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Thesis (MScEng)--Stellenbosch University, 2011. / ENGLISH ABSTRACT: A well-known problem with FM-CW radar systems is the leakage of transmitter power into the receiver which leads to the making of close-in targets, and can severely limit the system dynamic range performance. This thesis considers two solutions to this radar system problem for a low frequency radar operating in the VHF band. The first method to suppress coupling is using separate transmit and receive antennas designed in such a way as to reduce coupling between them. The second is to design a negative feedback loop as part of the radar receiver where the feedback loop adaptively reduces the amount of transmitter leakage through to the receiver. This project details the realisation of these two solutions. A number of antenna designs are modelled in software and simulated to determine their characteristics of which the transmit-to-receive coupling is the key parameter. As no low coupling configuration could be found a simple configuration is chosen and practical measurements are taken. These antennas are then used in the radar system that is to be built. An FM-CW radar system is designed and simulated using software with a negative feedback loop being designed and implemented into the radar simulation. A practical radar system is then made inclusive of the feedback loop. Measurements are then taken to determine the efficacy of the feedback loop. / AFRIKAANSE OPSOMMING: ʼn Bekende probleem met FM-CW radar stelsels is die lekkasie van versender krag tot in die ontvanger wat lei tot die maak van nabye teikens en kan die stelsel se dinamiese sendbereik steng beperk. Hierdie tesis oorweeg twee oplossings tot hierdie probleem vir ʼn lae frekwensie radar wat in die VHF band werk. Die eerste metode wat na gekyk word om die koppeling te onderdruk is om die twee antennas van die radar stelsel so te ontwerp sodat die hoeveelheid koppeling tussen hulle verminder is. Die tweede is om ʼn negatiewe terugvoerlus as deel van die ontvanger te ontwerp. Hierdie terugvoerlus sal die versender lekkasie sein aanpassend in die ontvanger verminder. In hierdie projek word die realisering van bogenoemde oplossings uiteengeset. ʼn Paar verskillende antenna ontwerpe word gemodelleer in sagteware en word gesimuleer om hul karakteristieke te bepaal. Die belangrikste van hierdie faktore is die versender na ontvanger koppeling. Sienend dat geen ontwerp met ʼn lae genoeg koppeling gevind kon word nie, is ʼn eenvoudige ontwerp gekies en praktiese metings daarvan geneem. Hierdie antennas word dan gebruik in die radar stelsel wat gebou sal word. ʼn FM-CW radar stelsel word ontwerp en gesimuleer in sagteware. Die negatiewe terugvoerlus word ook ontwerp en geïmplementeer in die radar simulasie. ʼn Praktiese radar stelsel word dan gemaak insluitend die terugvoerlus. Metings word dan geneem om die effektiwiteit daarvan te bepaal.

Ion sensing represents a grand research challenge. It finds a vast variety of applications in, e.g., gas sensing for domestic gases and ion detection in electrolytes for chemical-biological-medical monitoring. Semiconductor genome sequencing exemplifies a revolutionary application of the latter. For such sensing applications, the signal mostly spans in the low frequency regime. Therefore, low-frequency noise (LFN) present in the same frequency domain places a limit on the minimum detectable variation of the sensing signal and constitutes a major research and development objective of ion sensing devices. This thesis focuses on understanding LFN in ion sensing based on both experimental and theoretical studies. The thesis starts with demonstrating a novel device concept, i.e., ion-gated bipolar amplifier (IGBA), aiming at boosting the signal for mitigating the interference by external noise. An IGBA device consists of a modified ion-sensitive field-effect transistors (ISFET) intimately integrated with a bipolar junction transistor as the internal current amplifier with an achieved internal amplification of 70. The efficacy of IGBA in suppressing the external interference is clearly demonstrated by comparing its noise performance to that of the ISFET counterpart. Among the various noise sources of an ISFET, the solid/liquid interfacial noise is poorly studied. A differential microelectrode cell is developed for characterizing this noise component by employing potentiometry and electrochemical impedance spectroscopy. With the cell, the measured noise of the TiN/electrolyte interface is found to be of thermal nature. The interfacial noise is further found to be comparable or larger than that of the state-of-the-art MOSFETs. Therefore, its influence cannot be overlooked for design of future ion sensors. To understand the solid/liquid interfacial noise, an electrochemical impedance model is developed based on the dynamic site-binding reactions of surface hydrogen ions with surface OH groups. The model incorporates both thermodynamic and kinetic properties of the binding reactions. By considering the distributed nature of the reaction energy barriers, the model can interpret the interfacial impedance with a constant-phase-element behavior. Since the model directly correlates the interfacial noise to the properties of the sensing surface, the dependencies of noise on the reaction rate constants and binding site density are systematically investigated.

