Ba-DOPED ZnO MATERIALS: A DFT SIMULATION TO INVESTIGATE THE DOPING EFFECT ON FERROELECTRICITY

ZnO is a semiconductor material largely employed in the development of several electronic and optical devices due to its unique electronic, optical, piezo-, ferroelectric and structural properties. This study evaluates the properties of Ba-doped wurtzite-ZnO using quantum mechanical simulations based on the Density Functional Theory (DFT) allied to hybrid functional B3LYP. The Ba-doping caused increase in lattice parameters and slight distortions at the unit cell angle in a wurtzite structure. In addition, the doping process presented decrease in the band-gap (Eg) at low percentages suggesting band-gap engineering. For low doping amounts, the wavelength characteristic was observed in the visible range; whereas, for middle and high doping amounts, the wavelength belongs to the Ultraviolet range. The Ba atoms also influence the ferroelectric property, which is improved linearly with the doping amount, except for doping at 100% or wurtzite-BaO. The ferroelectric results indicate the ZnO:Ba is an strong option to replace perovskite materials in ferroelectric and flash-type memory devices.

Defects in Persistent Luminescence Materials

Persistent luminescence materials can store energy from solar radiation or artificial lighting and release it over a period of several hours without a continuous excitation source. These materials are widely used to improve human safety in emergency and traffic signalization. They can also be utilized in novel applications including solar cells, medical diagnostics, radiation detectors and structural damage sensors. The development of these materials is currently based on methods based on trial and error. The tailoring of new materials is also hindered by the lack of knowledge on the role of their intrinsic and extrinsic lattice defects in the appropriate mechanisms. The goal of this work was to clarify the persistent luminescence mechanisms by combining ab initio density functional theory (DFT) calculations with selected experimental methods. The DFT approach enables a full control of both the nature of the defects and their locations in the host lattice. The materials studied in the present work, the distrontium magnesium disilicate (Sr₂MgSi₂O₇) and strontium aluminate (SrAl₂O₄) are among the most efficient persistent luminescence hosts when doped with divalent europium Eu²⁺ and co-doped with trivalent rare earth ions R³⁺ (R: Y, La-Nd, Sm, Gd-Lu). The polycrystalline materials were prepared with the solid state method and their structural and phase purity was confirmed by X-ray powder diffraction. Their local crystal structure was studied by high-resolution transmission electron microscopy. The crystal and electronic structure of the nondoped as well as Eu²⁺, R^2+/3+ and other defect containing materials were studied using DFT calculations. The experimental trap depths were obtained using thermoluminescence (TL) spectroscopy. The emission and excitation of Sr₂MgSi₂O₇:Eu²+,Dy³⁺ were also studied. Significant modifications in the local crystal structure due to the Eu²⁺ ion and lattice defects were found by the experimental and DFT methods. The charge compensation effects induced by the R³⁺ co-doping further increased the number of defects and distortions in the host lattice. As for the electronic structure of Sr₂MgSi₂O₇ and SrAl₂O₄, the experimental band gap energy of the host materials was well reproduced by the calculations. The DFT calculated Eu²⁺ and R^2+/3+ 4fn as well as 4f^n-15d¹ ground states in the Sr₂MgSi₂O₇ band structure provide an independent verification for an empirical model which is constructed using rather sparse experimental data for the R³⁺ and especially the R²⁺ ions. The intrinsic and defect induced electron traps were found to act together as energy storage sites contributing to the materials’ efficient persistent luminescence. The calculated trap energy range agreed with the trap structure of Sr₂MgSi₂O₇ obtained using TL measurements. More experimental studies should be carried out for SrAl₂O₄ to compare with the DFT calculations. The calculated and experimental results show that the electron traps created by both the rare earth ions and vacancies are modified due to the defect aggregation and charge compensation effects. The relationships between this modification and the energy storage properties of the solid state materials are discussed.

