The design and analysis of a novel optical-to-microwave transducer based upon direct optical control of microwave gallium arsenide (GaAs) field-effect transistor (FET) switches is the subject of this thesis. The switch is activated by illuminating the gate depletion region of the FET device with laser light having a photon energy and wavelength appropriate to the generation of free carriers (electron-hole pairs) within GaAs. The effects of light on the DC and microwave properties of the GaAs FET are explored and analyzed to permit the characterization of the switching performance and transient response of a reflective microwave switch. The switch is novel in that it utilizes direct optical control, whereby the optically controlled GaAs FET is directly in the path of the microwave signal and therefore relies on optically-induced variations in the microwave characteristics of the switch. This contrasts with previous forms of optically controlled switches which rely on indirect methods with the optical stimulus inducing variations in the DC characteristics of the GaAs FET, such that there is no direct interaction between the optically illuminated GaAs FET and the microwave signal. Measured and simulated results relating to the switching performance and transient response of the direct optically controlled microwave switch have been obtained and published as a result of this work. For the first time, good agreement is achieved between the measured and simulated results for the rise and fall times associated with the transient response of the gate photovoltaic effect in optically controlled GaAs FET switches. This confirms that the GaAs FET, when used as an optically controlled microwave switch, has a transient response of the order of several micro-seconds. An enhanced model of the GaAs FET switch has been developed, which represents a more versatile approach and leads to improved accuracy in predicting switching performance. This approach has been shown to be valid for both optical and electrical control of the GaAs FET. This approach can be used to model GaAs FET switches in discrete or packaged forms and predicts accurately the occurrence of resonances which may degrade the switch performance in both switching states. A novel method for tuning these resonances out of the switch operating band has been developed and published. This allows the switch to be configured to operate over the frequency range 1 to 20 GRz. The agreement between the models and measured data has been shown to hold for two very different GaAs FET structures. The results of the direct optically controlled microwave GaAs FET switch have been used as the basis for the design of a novel direct optically controlled microwave phase shifter circuit; Measured and simulated results are in good agreement and verify that the performance of the optically controlled phase shifter is comparable with previously published results for electrically controlled versions of the phase shifter. The 10 GRz phase shifter was optically controlled over a 1 GRz frequency range and exhibited a mid-band insertion loss of 0.15 dB. The outcome of the work provides the basis for directly controlling the phase of a microwave signal using the output of an optical sensor, with the GaAs FET acting as an optical-to-microwave transducer through a monolithic interface.