Le long des littoraux sableux tels que la côte Aquitaine, les vagues et principalement les courants moyens induits par celles-ci jouent un rôle majeur dans l’évolution morphologique des plages. Que ce soit d’un point de vue socio-économique (aménagement des plages, protection de l’environnement) ou sécuritaire (noyade), comprendre la dynamique de tels environnements est devenu un réel enjeu scienti?que ces dernières années. Le développement d’une plateforme de modélisation morphodynamique opérationnelle a été menée au cours de cette thèse. Ce modèle est basé sur le couplage du modèle spectral de houle SWAN (Delft University of Technology) avec le modèle MARS 2DH (Ifremer), initialement conçu pour calculer les courants induits par la marée et les vents. Après avoir ajouté les phénomènes liés à la houle, un modèle sédimentaire a été développé pour estimer les évolutions morphodynamiques. La campagne de mesures Biscarrosse-PréECORS menée en juin 2007 sur la plage de Biscarrosse a permis de valider le modèle pour une large gamme d’état de mer. Le modèle a montré son e?cacité et sa robustesse pour décrire les courants et des circulations induites par les vagues au dessus de fortes hétérogénéités bathymétriques. Nous avons mis en évidence la forte modulation tidale des courants sagittaux qui sont intenses même pour de faibles conditions de vagues. La plateforme de modélisation morphodynamique a permis d’analyser la formation et le développement de morphologies tridimensionnelles rythmiques pour des systèmes simple et double barre. Pour les environnements à double barre comme la côte Aquitaine, l’intense couplage morphologique entre la barre externe et la barre interne a été étudié en réponse aux conditions de forçages. Nous avons mis en évidence l’in?uence de la marée sur la croissance des barres et révélé la corrélation existant entre croissance des barres et dissipation d’énergie des vagues sur les barres. Cette thèse a abouti au développement d’un modèle complet permettant d’appréhender la dynamique des environnements littoraux sableux. / Along many sandy environments as the Aquitanian Coast, waves and wave-induced currents play a key role on the beach morphodynamics. Within a socio-economic (human interventions, natural environment protection) and touristic (human safety) framework, understand the complex dynamics of these systems is a real scienti?c challenge these last decades. The development of an operational morphodynamical modeling platform was performed during this PhD thesis. The modeling strategy consists in coupling the spectral wave model SWAN (Delft Univer- sity of Technology) with the non-linear shallow water model MARS 2DH (Ifremer). The MARS model was initially designed to compute tide- and wind-induced currents. Thus, the wave processes and a sed- imentary unit were implemented inside MARS to compute morphological evolutions of wave-dominated sandy beached. The Biscarrosse-PréECORS ?eld experiment carried out in June 2007 at Biscarrosse Beach was used to validate our modeling platform for a large range of o?shore wave conditions. Results have proved the e?ciency and the robustness of our model to calculate wave-induced currents and circulations over alongshore non-uniformities. The strong tidal modulation of currents and the intense rip currents for low-energy conditions were highlighted. The morphodynamical modeling platform was also used to analyze the generation and the development of rhythmic three-dimensional morphologies for one- and double-barred systems. For double-barred en- vironments, the intense morphological coupling between the inner and outer bar was studied in the response of wave and tide forcing. We have highlighted the in?uence of the tide on the bar growth and showed the correlation between the growth and the wave dissipation over the bar. This thesis has succeeded in the development of a complete model for understanding the dynamics of sandy coastal environments.