Theoretical Analysis and Numerical Simulation of Spectral Radiative Properties of Combustion Gases in Oxy/Air-Fired Combustion Systems

Energy efficiency is one of the major objectives which should be achieved in order to implement the limited energy resources of the world in a sustainable way. Since radiative heat transfer is the dominant heat transfer mechanism in most of fossil fuel combustion systems, more accurate insight and models may cause improvement in the energy efficiency of the new designed combustion systems. The radiative properties of combustion gases are highly wavelength dependent. Better models for calculating the radiative properties of combustion gases are highly required in the modeling of large scale industrial combustion systems. With detailed knowledge of spectral radiative properties of gases, the modeling of combustion processes in the different applications can be more accurate. In order to propose a new method for effective non gray modeling of radiative heat transfer in combustion systems, different models for the spectral properties of gases including SNBM, EWBM, and WSGGM have been studied in this research. Using this detailed analysis of different approaches, the thesis presents new methods for gray and non gray radiative heat transfer modeling in homogeneous and inhomogeneous H2O–CO2 mixtures at atmospheric pressure. The proposed method is able to support the modeling of a wide range of combustion systems including the oxy-fired combustion scenario. The new methods are based on implementing some pre-obtained correlations for the total emissivity and band absorption coefficient of H2O–CO2 mixtures in different temperatures, gas compositions, and optical path lengths. They can be easily used within any commercial CFD software for radiative heat transfer modeling resulting in more accurate, simple, and fast calculations. The new methods were successfully used in CFD modeling by applying them to industrial scale backpass channel under oxy-fired conditions. The developed approaches are more accurate compared with other methods; moreover, they can provide complete explanation and detailed analysis of the radiation heat transfer in different systems under different combustion conditions. The methods were verified by applying them to some benchmarks, and they showed a good level of accuracy and computational speed compared to other methods. Furthermore, the implementation of the suggested banded approach in CFD software is very easy and straightforward.

Computational modeling of the properties of TiO2 nanoparticles

In this study we discuss the electronic, structural, and optical properties of titanium dioxide nanoparticles, and also the properties of Ni(II) diimine dithiolato complexes as dyes in dye-sensitized TiO2 based solar cells. The abovementioned properties have been modeled by using computational codes based on the density functional theory. The results achieved show slight evidence on the structure-dependent band gap broadening, and clear blue-shifts in absorption spectra and refractive index functions of ultra-small TiO2 particles. It is also shown that these properties are strongly dependent on the shape of the nanoparticles. Regarding the Ni(II) diimine dithiolato complexes as dyes in dye-sensitized TiO2 based solar cells, it is shown that based on the experimental electrochemical investigation and DFT studies all studied diimine derivatives could serve as potential candidates for the light harvesting, but the e ciencies of the dyes studied are not very promising.

The Role of Structural Imperfections in Sr2FeMoO6 Thin Films

In this work, Sr2FeMoO6 (SFMO) thin films were studied with the main focus on their magnetic and magneto-transport properties. The fabrication process of pulsed laser deposited SFMO films was first optimized. Then the effects of strain, film thickness and substrate were thoroughly investigated. In addition to these external factors, the effect of intrinsic defects on the magnetic properties of SFMO were also clarified. Secondly, the magnetoresistivity mechanims of SFMO films were studied and a semiempirical model of the temperature dependence of resistivity was introduced. The films were grown on single crystal substrates using a ceramic target made with sol-gel method. The structural characterization of the films were carried out with X-ray diffraction, atomic force microscopy, transmission electron microscopy and high kinetic energy photoelectron spectroscopy. The magnetic properties were measured with SQUID magnetometer and the magneto-transport properties by magnetometer with a resistivity option. SFMO films with the best combination of structural and magnetic properties were grown in Ar atmosphere at 1050 °C . Their magnetic properties could not be improved by the ex situ post-annealing treatments aside from the treatments in ultra-high vacuum conditions. The optimal film thickness was found to be around 150 nm and only small improvement in the magnetic properties with decreasing strain was observed. Instead, the magnetic properties were observed to be highly dependent on the choice of the substrate due to the lattice mismatch induced defects, which are best avoided by using the SrTiO3 substrate. The large difference in the Curie temperature and the saturation magnetization between the SFMO thin film and polycrystalline bulk samples was connected to the antisite disorder and oxygen vacancies. Thus, the Curie temperature of SFMO thin films could be improved by increasing the amount of oxygen vacancies for example with ultra-high vacuum treatments or improving the B-site ordering by further optimization of the deposition parameters. The magneto-transport properties of SFMO thin films do not follow any conventional models, but the temperature dependence of resistivity was succesfully described with a model of two spin channel system. Also, evidences that the resistivity-temperature behaviour of SFMO thin films is dominated by the structural defects, which reduce the band gap in the majority spin band were found. Moreover, the magnetic field response of the resistivity in SFMO thin films were found to be superposition of different mechanisms that seems to be related to the structural changes in the film.