Au cours des dernières années, l'électronique à base d’oxydes métalliques a attiré de plus en plus d'attention au sein de la recherche, principalement grâce à leur potentiel en termes de réduction de coûts ainsi que la possibilité de développer une électronique transparente. Il existe plusieurs applications potentielles concernant les oxydes métalliques : le photovoltaïque, les transistors à couche mince et la photo-électrochimie. Il existe plusieurs oxydes métalliques de type n avec d'excellentes propriétés électroniques, telles que l'oxyde de zinc dopé à Al. Mais la mise au point de dispositifs entièrement à base d’oxydes métalliques est largement entravée par les mauvaises propriétés électroniques des oxydes de type p jusqu'à présent étudiés. Par conséquent, il est nécessaire de développer des matériaux semi-conducteurs d'oxyde métallique de type p présentant de meilleures propriétés électriques.Dans cette thèse, l'optimisation du dépôt de films minces de Cu2O a été effectuée par MOCVD assisté par aérosol (AA-MOCVD). Par conséquent, des films de Cu2O homogènes et de très forte cristallinité ont été déposés à basse température (environ 335 °C) sans contamination détectable de carbone. De plus, grâce à l'incorporation de l'humidité durant les dépôts, la taille des grains et l'orientation des films Cu2O peuvent être modulées, ainsi des films de Cu2O avec une texturation (111) et une taille de grains > 300 nm ont été obtenus. Pour les films Cu2O optimisés, la mobilité peut atteindre un maximum de 15 cm2 / V.s avec une concentration de porteur de l'ordre de 1015 cm-3. Enfin, un excellent comportement diode a été observé en combinant les films de Cu2O optimisés avec du ZnO, obtenant un rapport on/off supérieur à 104.En raison de l'incompatibilité entre la fenêtre de stabilité thermique associée à AgCuO2 et les températures nécessaires pour déposer des composés Ag et Cu par CVD avec les précurseurs utilisés, le dépôt direct d'AgCuO2 n'a pas pu être obtenu. Ainsi, des techniques de revêtement couche mince à base de solution ont été adoptées pour le dépôt de film AgCuO2. En particulier, la méthode SILAR a permis le dépôt de films minces d’AgCuO2. Grâce à une couche d’amorce sur substrat de verre appropriée, des couches d'AgCuO2 denses et continues ont été revêtues, avec une valeur RMS minimale de 8 nm. Les films d’AgCuO2 déposés avaient une phase presque pure. Les propriétés optiques et de transport des films minces AgCuO2 ont donc été analysées pour la première fois. Les mesures de transmittance ont confirmé la faible largeur de bande interdite prédite d’AgCuO2 (1,2 eV), tandis que grâce à l’utilisation de la formule de Tauc, nous avons constaté que ce matériau est plus susceptible d'avoir une bande interdite directe, en accord avec les calculs DFT publiés. Grâce aux mesures de l'effet Hall, les films AgCuO2 déposés ont été confirmés comme étant de type p. La plus faible résistivité atteinte est de 0,2 Ω.cm. En outre, ces films avaient une densité de porteurs de charge de l'ordre de 1017 cm-3 et la meilleure mobilité atteinte était de 24 cm2 / V.s. En comparaison avec les composés de type p de delafossite précédemment rapportés (M, Al, Cr, Ga, etc.), ce matériau présente la plus petite largeur de bande interdite (intéressant notamment pour l'application photovoltaïque) et une conductivité assez élevée. La caractéristique la plus intéressante est que le problème général de la faible mobilité des transporteurs dans ces composés delafossite a été résolu dans cet AgCuO2, grâce à sa structure électronique mixte et à la délocalisation des charges. Ainsi, ces résultats de caractérisation sans précédent ouvrent la voie à l'utilisation de films AgCuO2 dans des dispositifs fonctionnels. / In recent years, metal oxide electronics has attracted more and more attention in research, mainly thanks to their potential lower cost and the possibility they offer to develop transparent electronics. There are several potential applications concerned with metal oxides including photovoltaics, thin film transistors and photo-electrochemistry. There are several n-type metal oxides with excellent electronic properties being well developed, such as Al doped zinc oxide. But the fabrication of devices fully made with metal oxides is largely impeded by the poor electronic properties of the p-type oxides so far studied. Therefore, there is the need for developing p-type metal oxide semiconducting materials with better electrical properties.In this thesis, the optimization of pure Cu2O thin film deposition was conducted using Aerosol Assisted MOCVD (AA-MOCVD). As a result, homogenous Cu2O films were deposited at low temperature (about 335 °C) without detectable amount of carbon contamination with high crystallinity. In addition, by incorporation of humidity during the deposition, particle size and the orientation of the Cu2O films could be tuned, thus Cu2O films with (111) textured large grain sizes (> 300 nm) were achieved. For optimized Cu2O films, the mobility can reach a maximum of 15 cm2/V.s with carrier concentration in the order of 1015 cm-3. Lastly, an excellent diode behaviour was observed by combining the optimized Cu2O films with ZnO, obtaining an on-off ratio exceeding 104.Besides the Cu2O optimization, the deposition of AgCuO2 by MOCVD was also tackled. In order to do so, the deposition of silver and silver oxide thin films was previously optimized. For that, two new silver precursors, namely, Ag(hfac)phenanthroline and Ag(hfac)triglyme were synthesized and fully characterized. High quality Ag coatings could be obtained with both precursors. Silver oxide films were obtained through electrochemical oxidation and oxygen plasma treatment of pre-deposited Ag coatings.Due to the incompatibility between the thermal AgCuO2 stability window and the temperatures needed to deposit Ag and Cu compounds by CVD with the precursors used, the direct deposition of AgCuO2 could not be obtained. Thus, solution based thin film coating techniques were adopted for AgCuO2 film deposition. In particular, Successive Ionic Layer Adsorption and Reaction (SILAR) allowed the deposition of AgCuO2 thin films. Using a proper seed layer on glass, dense and continuous AgCuO2 films were coated, with minimum RMS value of 8 nm. The deposited AgCuO2 films had almost pure phase. The optical and transport properties of AgCuO2 thin films were thus carried out for the first time. Transmittance measurements confirmed the predicted low bandgap of AgCuO2 (1.2 eV), while by using the Tauc formula, we found that this material is more likely to have a direct bandgap, in agreement with published DFT calculations. Thanks to Hall Effect measurements, the deposited AgCuO2 films were confirmed to be p-type. The lowest resistivity achieved was 0.2 Ω.cm. In addition, those films had carrier density in the order of 1017 cm-3 and the best mobility achieved was 24 cm2/V.s. Comparing with the previously reported CuMO2 (M= Al, Cr, Ga etc) delafossite p-type compounds, this material has shown the lowest bandgap (appropriate for photovoltaic application) and rather high conductivity. The most interesting characteristic is that the general problem of low carrier mobility in those delafossite compounds has been solved in this AgCuO2, thanks to its mixed-valence electronic structure and charges delocalization. Thus, those unprecedented characterization results pave the way for using AgCuO2 films in functional devices.