Contexte. Au cours du siècle, les expositions aux champs électromagnétiques se sont multipliées avec l'électricité et les moyens de télécommunications. En 2002, les champs électromagnétiques d'extrêmement basse fréquence (CEM-EBF) ont été classés comme possiblement cancérogène pour l'homme, suivis des radiofréquences en 2011. A ce jour, ce rôle cancérigène reste controversé. L'association entre les tumeurs cérébrales (TC) et l'exposition aux champs électromagnétiques a été étudiée dans une étude cas-témoins, CERENAT. Méthodes. Les sujets de plus de 16 ans, résidant dans quatre départements français, avec un diagnostic de TC posé en 2004-2006 ont été inclus, ainsi que 2 témoins appariés par cas. Le calendrier professionnel détaillé et l'utilisation du téléphone portable (TP) ont été recueillis dans un questionnaire standardisé lors d'un entretien en face-à-face afin d'estimer l'exposition aux CEM-EBF (par l'application d'une matrice emploi-exposition), et aux radiofréquences. Résultats. L'étude a inclus 596 cas et 1192 témoins. Aucune association n'a été observée entre l'exposition aux CEM-EBF et les gliomes ou les méningiomes. Pour les neurinomes, le risque augmentait avec l'exposition, non significativement, atteignant un rapport de cotes (RC)=2,7 [0,8-9,0] pour une exposition moyenne sur la vie ≥ 0,2μT. Par ailleurs, l'usage régulier du TP (O/N) n'était pas associé aux TC (RC=1,1 [0,8-1,4]). Cependant, une association significative était observée pour les gliomes chez les plus grands utilisateurs pour une durée cumulée des appels ≥ 896 heures (RC=2,3 [1,4-3,8]). Les risques étaient plus élevés pour les tumeurs temporales, l'utilisation professionnelle et l'utilisation urbaine du téléphone. Conclusion. Nos résultats vont dans le sens des études antérieures, montrant une association entre les tumeurs cérébrales et l'utilisation importante du TP; et l'absence d'association avec l'exposition aux CEM-EBF. Cependant, le lien entre CEM-EBF et neurinomes reste à explorer, de même que le suivi à plus long terme des effets du TP. / Context. During the century, exposure to electromagnetic fields have increased with electricity and telecommunications facilities. In 2002, extremely low frequency electromagnetic fields (ELF-EMF) have been classified as possibly carcinogenic to humans, followed by radiofrequencies in 2011. To date, this carcinogenic role remains controversial. We investigated the association between brain tumors and exposure to electromagnetic fields in a case-control study, CERENAT. Methods. Subjects over 16 years, living in four French areas, with a diagnosis of brain tumor in 2004-2006 were included, with 2 matched controls per case. The detailed occupational history and mobile telephone use were collected in a standardized questionnaire during a face- to-face interview to estimate exposure to ELF-EMF (using job-exposure matrix) and to radiofrequencies. Results. The study included 596 cases and 1192 controls. No association was observed between exposure to ELF-EMF and gliomas or meningiomas. For neuromas, the risk increased with exposure, not significantly, reaching an odds ratio (OR)=2.7 [0.8 - 9.0] for a life-long mean exposure ≥ 0.2 μT. Moreover, regular use of mobile phone (Y/ N) was not associated with brain tumor (OR=1.1 [0.8 - 1.4]). However, a significant association was observed for gliomas in the heaviest users when considering a life-long cumulative duration of calls ≥ 896 hours (OR=2.3 [1.4 - 3.8]). Risks were higher for temporal tumors, occupational or urban mobile phone use. Conclusion. Our results are consistent with previous studies showing an association between brain tumors and the extensive use of MP, and no association with exposure to ELF-EMF. However, the association between ELF-EMF and neuromas remains to be explored, as well as the follow of mobile phone effects in the long term.