Étude, par principes premiers, des effets de la corrélation entre électrons sur les propriétés électroniques et magnétiques de polymères pontés et de supraconducteurs à haute température critique

La présente thèse traite de la description de systèmes complexes, notamment des polymères et des cuprates, par la théorie de la fonctionnelle de la densité. En premier lieu, la théorie de la fonctionnelle de la densité ainsi que différentes fonctionnelles utilisées pour simuler les matériaux à l’étude sont présentées. Plus spécifiquement, les fonctionnelles LDA et GGA sont décrites et leurs limites sont exposées. De plus, le modèle de Hubbard ainsi que la fonctionnelle LDA+U qui en découle sont abordés dans ce chapitre afin de permettre la simulation des propriétés de matériaux à forte corrélation électronique. Par la suite, les résultats obtenus sur les polymères sont résumés par deux articles. Le premier traite de la variation de la bande interdite entre les polymères pontés et leurs homologues non pontés. Le second se penche sur l’étude de polymères à faible largeur de bande interdite. Dans ce dernier, il sera démontré qu’une fonctionnelle hybride, contenant de l’échange exact, est nécessaire afin de décrire les propriétés électroniques des systèmes à l’étude. Finalement, le dernier chapitre est consacré à l’étude des cuprates supraconducteurs. La LDA+U pouvant rendre compte de la forte localisation dans les orbitales 3d des atomes de cuivre, une étude de l’impact de cette fonctionnelle sur les propriétés électroniques est effectuée. Un dernier article investiguant différents ordres magnétiques dans le La2CuO4 dopé termine le dernier chapitre. On trouve aussi, en annexe, un complément d’information pour le second article et une description de la théorie de la supraconductivité de Bardeen, Cooper et Schrieffer.

Synthèse de nouveaux matériaux conducteurs comportant des unités aromatiques conjuguées et analyse de leurs propriétés physico-chimiques

Les matériaux conjugués ont fait l’objet de beaucoup de recherches durant les dernières années. Les nouveaux matériaux présentent des propriétés intéressantes que ce soit au niveau optique, électrique, mécanique ou même les trois en même temps. La synthèse reste la difficulté principale dans la fabrication de dispositifs électroniques. Les méthodes utilisées pour y parvenir sont l’électropolymérisation, le couplage de Suzuki ou de Wittig. Ces techniques comportent encore de nombreuses contraintes et s’avèrent difficilement réalisables à grande échelle. Les thiophènes, les pyrroles et les furanes ont démontré une bonne conductibilité et une bande de conduction basse due à une conjugaison accrue. L’objectif ici est de synthétiser des oligomères principalement composés de thiophènes dans le but d’en caractériser les propriétés spectroscopiques, électrochimiques et de conduction. La synthèse est souvent l’étape délicate de la fabrication de matériaux conjugués. Nous présentons ici une méthode de synthèse simple par modules avec des unités hétérocycliques. Les modules complémentaires sont attachés par condensation entre un aldéhyde et une amine menant à la formation d’un lien robuste, l’azomethine. Les résultats des propriétés photophysiques et électrochimiques de ces matériaux conjugués seront présentés. En ayant recours à différents groupes électrodonneurs et électroaccepteurs, en variant le degré de conjugaison ou en utilisant différents hétérocycles, les propriétés spectroscopiques, électrochimiques et de bande de conduction peuvent être adaptées à volonté, ce qui en fait des matériaux aux propriétés modelables. Ces nouvelles molécules seront analysées pour en déceler les propriétés recherchées dans la fabrication d’OLED. Nous explorerons les domaines de l’oxidation electrochimique réversible et de la polymérisation menant à la fabrication de quelques prototypes simples.

WiMAX ou l’évolution des réseaux sans-fil ?

