In this thesis, we propose a simple trench oxide layer polysilicon thin-film Transistor (TO TFT) process and the self-heating effects can be significantly reduced because of its structural advantages. According to the ISE-TCAD simulation results, our proposed TO TFT structure has novel features as follows: 1. The buried oxide and the isolation oxide are carried out simultaneously in order to achieve a goal of simple process. 2. The trench design is used to improve both the sensing current windows (~ 84%) and the retention time (~ 57%). 3. The thermal stability is drastically improved by its naturally formed source/drain tie. The above mentioned features help our proposed device structure to demonstrate the desired characteristics that are better than that of a conventional TFT. Additionally, the thermal instability is drastically improved which is good for long-term device operation.

Highly oxidized species like perchlorate and nitrate that are released into the environment by anthropogenic activities are a source of concern as they have been known to contaminate groundwater. These species are extremely soluble in water and can migrate through aquifer systems, travelling substantial distances from the original site of contamination. Due to their high solubility, these oxy-anions cannot be treated using conventional treatment processes like filtration and sedimentation. Several treatment technologies are currently available to abate the human health risk due to exposure to perchlorate and nitrate. However, most of the existing treatment processes are expensive or have limitations, like generation of brines with high concentrations of perchlorate or nitrate. Aluminum can effectively reduce perchlorate and nitrate, if the protective oxide film that separates the thermodynamically reactive Al0 from most environments is removed. Aluminum was activated by pH change and electrochemically induced, pitting corrosion to remove the passivating oxide layer and expose the underlying, thermodynamically reactive, zero-valent aluminum. A partially oxidized species of aluminum, like monovalent aluminum, is believed to bring about the reduction of perchlorate and nitrate. This research studied the reduction of perchlorate and nitrate by aluminum that was activated by these two mechanisms. Results indicated that aluminum activated by pH change resulted in an instantaneous decrease in perchlorate concentration without any increase in chlorate or chloride concentrations, which suggests that the perchlorate might be adsorbed on the aluminum oxide surface. However, aluminum activated by electrochemically induced pitting corrosion can effectively reduce perchlorate to chlorate. Nitrate, on the other hand, was reduced completely to ammonia by both treatment mechanisms. The studies conducted in this dissertation suggest that aluminum can be effectively used as a reducing agent to develop a treatment process to reduce perchlorate and nitrate.

Elektroden aus Legierungen der Übergangsmetalle Vanadium, Titan und Niob und der reinen Metalle reagieren in Abhängigkeit von der Zusammensetzung und des mit ihnen im Kontakt stehenden wässrigen Elektrolyten in höchst unterschiedlicher Weise. Für eine systematische Untersuchung der elektrochemischen Eigenschaften der Elektroden wurden neben den reinen Metallen binäre und ternäre Legierungen aus Vanadium, Titan und Niob, die jeweils Vanadium enthalten, hergestellt. Es wurden zum ersten Mal zusammenhängend ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften durch Strukturuntersuchungen und Untersuchungen der Zusammensetzung der Oberfläche sowie der Morphologie bestimmt. Von den, sich mit einer halbleitenden Oxidschicht überziehenden Metallen, wurden die Halbleitereigenschaften im Elektrolytkontakt studiert, die grundlegenden Korrosionseigenschaften sowie ihr elektrochemisches Verhalten als Elektrodenmaterial in potentiometrischen Zellen und durch Strom-Spannungsmessungen bestimmt. Zur Aufklärung der Kinetik der Oxidschichtbildung wurden potentiostatische Stromtransienten ermittelt und mit bekannten Modellen verglichen.