Avec l’électrification des moyens de transport, nous constatons ces dernières années une augmentation de l’utilisation de l’électronique de puissance et de la puissance mise en jeu dans les véhicules électriques ou hybrides (VEH). A cela s’ajoute une intégration de cette électronique dans des milieux de plus en plus compacts, a conduit à l’apparition de problèmes de la compatibilité électromagnétique (CEM) et d’exposition aux champs électromagnétiques. Pour réduire les effets indésirables des champs électromagnétiques, le blindage électromagnétique est l’une des solutions envisageables. Ces travaux de thèse portent essentiellement sur le blindage magnétique basse fréquence en champ proche des boîtiers contenant des équipements d’électroniques de puissance. Généralement, les boîtiers sont équipés d’ouvertures et de fentes ce qui conduit à une dégradation des performances du blindage magnétique. Nous nous intéressons dans ces travaux de thèse au développement de modèles permettant la prédiction de l’efficacité de blindage magnétique en tenant compte des effets de la diffusion, des ouvertures et des fentes. Ces différents modèles permettront aux concepteurs de maitriser les contraintes liées au blindage magnétique des dispositifs d’électroniques embarquées à bord des véhicules. L’aptitude ou la capacité des méthodes numériques à résoudre les problèmes de diffusion des champs magnétiques dans les tôles minces en présence et en absence d'ouvertures est présentée. Dans le cas de boîtiers munis de fentes de faibles dimensions, des approches basées sur la méthode des moments magnétiques sont développées pour la prédiction de l’efficacité de blindage magnétique. Des bancs de test ont été développés pour valider ces modèles. Dans le cas de fentes de dimensions quelconques, des approches dites "hybrides" associant des méthodes numériques et analytiques ont été développées et validées expérimentalement. Les approches développées ont été appliquées dans le cadre de l’étude d’une application industrielle. / The electrification of transport means, in recent years leads to an increase of the use of the power electronics and the power involved in electric or hybrid vehicles (HEV). With the integration of electronic devices in more compact environments, appear problems of the electromagnetic compatibility (EMC) and the electromagnetic field exposure. To reduce the effects of electromagnetic fields, electromagnetic shielding is one of the possible solutions.This thesis focus mainly on the magnetic shielding at low frequency in near field of enclosures containing power electronics. Usually, the enclosures are equipped with openings and slots which results in degraded performance of the magnetic shield. We develop models for predicting the magnetic shielding taking into account the effects of diffusion, openings and slots.These models will allow designers to control the magnetic shielding constraints of embedded electronic devices in vehicles. The ability or capability of numerical methods to solve the problems of the magnetic fields diffusion in thin sheets in the presence and absence of openings is presented. In the case of enclosures with slots of small dimensions's, magnetic moments approaches are developed for the prediction of magnetic shielding effectiveness. Test benches are developed to validate these models. In the general case, so-called “hybrid” approaches combining the analytical and numerical methods are developed and experimentally validated. The developed approaches are also applied in the framework of an industrial application.

Pour fixer en parallèle des milliers de biomolécules (ADN, ARN, protéines, etc.) à la surface des puces à ADN ou àprotéines, il faudrait choisir parmi une multitude de méthodes, selon la biomolécule à fixer et la nature du support, elle-mêmeconditionnée par la méthode de détection utilisée. Jusque-là, l’immobilisation de biomolécules sur une puce en utilisantla microfluidique continue présentait l’avantage d’un greffage en mode dynamique. Dans ce mode, les biomolécules sontcontinuellement transportées, via des microcanaux, à proximité de la puce. La volonté continue d’augmenter le nombredes zones immobilisées nécessite l’emploi de la microfluidique discrète pour cette fonction biologique. En effet, en modespotting (simple dépôt de gouttes contenant les biomolécules) le nombre de zones immobilisées est uniquement limité parle volume de liquide minimum pouvant être déposé. Cependant, en choisissant cette méthode fluidique, il fallait, jusque là,renoncer à une réaction en mode dynamique : le greffage s’effectue ainsi en mode passif. Ces travaux de thèse présententune méthode pour créer une dynamique à l’intérieure des gouttes porteuses des biomolécules durant l’opération de greffagemoléculaire. Nous avons choisi d’utiliser un générateur de vibration de basse fréquence permettant d’induire simultanémentdes écoulements dans plusieurs gouttes. De la conception, la réalisation et la caractérisation des générateurs de vibration àla caractérisation et la modélisation de l’écoulement induit par ce dispositif dans le liquide, ou encore à la caractérisation del’opération biologique visée, nous démontrons l’efficacité des vibrations basses