L'adoption des technologies de réseaux sans-fil de type WiFi a connu une croissance impressionnante ces dernières années. Cette vague de popularité ne semble pas vouloir s'estomper, il est estimé que 84 millions d’appareils seront vendus en 2007 totalisant des revenus de 3.7 milliards de dollars. Devant cette forte demande, les fabricants d’appareils de télécommunications ont songés à développer des produits encore plus performants. Appuyé par la norme IEEE 802.16, un consortium du nom de WiMAX Forum a regroupé 350 membres dans le but de promouvoir des produits standardisés portant la marque WiMAX. À l'inverse des premières versions du WiFi, le WiMAX sera doté de mécanismes de sécurité beaucoup plus fiables. L'avantage du WiMAX, comme pour plusieurs de ses concurrents, repose sur sa capacité d'opérer sur une large bande de fréquences, réglementées ou non. Sa portée théorique de 50 Km et son débit escompté de 75 Mbit/s a capté l'attention des fournisseurs de services qui cherchent à réduire leurs coûts d'exploitations mais également de divers organismes gouvernementaux qui espèrent améliorer les services de communications dans les communautés des régions éloignées. Grâce à l'appui du ministre des Affaires indiennes et du nord canadien, le territoire du Nunavut a mis sur pied un réseau à large bande qui dessert actuellement l’ensemble de ses 29 communautés sur tout son territoire. La possibilité de couvrir une superficie de plusieurs kilomètres ramène à la surface le concept d’omniprésence ou de « Pervasive computing ». Cette notion représente l’intégration des technologies dans notre entourage afin de rendre nos interactions avec celle-ci plus naturelles. Nos déplacements dans cet environnement pourraient être facilités puisque les ordinateurs seraient en mesure de détecter et réagir à notre présence pour nous offrir des solutions personnalisées. Les déploiements de réseaux de type WiMAX sont déjà en cours dans plusieurs pays, d'après la situation actuelle du marché, il est envisageable de voir une forte adoption de cette forme de diffusion d’informations dans les prochaines années. Le présent document trace un résumé des applications liées au WiMAX et discute de certaines problématiques engendrées par ce type de réseau.

Calculs ab initio de structures électroniques pour un meilleur design de polymères photovoltaïques

La présente thèse porte sur l'utilité de la théorie de la fonctionnelle de la densité dans le design de polymères pour applications photovoltaïques. L'étude porte d'abord sur le rôle des calculs théoriques pour la caractérisation des polymères dans le cadre de collaborations entre la théorie et l'expérience. La stabilité et les niveaux énergétiques de certaines molécules organiques sont étudiés avant et après la sulfuration de leurs groupements carbonyles, un procédé destiné à diminuer le band gap. Les propriétés de dynamique électronique, de séparation des porteurs de charges et de spectres de vibrations Raman sont également explorées dans un polymère à base de polycarbazole. Par la suite, l'utilité des calculs théoriques dans le design de polymères avant leurs synthèses est considérée. La théorie de la fonctionnelle de la densité est étudiée dans le cadre du modèle de Scharber afin de prédire l'efficacité des cellules solaires organiques. Une nouvelle méthode de design de polymères à faible band gaps, basée sur la forme structurale aromatique ou quinoide est également présentée, dont l'efficacité surpasse l'approche actuelle de donneur-accepteur. Ces études sont mises à profit dans l'exploration de l'espace moléculaire et plusieurs candidats de polymères aux propriétés électroniques intéressantes sont présentés.

