe. Infusion of 2-13C-pyruvate in the isolated rat heart enabled the first real-time visualization of Krebs cycle intermediates. In summary, the work in this thesis has highlighted the potential of hyperpolarized MR to reveal novel information on heart disease.

The processing and properties of novel polymer-based nano-composite (PNC) dielectrics for capacitor applications has been studied. PNCs were fabricated via a vacuum based deposition technique and their micro/nano-structure, chemical and dielectric properties investigated. After process development and optimisation, co-deposited Al and nylon-6 PNCs had a dielectric constant k∼7 at an approximate Al volume fraction of 0.3 that agreed with analytical predictions if it was assumed that the Al transformed to an oxide in-situ and/or after deposition. The significant effect of absorbed water vapour and temperature on PNC dielectric properties was revealed using different types of post-deposition heat treatment. Alternately-deposited PNCs consisting of Al or Ag 2-20 nm layers sandwiched between nylon-6 layers were fabricated in which the overall PNC Al or Ag volume fraction was controlled by varying the nominal Al or Ag layer thickness. Ag layers comprised of discrete nano-islands that produced a nano-capacitor network effect that increased k to ∼11. In the case of Al layers, when the layer thickness was ≥ 5 nm, corresponding to a nominal volume fraction of 0.1, Al (core)-oxide (shell) nanoparticles were formed and the PNC dielectric constant increased to ∼19. The detailed nano-structure of the core-shell particles was studied using various types of transmission electron microscopy (TEM), and the elevations in dielectric constant ascribed to multiple-interface polarisation effects dependent on the formation of the core-shell structure. PNCs based on alternate deposition of Ti sandwiched in nylon-6, and then both Ti and Ag in nylon-6 were also fabricated, with k reaching ∼73 for Ag+Ti/nylon-6 PNCs. As well as Ti-based core (metal)-shell (oxide) particles, the Ag volume fraction was sufficiently high in the 10 nm nylon-6 layers to again form a nano-capacitor network that contributed to the overall device capacitance and effective dielectric constant. Again, various types of high magnification TEM were critical in resolving the Ti-based core-shell structure and its role in high-k behaviour. The vacuum-based alternate deposition technique has been developed to offer ease of operation, reliability, flexibility and applicability to chemically different filler and matrix systems in the fabrication of high-k PNC based capacitors, in which high-k performance relies critically on the formation of core (metal)-shell (oxide) particles in both Al and Ti based systems.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La magnétite (Fe3O4) est un candidat prometteur pour des applications dans des dispositifs en spintronique. Ce ferrimagnétique avec une température de Curie élevée a été théoriquement prévu pour être un demi-métal avec un canal conducteur pour les spins minoritaire et un semi-conducteur pour les spins majoritaires, résultant en 100% de polarisation en spin au niveau de Fermi. Cependant, jusqu'à présent, aucune preuve expérimentale claire sur ce sujet n'a été faite. Cette thèse présente des études en photoémission résolue en angle et en spin sur la structure électronique et magnétique de couches minces de Fe3O4 (001) épitaxiées sur MgO(001) . Un calcul de la structure de bande utilisant l'approximation du gradient généralisé (GGA + U) est proposé pour expliquer les résultats expérimentaux. Bien que l'intensité de photémission au niveau de Fermi soit très faible en raison du rôle joué par les polarons, une dispersion de la bande Fe 3d-t2g est observée. Le comportement global de cette bande est en bon accord avec le calcul de la structure état électronique représentant état fondamental. Pour simuler les spectres de photoémission, nous avons utilisé l'approximation de l'électron libre à l'état final, tout en ignorant les éléments de matrice de la transition électronique. Dans la simulation, les bandes calculées sont convoluées respectivement par la lorentzienne et la gaussien pour tenir compte de la durée de vie et