fréquences dans ce domaine. / Development of Lab-On-Chip devices is expected to dramatically change biochemical analyses, allowing notable increaseof processing quality and throughput provided the induced chemical reactions are well controlled. In this work, weinvestigate the impact of local acoustic mixing to promote or accelerate such biochemical reactions, such as antibodygrafting on activated surfaces. To do that, we propose an acoustic micromixer using low frequency vibration that generatesa parallel mixing in droplet matrix. The present study details on one hand the conception, realization and characterizationof the micromixer. On the other hand, it concerns the characterization and modelisation of the generated vibration interactionwith droplet.We prove the efficiency of low frequency vibration for drop mixing and its impact on biological reactions

In dieser Arbeit wird das epitaktische Wachstum von GaP/Si Heterostrukturen zur Herstellung von rauscharmen GaP/Si Nanodiodenarrays untersucht, wobei eine top-down Ätztechnik zur Herstellung der verwendeten Nanodiodenarrays genutzt wurde. Zur Untersuchung der gewachsenen Schichten wurden Röntgenstreuung (XRD), Rasterelektronenmikroskopie sowie die elektrische Charakterisierung mittels Strom-Spannungs und Kapazität-Spannungsmessungen verwendet. Zudem wurde die Grenzfläche zwischen epitaktischer Schicht und Substrat mittels Niederfrequenter Rauschspektroskopie (LFN) untersucht. Die GaP-Schichten wurden auf p-dotierten Si (100) Substraten mittels eines Riber-32P Gasquellen-Molekularstrahlepitaxiesystems gewachsen. Die Abhängigkeit der Oberflächenbeschaffenheit und Kristallqualität von denWachstumsbedingungen, wie der Wachstumstemperatur, wurden intensiv untersucht, um die Defektdichte zu minimieren. Dafür wurden nominal 500 nm dicke Heterostrukturschichten beiWachstumstemperaturen von 550 °C, 400 °C und 250 °C gewachsen, wobei 400 °C als die optimale Wachstumstemperatur bestimmt wurde. Trotzdem waren die erhaltenen Schichten aufgrund der hohen Versetzungsdichte von schlechter Qualität. Eine nur sehr geringe Qualitätsverbesserung konnte durch einen in situ durchgeführten thermischen Annealingschritt bei 500 °C für 10 Minuten erreicht werden. Daher wurde eine neue Annealingmethode vorgeschlagen, die in dieser Arbeit step-graded annealing (SGA) genannt wird. Bei dieser Methode wurde die Temperatur schrittweise von 400 °C auf 480 °C innerhalb von 90 Minuten erhöht. Dabei wurde die Oberfläche die gesamte Zeit mittels Reflexion hochenergetischer Elektronen (RHEED) untersucht. Die Oberflächenrekonstruktion, die während des Annealens mittels RHEED beobachtet wurde, zeigte schließlich eine große Verbesserung der Kristallqualität. Die Gitterparameter von GaP wurden mittels asymmetrischer XRD gemessen, wobei festgestellt wurde, dass sie exakt denen von Volumen-GaP entsprechen. Zudem wurde festgestellt, dass die GaP-Schicht automatisch n-dotiert ist und diodentypisches Gleichrichtungsverhalten aufweist. Interessante Informationen über Fallenzustände in den Heterostrukturfilmen konnten mittels LFN-Messungen gefunden werden. In einer nicht annealten Probe wurden beispielsweise zwei Fallenzustände im Bereich der Bandlücke festgestellt. In den mittels der SGA-Methode annealten Proben wurde hingegen ein rauscharmes und fallenfreies System erhalten. Anschließend wurde Elektronenstrahllithografie (EBL) zum Erstellen von Nanomustern auf der Oberfläche genutzt, die zur Herstellung von Nanodrähten genutzt werden sollen. Zur Optimierung der Elektronenstrahllithografie wurden dabei GaPSubstrate aufgrund der im Vergleich zu den epitaktischen Schichten besseren und glatteren Oberflächenstruktur genutzt. Dabei konnten in einer Goldschicht 200 nm große Löcher in einem Gitter mit hoher Dichte auf GaP erstellt und in die GaPSchicht übertragen werden. Die metallunterstütztes chemisches Ätzen (MacEtch) genannte Technik wurde kürzlich vorgeschlagen und eignet sich für die Herstellung von Nanodrähten. Die Anwendung zur Herstellung von Nanodrähten aus GaP war herausfordernd aufgrund bisher begrenzter Anwendung für III-V Halbleiter. Zur Optimierung der MacEtch Technik wurde zunächst wieder GaP-Substrat verwendet, um den Einfluss von Kristalldefekten und der Oberflächenrauigkeit auf die Ergebnisse zu minimieren. Genutzt wurde ein Gemisch aus Lösungen von HF/KMnO4 mit verschiedenen Konzentrationen. Mit den so bestimmten Prozessbedingungen konnten erfolgreich GaP Nanodrähte aus GaP-Epilayern hergestellt werden. GaP/Si Heteroübergangsnanodioden wurden anschließend unter Nutzung von Au-Ge/Ni Kontakten zu GaP-Schicht und Al/Ni Kontakten zum rückseitigen Si hergestellt. Die Transporteigenschaften des Nanodiodenarrays bestätigen die Möglichkeit, diese Arrays als elektronische NiederLärmbauelemente einzusetzen. / An epitaxial growth of GaP/Si heterostructures for the fabrication of low-noise GaP/Si nanodiode array based on nanowires is reported. The grown films were characterized using X-ray diffraction, scanning-electron microscopy, atomic-force microscopy and electrical measurements. Besides that, the interface between the epilayer and the substrate was deeply studied using a low-frequency noise (LFN) spectroscopy. The GaP epilayers were