Energy storage devices are generally evaluated on two main requirements; power and energy. In supercapacitors these two performance criteria are altered by the capacitance, resistance and voltage. (For complete abstract open document)

La corrosion de l'acier dans le béton est un phénomène de dégradation majeur des structures en béton armé, qui débute par la dépassivation de l'acier due à l'abaissement du pH de la solution interstitielle et se concrétise par l'initiation de la corrosion par piqûres. Pour y remédier des inhibiteurs de corrosion peuvent être ajoutés dans la formulation du béton. Lors de ce travail, l'influence de la composition chimique de la solution interstitielle de bétons jeunes (quelques minutes après gâchage du ciment) sur la qualité du film d'oxydes formé sur la surface d'un acier doux C15 généralement employé comme armature métallique dans les bétons de constructions a été évaluée. Pour ce faire, des mesures électrochimiques (suivi du potentiel libre de corrosion Ecorr en fonction du temps d'immersion, courbes de polarisation et spectroscopie d'impédance électrochimique) ont été combinées à des analyses de surface (XPS) ainsi que des analyses de réflectométrie, à différents potentiels anodiques et cathodiques. Dans un premier temps, les résultats obtenus dans les différentes solutions interstitielles synthétiques (CEM I, II et III ; E/C = 0,45), ont été comparés à ceux obtenus dans une solution de référence NaOH 0,1 M, à pH = 13, simulant l'environnement basique des armatures métalliques. Dans un second temps, les mesures électrochimiques ainsi que les analyses de surface par XPS ont été réalisées en présence de 10% en volume de bioadjuvant. Lors de ce travail un nouveau mélange organique produit par la bactérie Pseudomonas a été testé. L'effet de l'ajout de ce dernier en solution comportant des chlorures a été évalué afin d'étudier son efficacité en conditions de corrosion localisée / Reinforcing steel in concrete is usually passivated due to the formation of a protective oxide layer that remains stable in the high alkaline surrounding pore solution. However, carbonation and contamination with chlorides induce passive film breakdown and pitting corrosion initiation. Thus, corrosion inhibitors can be added to fresh concrete as admixtures. In this work, we used a new eco-friendly bio-admixture (BA), produced by a Gram-negative bacteria (Pseudomonas). BA was added at concentration of 10 v/v % to various simulated electrolytes representative of concrete pore solutions (CPS) extracted from different concrete mixtures (CEM I, CEM II and CEM III; w/c = 0.45). The objectives of this work were to study the influence of (1) the chemical composition of CPS and (2) the bio-admixture on the electrochemical behaviour and the surface chemical composition of C15 carbon steel, used for reinforcement of building concrete. For that purpose, electrochemical measurements (corrosion potential Ecorr as a function of time, polarization curves, electrochemical impedance spectroscopy) were performed first in 0.1 M NaOH reference solution to understand the electrochemical behaviour of C15 mild steel by and then compared to those obtained in simulated CPS without or with BA. The pH of the synthetic CPS was adjusted to 13. The electrochemical results were combined to surface analysis by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and surface reflectivity. Experiments were also carried out in chlorides solution in order to study the effect of BA in localized corrosion conditions.