des effets de couplage électron-phonon. En intégrant l'intensité spectrale sur un intervalle d'énergie de 100 MeV au niveau de Fermi, nous avons obtenu la première preuve expérimentale de la surface de Fermi. Détermination de la polarisation de spin des électrons est un test ultime des calculs de bandes et des spectres de photoémission modélisés. Dans nos expériences de photoémission résolue en spin, nous avons utilisé des photons de 4.65 et 6.20 eV. Le même échantillon comme pour la photoémission intégré en spin a été mesuré, nécessitant son transfert par l'air dans une autre chambre. L'échantillons n'a pas été soumis à un nettoyage avant les mesures résolues en spin ce a conduit à une réduction de la polarisation en spin à cause de la présence d'une couche polluée sur la surface. Néanmoins, une polarisation de spin de - 50% et -72 % a été mesurée au voisinage de EF respectivement pour les photons de 6.20 et de 4.65 eV. Nous en concluons que Fe3O4 peuvent être décrits par un modèle de bande et en particulier qu'il est demi-métallique. Nous avons également utilisé des impulsions femtoseconde laser dans une expérience pompe-sonde pour étudier la dynamique ultra-rapide à l'échelle atomique. Nos résultats montrent que la durée de vie des électrons excités dans Fe3O4 est beaucoup plus longue que dans un métal «ordinaire». L'analyse de la polarisation en spin des électrons excités montre que la désaimantation ne se produit pas dans le domaine de la femtoseconde, ce qui est compatible avec des propriétés demi-métalliques de la magnétite . / Magnetite (Fe3O4) is a promising candidate for application in spintronic devices. This ferrimagnet with a high Curie temperature has been theoretically predicted to be a half-metal with a conductive minority-spin (↓) channel and a semiconductive majority-spin (↑) channel, resulting in 100 % spin polarization at the Fermi level. But up to now, any clear experimental evidence is lacking. This thesis presents spin- and angle-resolved photoemission studies on the magnetic and electronic structure of Fe3O4 (001) epitaxially grown on MgO (001). A band structure calculation using generalized gradient approximation plus U (GGA+U) to the density functional theory (DFT) is proposed to explain the experimental results. Although the PES intensity at Fermi level is very low because of the role played by polarons, a dispersion of the Fe 3d-t2g states is observed. The overall behaviour of these bands is in good agreement with the calculation of ground state electronic structure. In order to simulate the spectra, we used the free electron approximation for the final states, ignoring the matrix elements. Calculated ground state data are convoluted by Lorentzian and Gaussian functions to account for the lifetime and electron-phonon coupling effects, respectively. By integrating the spectral intensity over an energy interval of 100meV at Fermi level, we obtained the first experimental evidence of the Fermi surface plot. Determination of electron spin polarization is an ultimate test of both the band calculations and our model of Fe3O4 photoemission spectra. In our spin-resolved photoemission experiments 4.65 and 6.20 eV photons were used. The same sample was used as for spin-integrated ARPES, requiring its transfer through air to another chamber. It was not subject to any cleaning prior to the SRPES measurements that lead to a reduction of the spin polarization as a consequence of the presence of a dead layer on the surface. Nevertheless the spin polarization close to EF reaches - 50% and -72% for 6.20 and 4.65 eV photons respectively. We conclude that Fe3O4 can be described within a band model and in particular that it is half-metallic. We also used femtosecond laser pulses in pump-probe experiments to investigate ultrafast dynamics on atomic scale. Our results show that the lifetime of excited electrons in Fe3O4 is much longer than in an “ordinary” metal. From the spin analysis of excited electrons, we deduce that the demagnetization does not occur in the femtosecond range, which is compatible with half-metallic properties of magnetite.</dcterms:abstract> <dc:type xsi:type="dcterms:DCMIType"

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.