grown on p-type Si (100)substrates using gas-source molecular-beam epitaxy system. The dependence of surface morphology and crystal quality on the growth conditions was intensively investigated for minimizing the defects. The heterostructure films were grown at an optimal growth temperature of 400 °C and a nominal thickness of 500 nm. In order to improve the crystalline quality of the heterostructures, a new thermal annealing method was proposed, and referred to as step-graded annealing (SGA). In this method, the temperature was increased gradually to the annealing temperature to reduce the strain relaxation in the epilayers. A highly improvement in the crystal quality was confirmed using the SGA method. In addition, the epilayers were found to be n-type autodoped, and exhibited diode rectification behavior. Furthermore, the trap levels in the band gap, which were revealed via LFN measurements, were found to be suppressed in the annealed films. Thereafter, gold-mesh nanopatterns on the GaP surfaces were fabricated using an electron-beam lithography, as a step for the fabrication of GaP nanowires. A metal-assisted chemical etching technique with a mixture of HF:KMnO4 was carried out to fabricate GaP nanowires. GaP/Si heterojunction nanodiodes were then fabricated using an Au-Ge/Ni contact on the top of the GaP nanowires as well as an Al/Ni contact on the backside of Si. Transport properties of the nanodiode array confirmed the possibility of using the array as a low-frequency electronic device.

In der Aquakultur sind Kreislaufanlagen ein umweltfreundliches und wassersparendes Produktionsverfahren. Hohe Besatzdichten und das Prinzip der Wasserführung im Kreislauf führen jedoch auch zu einem erhöhten Risiko von Infektionskrankheiten. In dem hier beschriebenen Projekt wurde untersucht, wie sich niederfrequenter Ultraschall (nf-US) in Kombination mit der in der Aquakultur bewährten UV-C Bestrahlung zur Kontrolle von Pathogenen einsetzen lässt. Es wurden vergleichende Untersuchungen zur Effizienz von nf-US, UV-C und deren Kombination gegen prokaryotische und eukaryotische Modellorganismen durchgeführt. Während sich UV-C als sehr effektiv gegen Bakterien erwies, konnte die Gesamtkeimzahl mit nf-US nicht reduziert werden. Eine Vorbehandlung des Wassers mit nf-US verringerte jedoch die mittlere Größe der im Wasser suspendierten Partikel und konnte so die Effektivität von UV-C zur Inaktivierung von Bakterien verbessern. Zur Abtötung eukaryotioscher Organismen wird eine deutlich höhere UV-Dosis als zur Kontrolle von Bakterien benötigt. Eine starke Erhöhung der UV-C Dosis ist jedoch durch die dann mögliche photo-induzierte Bildung von Nitrit aus Nitrat limitiert. Alternativ könnte nf-US zur Abtötung eukariotischer Parasiten verwendet werden. Unterschiedlichen Organismen unterscheiden sich stark in ihrer Empfindlichkeit gegenüber nf-US, wobei sich die dosisabhängige Abtötung sehr gut mit Funktionen einer exponentiellen Abnahme beschreiben lässt. Die toxikologische Untersuchung des mit UV-C und/oder nf-US behandelten Wassers mit dem Fischeitest und dem Leuchtbakterientest ergab keinen Hinweis auf die Bildung toxischer Nebenprodukte. Diese Studie zeigt, dass nf-US mit Dosen, die gegen eine Vielzahl an Parasiten wie Ciliaten, Nematoden und Crustaceen wirksam sind, sicher eingesetzt werden kann. Die Kombination von nf-US und UV-C könnte ein geeignetes Verfahren sein, um alle relevanten Pathogene in Kreislaufanlagen zu kontrollieren. / Recirculating aquaculture systems are well-known as environmentally friendly and high water-efficient production systems. The high stocking densities and low water exchange leads to an increased risk of infectious diseases. In this project the combination of low frequency ultrasound (LFUS) with ultraviolet-C (UV-C) light for the control of pathogens was studied. A comparative study about the efficiency of LFUS, UV-C and their combination against prokaryotic and eukaryotic model organisms was performed. Against bacteria, the application of UV-C was very effective, while the application of LFUS was not effective. However, a pretreatment of the water with LFUS decreased the average size of the suspended particles and improved the bactericidal effect of UV-C light. Compared to the low bactericidal dose of UV-C, a much higher UV-C dose was required for inactivation of eukaryotic model organisms. A significant increase of UV-C dose, however, can be limited by the possible photo-induced formation of nitrite from nitrate. Alternatively, LFUS can be used to kill eukaryotic parasites. However, the efficiency of LFUS differed greatly between species and can be well described by functions of an exponential decay. The evaluation of whole effluent toxicity by using the fish egg test and luminescent bacteria test revealed no evidence of toxic disinfection by-products formation during UV-C irradiation and/or LFUS sonication. This study shows that LFUS can be applied safely at energy densities that are effective against a wide range of eukaryotic parasites like ciliates, nematodes and crustaceans. The combination of LFUS and UV-C could provide an appropriate water treatment with respect to all relevant pathogens in recirculating aquaculture systems.