Points quantiques : caractérisation et applications en sciences pharmaceutiques

L’imagerie médicale a longtemps été limitée à cause des performances médiocres des fluorophores organiques. Récemment la recherche sur les nanocristaux semi-conducteurs a grandement contribué à l’élargissement de la gamme d’applications de la luminescence dans les domaines de l’imagerie et du diagnostic. Les points quantiques (QDs) sont des nanocristaux de taille similaire aux protéines (2-10 nm) dont la longueur d’onde d’émission dépend de leur taille et de leur composition. Le fait que leur surface peut être fonctionnalisée facilement avec des biomolécules rend leur application particulièrement attrayante dans le milieu biologique. Des QDs de structure « coeur-coquille » ont été synthétisés selon nos besoins en longueur d’onde d’émission. Dans un premier article nous avons modifié la surface des QDs avec des petites molécules bi-fonctionnelles portant des groupes amines, carboxyles ou zwitterions. L’effet de la charge a été analysé sur le mode d’entrée des QDs dans deux types cellulaires. À l’aide d’inhibiteurs pharmacologiques spécifiques à certains modes d’internalisation, nous avons déterminé le mode d’internalisation prédominant. L’endocytose par les radeaux lipidiques représente le mode d’entrée le plus employé pour ces QDs de tailles similaires. D’autres modes participent également, mais à des degrés moindres. Des disparités dans les modes d’entrée ont été observées selon le ligand de surface. Nous avons ensuite analysé l’effet de l’agglomération de différents QDs sur leur internalisation dans des cellules microgliales. La caractérisation des agglomérats dans le milieu de culture cellulaire a été faite par la technique de fractionnement par couplage flux-force (AF4) associé à un détecteur de diffusion de la lumière. En fonction du ligand de surface et de la présence ou non de protéines du sérum, chacun des types de QDs se sont agglomérés de façon différente. À l'aide d’inhibiteur des modes d’internalisation, nous avons corrélé les données de tailles d’agglomérats avec leur mode d’entrée cellulaire. Les cellules microgliales sont les cellules immunitaires du système nerveux central (CNS). Elles répondent aux blessures ou à la présence d’inflammagènes en relâchant des cytokines pro-inflammatoires. Une inflammation non contrôlée du CNS peut conduire à la neurodégénérescence neuronale et est souvent observée dans les cas de maladies chroniques. Nous nous sommes intéressés au développement d’un nanosenseur pour mesurer des biomarqueurs du début de l’inflammation. Les méthodes classiques pour étudier l’inflammation consistent à mesurer le niveau de protéines ou molécules relâchées par les cellules stressées (par exemple monoxyde d’azote, IL-1β). Bien que précises, ces méthodes ne mesurent qu’indirectement l’activité de la caspase-1, responsable de la libération du l’IL-1β. De plus ces méthode ne peuvent pas être utilisées avec des cellules vivantes. Nous avons construit un nanosenseur basé sur le FRET entre un QD et un fluorophore organique reliés entre eux par un peptide qui est spécifiquement clivé par la caspase-1. Pour induire l’inflammation, nous avons utilisé des molécules de lipopolysaccharides (LPS). La molécule de LPS est amphiphile. Dans l’eau le LPS forme des nanoparticules, avec des régions hydrophobes à l’intérieure. Nous avons incorporé des QDs dans ces régions ce qui nous a permis de suivre le cheminement du LPS dans les cellules microgliales. Les LPS-QDs sont internalisés spécifiquement par les récepteurs TLR-4 à la surface des microglies. Le nanosenseur s’est montré fonctionnel dans la détermination de l’activité de la caspase-1 dans cellules microgliales activées par le LPS. Éventuellement, le senseur permettrait d’observer en temps réel l’effet de thérapies ciblant l’inflammation, sur l’activité de la caspase-1.

L’opinion des Canadiens et des Américains au sujet des changements climatiques: un écart important?

Cette note présente des résultats de deux importants sondages menés en parallèle dans les deux pays. Au Canada, nos données sont tirées du plus récent Canadian Survey on Energy and the Environment (CSEE, Lachapelle et al. 2015) et aux États-Unis, nous rapportons les résultats du National Survey on Energy and the Environment (NSEE). Réalisés au mois de septembre 2015, ces deux sondages ont soumis les mêmes questions à des échantillons représentatifs des populations du Canada et des États-Unis.