Dans ce travail, plusieurs méthodes opto-électrochimiques ont été développées et appliquées à l’étude de systèmes chimiques à l’échelle de l’objet individuel. Du coté optique,l’holographie et la spectroscopie visible ont été associées à la super localisation pour pousser l’applicabilité de ces techniques au-delà de la limité imposée par la diffraction.Des techniques nanoélectrochimiques, comme les impacts stochastiques et l’utilisation de nanoelectrodes, complètent cette étude en renseignant sur la réactivité et sur les étapes de transfert d’électrons. Ces études couplées caractérisent ainsi les phénomènes chimiques de façon bien plus complète. Il est montré que cette caractérisation à la fois chimique et optique est en fait essentielle pour pouvoir comprendre le fonctionnement des systèmes nano chimiques in loco.En démarrant par des réactions modèle, comme l’oxydation de l’argent, la complexité des systèmes étudiés est progressivement augmentée, éclairant des phénomènes de transport,d’agrégation, ainsi que des transformation redox et de catalyse sur des matériaux complexes et mal définis tel que les oxydes de métaux de transition (cobalt) / A number of coupled optical and electrochemical single particle techniques are employed for investigating a variety of chemical systems at the level of individual objects.On the optical side, holography and visible spectroscopy are imbued with superlocalization principles pushing the applicability of these techniques down to sub-diffraction levels. Nanoelectrochemical techniques such as stochastic impacts and nanoelectrodes are used to complement this information, providing a much more complete characterization of the phenomena.It is shown that this dual optical and electrochemical single particle characterizationis actually crucial to understand complex nano chemical systems in loco. Starting frommodel reactions, such as Ag oxidation, the complexity of the studied phenomena and systems is progressively increased, as light is shed on transport phenomena, aggregation,as well as redox transformations and catalysis on complicated materials such as ill-defined transition metal (cobalt) oxides

Dans cette thèse, une étude des microstructures périodiques et de leurs applications à la modulation optique par ondes acoustiques est présentée. Plus spécifiquement, le sujet traite du couplage opto-mécanique dans les cavités des cristaux phoXoniques. Cette étude montre comment la théorie des perturbations fournit un outil efficace d’analyse et de prédiction du comportement de la modulation dans de telles structures. Cette méthode permet également d’économiser du temps de calcul en comparaison aux calculs numériques purs. L'étude théorique de la propagation des ondes dans les milieux périodiques est d'abord introduite, puis les paramètres de l'existence simultanée des bandes interdites photoniques et phononiques sont déduites. Le développement d’une méthode semi-analytique ayant pour but d’analyser l'efficacité du couplage acousto-optique dans les structures périodiques artificielles est ensuite réalisé. La théorie des perturbations est développée jusqu'au 2ème ordre. Celle-ci, associée à des considérations de symétrie, est utilisée pour l'interprétation des résultats. Une illustration de la versatilité de la méthode, basée d'une cavité ponctuelle L1 sur substrat silicium, est présentée. Les résultats obtenus sont en accord avec ceux donnés par une méthode purement numérique. / In this thesis, a study of periodic microstructures and their applications to optical modulation by acoustical waves is presented. More specifically, it deals with opto-mechanical coupling in phoXonic crystal cavities. This study shows how the perturbation theory provides an efficient tool to analyse and predict the behaviour of modulation in such structures. Moreover, when compared to pure numerical ones, this method leads to calculation time saving. The theory of periodic media is first introduced and then we derive the parameters for the simultaneous existence of photonic and phononic bandgaps. We end up by the development of a semi-analytical method to analyze acousto-optical coupling efficiency in artificial periodic structures. The perturbation theory is developed up to 2nd order and is used together with symmetry considerations for interpretations. An illustration of the versatility of the developed method is presented using an L1 point defect cavity on silicon substrate and validated with classical numerical results.