Cette thèse porte sur l’étude de transistor à effet tunnel (TFET) en FDSOI à géométries planaire et triple grille/nanofils. Nous rapportons pour la première fois des TFETs fabriqués par un processus basse température (600°C), qui est identique à celui utilisé pour l’intégration monolithique 3D. La méthode “Dual IDVDS” confirme que ces TFETs fonctionnent par effet tunnel et non pas par effet Schottky. Les résultats des mesures électriques montrent que l’abaissement de la température de fabrication de 1050°C (HT) à 600°C (LT) ne dégrade pas les propriétés des TFETs. Néanmoins, les dispositifs réalisés à basse température montrent un courant de drain et de fuite plus élevés et une tension de seuil différente par rapport aux HT TFETs. Ces phénomènes ne peuvent pas être expliqués par le mécanisme d’effet tunnel. Le courant de pompage de charges révèle une densité d’états d’interface plus grande à l’interface oxide/Si pour les dispositifs LT que dans les TFETs HT pour les zones actives étroites. Par ailleurs, une analyse de bruit basse fréquence permet de mieux comprendre la nature des pièges dans les TFETs LT et HT. Dans les TFETs réalisés à basse température nous avons mis en évidence une concentration en défauts non uniforme à l’interface oxide/Si et à la jonction tunnel qui cause un effet tunnel assisté par piège (TAT). Ce courant TAT est responsable de la dégradation de la pente sous seuil. Ce résultat montre la direction à suivre pour optimiser ces structures, à savoir une épitaxie de très haute qualité et une optimisation fine des jonctions. Finalement, nous avons proposé de nouvelles architectures innovatrices de transistors à effet tunnel. L’étude de simulation TCAD montre que l’extension de la jonction tunnel dans le canal augmente la surface de la région qui engendre le courant BTBT. Une fine couche dopée avec une dose ultra-haute en bore pourrait permettre l’obtention à la fois d’une pente sous le seuil faible et un fort courant ON pour le TFET. / This thesis presents a study of FDSOI Tunnel FETs (TFETs) from planar to trigate/nanowire structures. For the first time we report functional “Low-Temperature” (LT) TFETs fabricated with low-thermal budget (630°C) process flow, specifically designed for top tier devices in 3D sequential integration. “Dual IDVDS” method confirms that these devices are real TFETs and not Schottky FETs. Electrical characterization shows that LT TFETs performance is comparable with “High-Temperature” (HT) TFETs (1050°C). However, LT TFETs exhibit ON-current enhancement, OFF-current degradation and VTH shift with respect to HT TFETs that cannot be explained via BTBT mechanism. Charge pumping measurements reveal a higher defect density at the top silicon/oxide interface for geometries with narrow widths in LT than HT TFETs. In addition, low-frequency noise analyses shed some light on the nature of these defects. In LT TFETs, we determined a non-uniform distribution of defects at the top surface and also at the tunneling junction that causes trap-assisted tunneling (TAT). TAT is responsible of the current generation that degrades the subthreshold swing. This indicates the tight requirements for quality epitaxy growth and junction optimization in TFETs. Finally, we proposed novel TFET architectures. TCAD study shows that the extension of the source into the body region provides vertical BTBT and a larger tunneling surface. Ultra-thin heavily doped boron layers could allow the possibility to obtain simultaneously a good ON-current and sub-thermal subthreshold slope in TFETs.