Preparation and characterisation of certain II-VI, I-III-VI2 semiconductor thin films and transparent conducting oxides

There is an increasing demand for renewable energies due to the limited availability of fossil and nuclear fuels and due to growing environmental problems. Photovoltaic (PV) energy conversion has the potential to contribute significantly to the electrical energy generation in the future. Currently, the cost for photovoltaic systems is one of the main obstacles preventing production and application on a large scale. The photovoltaic research is now focused on the development of materials that will allow mass production without compromising on the conversion efficiencies. Among important selection criteria of PV material and in particular for thin films, are a suitable band gap, high absorption coefficient and reproducible deposition processes capable of large-volume and low cost production. The chalcopyrite semiconductor thin films such as Copper indium selenide and Copper indium sulphide are the materials that are being intensively investigated for lowering the cost of solar cells. Conversion efficiencies of 19 % have been reported for laboratory scale solar cell based on CuInSe2 and its alloys. The main objective of this thesis work is to optimise the growth conditions of materials suitable for the fabrication of solar cell, employing cost effective techniques. A typical heterojunction thin film solar cell consists of an absorber layer, buffer layer and transparent conducting contacts. The most appropriate techniques have been used for depositing these different layers, viz; chemical bath deposition for the window layer, flash evaporation and two-stage process for the absorber layer, and RF magnetron sputtering for the transparent conducting layer. Low cost experimental setups were fabricated for selenisation and sulphurisation experiments, and the magnetron gun for the RF sputtering was indigenously fabricated. The films thus grown were characterised using different tools. A powder X-ray diffractometer was used to analyse the crystalline nature of the films. The energy dispersive X-ray analysis (EDX) and scanning electron microscopy i (SEM) were used for evaluating the composition and morphology of the films. Optical properties were investigated using the UV-Vis-NIR spectrophotometer by recording the transmission/absorption spectra. The electrical properties were studied using the two probe and four probe electrical measurements. Nature of conductivity of the films was determined by thermoprobe and thermopower measurements. The deposition conditions and the process parameters were optimised based on these characterisations.

Synthesis of ZnO nanoparticles by hydrothermal method

Stable, OH free zinc oxide (ZnO) nanoparticles were synthesized by hydrothermal method by varying the growth temperature and concentration of the precursors. The formation of ZnO nanoparticles were confirmed by x-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM) and selected area electron diffraction (SAED) studies. The average particle size have been found to be about 7-24 nm and the compositional analysis is done with inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy (ICP-AES). Diffuse reflectance spectroscopy (DRS) results shows that the band gap of ZnO nanoparticles is blue shifted with decrease in particle size. Photoluminescence properties of ZnO nanoparticles at room temperature were studied and the green photoluminescent emission from ZnO nanoparticles can originate from the oxygen vacancy or ZnO interstitial related defects.

Transparent p-AgCoO2/n-ZnO diode heterojunction fabricated by pulsed laser deposition

Transparent diode heterojunction on ITO coated glass substrates was fabricated using p-type AgCoO2 and n-type ZnO films by pulsed laser deposition (PLD). The PLD of AgCoO2 thin films was carried out using the pelletized sintered target of AgCoO2 powder, which was synthesized in-house by the hydrothermal process. The band gap of these thin films was found to be ~3.89 eV and they had transmission of~55% in the visible spectral region. Although Hall measurements could only indicate mixed carrier type conduction but thermoelectric power measurements of Seebeck coefficient confirmed the p-type conductivity of the grown AgCoO2 films. The PLD grown ZnO films showed a band gap of ~3.28 eV, an average optical transmission of ~85% and n-type carrier density of~4.6×1019 cm− 3. The junction between p-AgCoO2 and n-ZnO was found to be rectifying. The ratio of forward current to the reverse current was about 7 at 1.5 V. The diode ideality factor was much greater than 2.

Optical and electrical properties of co-sputtered amorphous transparent conducting zinc indium tin oxide thin films

Highly conductive and transparent thin films of amorphous zinc indium tin oxide are prepared at room temperature by co-sputtering of zinc 10 oxide and indium tin oxide. Cationic contents in the films are varied by adjusting the power to the sputtering targets. Optical transmission study of 11 films showed an average transmission greater than 85% across the visible region. Maximum conductivity of 6×102 S cm−1 is obtained for Zn/In/ 12 Sn atomic ratio 0.4/0.4/0.2 in the film. Hall mobility strongly depends on carrier concentration and maximum mobility obtained is 18 cm2 V−1 s−1 13 at a carrier concentration of 2.1×1020 cm−3. Optical band gap of films varied from 3.44 eV to 3 eV with the increase of zinc content in the film 14 while the refractive index of the films at 600 nm is about 2.0.