Dans la fabrication d’un produit, la maîtrise des propriétés physiques des matériaux utilisés est indispensable. Il est donc nécessaire de déterminer leurs propriétés comportementales. On exploite en général des propriétés physiques intermédiaires telles que les propriétés électromagnétiques. Nous avons mis au point une technique de caractérisation sans contact de matériaux non transparents en transposant les concepts de base de l’ellipsométrie optique en hyperfréquence. La caractérisation se fait par résolution d’un problème inverse par deux méthodes numériques : une méthode d’optimisation classique utilisant l’algorithme itératif de Levenberg Marquardt et une méthode de régression par l’uti1isation de réseaux de neurones du type perceptron multicouches. Avec la première méthode, on détermine deux paramètres du matériau sous test à savoir l’indice de réfraction et l’indice d’extinction. Avec la deuxième, on détermine les deux indices ainsi que l’épaisseur de 1’échantillon. Pour la validation, nous avons monté un banc expérimental en espace libre à 30 GHz en transmission et en incidence oblique avec lequel nous avons effectué des mesures sur des échantillons de téflon et d’époxy de différentes épaisseurs (1 à 30 mm). Nous avons obtenu une caractérisation satisfaisante de l’indice et de l’épaisseur. Nous avons ensuite fait des mesures de trois types de papier dont la caractérisation de l’indice était satisfaisante sans toutefois les discriminer. Ces travaux ont montré la possibilité de caractériser des matériaux épais et non transparents par une technique ellipsométrique / The control of the physical properties of materials used to manufacture a product is essential. Therefore, it is necessary to determine their behavioral properties. Generally, we get them through intermediate physical properties such as electromagnetic properties. We have developed a technique for contactless characterization of non-transparent materials by applying the basic concepts of optical ellipsometry in the microwave domain. The characterization is done by solving an inverse problem through two different numerical methods: a classical optimization method using the iterative algorithm of Levenberg Marquardt and a regression method by using neural networks particularly the multilayer perceptron. With the first method, we can determine two parameters which are the refractive index and the extinction index of the sample under test. With the second method, we can determine the indices and the thickness of the sample. As a validation, we set up a 30 GHz - experimental free space bench configurated for oblique transmission incidence measurement that we have used to carry out measurements on PTFE and epoxy samples having different thicknesses (1 to 30 mm). We obtained a satisfactory characterization of the index and thickness. Then, we have carried out measurements on three types of paper. The index was satisfactorily characterized but they could not be distinguished. These studies have shown that it is possible to characterize thick and non-transparent materials using ellipsometric technics

Systems biology aims to describe and understand biology at a global scale where biological systems function as a result of complex mechanisms that happen at several scales. Modelling and simulation are computational tools that are invaluable for description, understanding and prediction these mechanisms in a quantitative and integrative way. Thus multi-scale methods that couple the design, simulation and analysis of models spanning several spatial and temporal scales is becoming a new emerging focus of systems biology. This thesis uses an exemplar – Planar cell polarity (PCP) signalling – to illustrate a generic approach to model biological systems at different spatial scales, using the new concept of Hierarchically Coloured Petri Nets (HCPN). PCP signalling refers to the coordinated polarisation of cells within the plane of various epithelial tissues to generate sub-cellular asymmetry along an axis orthogonal to their apical-basal axes. This polarisation is required for many developmental events in both vertebrates and non-vertebrates. Defects in PCP in vertebrates are responsible for developmental abnormalities in multiple tissues including the neural tube, the kidney and the inner ear. In Drosophila wing, PCP is seen in the parallel orientation of hairs that protrude from each of the approximately 30,000 epithelial cells to robustly point toward the wing tip. This work applies HCPN to model a tissue comprising multiple cells hexagonally packed in a honeycomb formation in order to describe the phenomenon of Planar Cell Polarity (PCP) in Drosophila wing. HCPN facilitate the construction of mathematically tractable, compact and parameterised large-scale models. Different levels of abstraction that can be used in order to simplify such a complex system are first illustrated. The PCP system is first represented at an abstract level without modelling details of the cell. Each cell is then sub-divided into seven virtual compartments with adjacent cells being coupled via the formation of intercellular complexes. A more detailed model is later developed, describing the intra- and inter-cellular signalling mechanisms involved in PCP signalling. The initial model is for a wild-type organism, and then a family of related models, permitting different hypotheses to be explored regarding the mechanisms underlying PCP, are constructed. Among them, the largest model consists of 800 cells which when unfolded yields 164,000 places (each of which is described by an ordinary differential equation). This thesis illustrates the power and validity of the approach by showing how the models can be easily adapted to describe well-documented genetic mutations in the Drosophila wing using the proposed approach including clustering and model checking over time series of primary and secondary data, which can be employed to analyse and check such multi-scale models similar to the case of PCP. The HCPN models support the interpretation of biological observations reported in literature and are able to make sensible predictions. As HCPN model multi-scale systems in a compact, parameterised and scalable way, this modelling approach can be applied to other large-scale or multi-scale systems.