Les nanocristaux colloïdaux semi-conducteurs sont des matériaux synthétisés en suspension et dont les propriétés optiques sont ajustables par leur taille. Une fois sous forme de film, il est possible d’effectuer du transport de charges et ainsi obtenir des dispositifs opto-électroniques. Nous avons choisi deux types de nanocristaux présentant des propriétés optiques originales, mais dont le transport est mal connu. Nous l’étudions d’abord dans des films de nanocristaux bidimensionnels, les nanoplaquettes de CdSe, qui sont une réalisation colloïdale de puits quantiques. Nous montrons qu’il est possible d’accroître le gain de photoconduction en passivant les pièges électroniques afin d’augmenter le temps de vie des porteurs photogénérés. Nous tirons également parti de l’extension latérale de ces objets en les déposant sur des électrodes nanométriques de la taille des particules. Cela permet de s’affranchir du transport par sauts tunnel tout en surmontant l’interaction coulombienne entre l’électron et le trou photogénérés. De manière alternative, nous utilisons un canal de graphène comme couche de transport. Combiné aux propriétés optiques bien définies des nanoplaquettes, nous associons ainsi le meilleur des deux mondes. Enfin, nous étudions le transport dans des films de nanocristaux de HgSe. Ces objets étant naturellement dopés après synthèse, ils présentent une transition intrabande dans l’infrarouge moyen. Nous montrons que le dopage peut s’expliquer par la réduction des nanocristaux par l’eau, et qu’il est contrôlable en jouant sur les dipôles de surface induits par les ligands. Cela nous permet finalement d’élaborer un photodétecteur sur un substrat flexible. / Colloidal semiconducting nanocrystals are solution-grown inorganic particles whose optical properties are size-dependent. By depositing a film of these objects, charge transport become possible and one can obtain optoelectronic devices. We have chosen two types of nanocrystals with original optical properties, but whose transport is poorly understood and requires studying. First, we study it in films of two-dimensional materials, the CdSe nanoplatelets. These are colloidal realization of quantum wells. We show that it is possible to amplify the photoconductive gain by passivating electronic traps, thus increasing the photogenerated carriers lifetime. We also take advantage of the lateral extension of these objects by depositing them on nanoscale electrodes of the size of the particles. This eliminates the hopping transport while overcoming the coulombic interaction between the photogenerated electron and hole. Alternatively, we use a graphene channel as a transport layer. Together with the well defined optical properties of nanoplatelets, we associate the best of both materials. Finally, we study the transport in films of HgSe nanocrystals. Being naturally doped after synthesis, these objects exhibit an intraband transition in the mid-infrared range. We show that the doping can be explained by the water reduction of nanocrystals, and is controllable by varying the ligandsinduced surface dipoles. This allows us eventually to develop a photodetector on a flexible substrate.

En fabrication additive métallique par fusion laser sur lit de poudre, la géométrie et les caractéristiques mécaniques des pièces produites sont générées au cours de la fabrication. Ces deux aspects sont grandement influencés par les trajectoires du spot laser et par la maîtrise de l'énergie apportée à la poudre localement. La commande numérique dont le rôle est de générer les consignes à envoyer aux actionneurs a donc un impact conséquent sur la qualité des pièces produites.Ces travaux proposent d'étudier l'impact des traitements effectués dans la commande numérique sur les trajectoires réalisées et sur l'énergie apportée à la matière. Dans la littérature, peu de travaux traitent de ces aspects en fabrication additive. C'est pourquoi une plateforme expérimentale est mise en œuvre et utilisée afin d'analyser et de mieux comprendre les opérations actuellement implémentées dans les commandes numériques industrielles.Un modèle mathématique représentatif de la géométrie de la machine est d'abord établi. Ce modèle permet de convertir les trajectoires du spot laser en consigne pour les actionneurs. Le modèle développé est utilisé afin d'améliorer l'étape de calibration des machines. Une fois le système calibré, les consignes envoyées aux actionneurs sont étudiées. Les différents traitements effectués dans la commande numérique industrielle sont analysés, des limitations sont mises en évidence et plusieurs propositions d'améliorations sont implémentées. Tous ces développements sont ensuite utilisés afin de maîtriser finement l'énergie apportée à la matière dans le cas de certaines trajectoires adaptées au procédé. Les développements scientifiques proposés dans ces travaux sont tous validés expérimentalement sur une machine de fabrication additive ou sur le banc d'essai développé. Les travaux effectués permettent d'envisager de nombreuses perspectives concernant l'amélioration des traitements réalisés dans la commande numérique en fabrication additive. / In metal additive manufacturing by laser powder bed fusion, the geometry and mechanical characteristics of the produced parts are generated during the manufacturing process. These two aspects are greatly influenced by the laser spot trajectories, and by the control of the energy provided to the powder locally. The numerical control system, whose purpose is to generate instructions to be sent to actuators, has therefore a significant impact on the quality of the parts produced.This work proposes to study the local impact of the operations carried out in the numerical control on both the trajectories executed and the energy provided to the material. In the literature, few studies have addressed these aspects in additive manufacturing. For this reason, an experimental platform is implemented and used to analyze and better understand the operations currently implemented in industrial numerical controls.First, a mathematical model representative of the machine geometry is established. This model converts the laser spot trajectories into instructions for actuators. The model developed is used to improve the calibration step of the machines. Once the system is calibrated, the instructions sent to the actuators are studied. The various processes carried out in the industrial numerical control are analysed, limitations are highlighted and several proposals for improvements are implemented. All these developments are then used to precisely control the energy supplied to the material in the case of certain trajectories adapted to the process. The scientific developments proposed in these works are all validated experimentally on an additive manufacturing machine or on the test bench developed. The work carried out makes it possible to envisage many perspectives concerning the improvement of the treatments carried out inside the numerical control in additive manufacturing.