En réponse aux opérations futures d’assainissement des installations nucléaires, la décontamination par ablation laser de surfaces métalliques apparait comme une technique adaptée aux enjeux sanitaires et économiques actuels. L’objectif est d’ablater par un faisceau laser de façon préférentielle la surface oxydée contenant des radioéléments et de récupérer les éléments vaporisés pour pouvoir isoler la contamination radioactive en vue de son stockage. A la différence des techniques existantes comme le ponçage ou le traitement chimique par gel ou mousse, le traitement laser permet de ne pas produire de déchets secondaires et de pouvoir être effectué à distance en diminuant considérablement la dose reçue par les opérateurs. Le retour d’expérience a montré la nécessité d’optimiser le procédé en vue de limiter la contamination résiduelle. Les phénomènes responsables de cette limitation et identifiés dans la littérature sont la pénétration des contaminants dans le substrat métallique par effet thermiques induits par laser et le piégeage des radionucléides dans des défauts de surface micrométriques. Les travaux de thèse auront donc comme objectifs d’étudier et d’optimiser la décontamination de surfaces métalliques avec des couches d’oxydes contaminées de façon volumique avec un simulant de radionucléide (Eu) par ablation laser, en vue dans un second temps d’améliorer de l’efficacité de la technique au niveau des défauts surfaciques. Enfin, au-delà de la démarche expérimentale, cette thèse vise à contribuer à la compréhension de l’interaction laser/matière dans le cadre de notre étude via la simulation du chauffage de surface métallique par modélisation multi physique. / The preparation of future decommissioning of nuclear installations is currently facing economical and sanitary challenges. The metallic-surface decontamination by laser ablation is here studied as an appropriate and efficient technique, which involves ejection of surface contamination by subjecting the surface to high-energy laser pulses followed by subsequent trapping to avoid environmental dispersion. This process has many advantages such as the minimization of secondary waste, no production of effluents and the reduction of the exposition of workers by the automation of the process. Previous studies highlighted the need to optimize the process in order to limit the residual contamination. The identified reasons for this limitation are the contamination penetration into the metal bulk induced by the laser treatment and the entrapment of the radionuclides in surface defects like micro cracks. The aim of this work is the study and the cleaning optimization of metallic surfaces with an oxide layer implemented with a non-radioactive contamination (Eu). Secondly, the cleaning efficiency has been improved in case of damaged surfaces with defects such as cracks. Beyond an experimental study, The ablation of a metallic substrate with a submicrometric oxide layer is currently modeled using a numerical and multiphysics approach in order to determine the mechanism involved during the process.

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Elektroden aus Legierungen der Übergangsmetalle Vanadium, Titan und Niob und der reinen Metalle reagieren in Abhängigkeit von der Zusammensetzung und des mit ihnen im Kontakt stehenden wässrigen Elektrolyten in höchst unterschiedlicher Weise. Für eine systematische Untersuchung der elektrochemischen Eigenschaften der Elektroden wurden neben den reinen Metallen binäre und ternäre Legierungen aus Vanadium, Titan und Niob, die jeweils Vanadium enthalten, hergestellt. Es wurden zum ersten Mal zusammenhängend ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften durch Strukturuntersuchungen und Untersuchungen der Zusammensetzung der Oberfläche sowie der Morphologie bestimmt. Von den, sich mit einer halbleitenden Oxidschicht überziehenden Metallen, wurden die Halbleitereigenschaften im Elektrolytkontakt studiert, die grundlegenden Korrosionseigenschaften sowie ihr elektrochemisches Verhalten als Elektrodenmaterial in potentiometrischen Zellen und durch Strom-Spannungsmessungen bestimmt. Zur Aufklärung der Kinetik der Oxidschichtbildung wurden potentiostatische Stromtransienten ermittelt und mit bekannten Modellen verglichen.

The amount of aluminium sheets in future body-in-white concepts is still on the rise. There is a need for optimizing the joining techniques, caused by the different characteristics compared to the established steel components. Especially the electrode life for resistance spot welding as a reliable and established process needs to be improved. One reason for the short electrode life when welding aluminium is the insulating effect of the aluminium oxide layer. One possibility to reduce the electrode wear is the mechanical destruction of the oxide layer before the welding. This paper describes the influence of a translational and rotational electrode movement on the electrode wear. The oxide layer destruction is detected by resistance measurement. It could be shown that the destruction of the oxide layer already occurs at low movements. However, a homogeneous, large-area destruction is necessary for a wear reduction.