Investigation of spin dynamics in hybrid structures based on ferromagnetic semi- conductor (Ga,Mn)As Abstract: This dissertation deals with the study of hybrid ferromagnet/semiconductor structures, which are of particular for spintronics. We focused on heterostructures that contain ferromagnetic semiconductor (Ga,Mn)As, which is the most studied model ma- terial from the group of diluted magnetic semiconductors. The main goal of this work was a detailed study of the Optical Spin Transfer Torque (OSTT) phenomenon, which is an optical equivalent of the STT effect, which is used in ferromagnetic metal layers for non-thermal switching of the direction of magnetization. In the first part of the work, we describe experiments aimed at achieving non-thermal control of the direction of mag- netization in (Ga,Mn)As with the contribution of control of magnetic anisotropy using mechanical strain induced by a piezo-transducer (PZT) in hybrid structure (Ga,Mn)As/GaAs/PZT. For this purpose, the preparation of the structure was first opti- mized, which was tested in detail by means of X-ray diffraction and magneto-optical methods. However, we were unable to achieve magnetization switching due to the OSTT phenomenon. In addition, we found that the results measured at low temperature are very poorly reproducible, despite...

Computer assisted mosaic arthroplasty (CAMA) is a surgical technique that transplants cylindrical osteochondral grafts to repair damaged cartilage. An earlier in vivo study on sheep showed that short-term clinical outcomes are improved with the use of computer assistance, as compared to the conventional technique. This thesis reports on a study comparing three mosaic arthroplasty techniques -- one conventional and two computer assisted -- on human anatomy. This in vitro study used solid foam femur models modified to incorporate simulated cartilage defects. There were five participating surgeons ranging from a third year resident to a senior orthopedic surgeon. Each of the five participating surgeons performed a total of nine trials. There were three distinct sets of identical solid foam femur models with simulated cartilage defects. Three surgical techniques (conventional, opto-electronic, and patient-specific template) were performed on each. Several measures were made to compare surgical techniques: operative time; surface congruency; defect coverage; graft surface area either too high or too low; air volume below the grafts; and distance and angle of the grafts from the surgical plan. The patient-specific template and opto-electronic techniques resulted in improved surface congruency, defect surface coverage, graft surface within 0.50mm recessed and 0.25mm proud of the original surface, and below-graft air gap volume in comparison to the conventional technique. However, the conventional technique had a shorter operative time. The patient-specific template technique had less variance in surface congruency and shorter operative time than did the opto-electronic technique. / Thesis (Master, Computing) -- Queen's University, 2013-11-28 17:06:06.961

The purpose of this project was to test and implement recent research of polarization and scatter properties that suggest using a cross polarization imaging system to reduce glare artifacts. In particular, the use of this research is to improve the machine vision of apple quality detection in the food industry. The automated measurement system was implemented by acquiring pictures at different angles and different polarization states of apples. The opto-mechanics, system integration, synchronization and data collection are controlled with LabVIEW.

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