Les verres métalliques massifs à base de zirconium, développés depuis la fin des années 80, présentent des propriétés mécaniques très intéressantes. Ils peuvent être envisagés pour de multiples applications y compris à des températures élevées et il est donc intéressant d’étudier leur résistance à l’oxydation dans de telles conditions. L’objectif fondamental de cette étude consiste à mieux comprendre le rôle de divers paramètre thermodynamiques et chimiques sur le comportement à l’oxydation des verres métalliques à base de zirconium à des températures intermédiaires sous air sec, à déterminer les contraintes résiduelles au sein de la couche d’oxyde formée, en comparaison avec des alliages amorphe cristallisés après un traitement de recuit. La cinétique d’oxydation de ces verres et la structure cristalline de la couche d’oxyde ZrO2 dépend de la température et de la durée d’oxydation : pour des durées courtes d’oxydation et pour une température légèrement inférieure à Tg, la cinétique d’évolution est parabolique alors que si l’échantillon est oxydé à T > Tg, la loi cinétique peut être décomposée en deux parties. Les mêmes alliages cristallisés après un traitement de recuit, s’oxydent selon une loi parabolique quelque soit la température. Pour des durées d’oxydation longues à une température proche de Tg, les lois cinétiques deviennent plus complexes et la cristallisation du verre métallique pouvant avoir lieu au cours des essais d’oxydation. De même la structure cristalline des couches d’oxyde dépend de la température d’oxydation. Ainsi, pour T < Tg, la couche d’oxyde des alliages amorphes est uniquement constituée de la zircone tétragonale alors que pour ces mêmes alliages portés à une température T > Tg et pour les alliages cristallisés, on observe de la zircone monoclinique. Les mécanismes d’oxydation dépendent de la température d’oxydation. Pour les températures où les alliages restent vitreux, la formation de l’oxyde est due à la fois à la diffusion des ions d’oxygène vers l’intérieur mais également à la diffusion des ions de zirconium vers l’extérieur de la couche. En revanche, pour les alliages en cours de cristallisation, la diffusion des ions de zirconium est progressivement freinée jusqu’à devenue nulle lorsque la cristallisation est totale, l’oxydation étant alors uniquement contrôlée par la diffusion interne des ions d’oxygène.Les contraintes résiduelles correspondantes au sein de couches d’oxyde sont de compression, aussi bien pour les alliages amorphes que pour les alliages cristallisés, et qu’elles augmentent linéairement avec l’épaisseur de la couche. Les contraintes de croissance lors de l’oxydation et résiduelle après l’oxydation sont fortement influencées par le changement de phase de la zircone. / The Zr-based bulk metallic glasses, developed since the late 1980s, have very interesting mechanical properties, which can be considered for many applications including working under oxidizing atmosphere conditions at high temperatures. It is therefore interesting to study their oxidation resistance and to characterize the oxide scale formed on alloys’ surface. The fundamental objective of this thesis is to enhance the understanding of the role of various thermodynamic and chemistry parameters on the oxidation behaviour of the Zr-based bulk metallic glasses at high temperature under dry air, to determine the residual stresses in the oxide layer, in comparison with their crystalline alloys with the same chemical composition after an annealing treatment. The oxidation kinetics of these glasses and the crystalline structure of oxide scale ZrO2 depend on the temperature and the oxidation duration: for short periods of oxidation or at a temperature below Tg, the kinetics follows a parabolic law, whereas, if the sample is oxidized at T > Tg, the kinetics can be divided into two parts. The crystalline counterparts are oxidized by a parabolic rule whatever the temperature; for long oxidation duration at a temperature close to Tg, the kinetics becomes more complex because of the crystallisation of the glasses during the oxidation tests. Also the crystalline structure of the oxide layers depends on the oxidation temperature: the oxide layer consists only in tetragonal Zirconia at T < Tg, while monoclinic Zirconia was formed at higher temperature. The mechanism of the formation of the oxide scale is due to both the interior diffusion of Oxygen ions and the external diffusion of Zirconium ions. However the diffusion of Zirconium ions slows gradually during the crystallisation process of the glass matrix. When the crystallisation is completed, the formation of Zirconia is controlled by only the internal diffusion of oxygen ions. The corresponding residual stresses existing in the oxide layer are compressive, both for the metallic glass and counterpart, and they increase linearly with the thickness of the oxide layer. The growth and residual stresses are strongly influenced by the phase transition of Zirconia during oxidation process.