An energy-efficient route to the rapid synthesis of organically-modified SBA-15 via ultrasonic template removal

A low energy route for the removal of Pluronic P123 surfactant template during the synthesis of SBA-15 mesoporous silicas is explored. The conventional reflux of the hybrid inorganic-organic intermediate formed during co-condensation routes to Pr-SOH-SBA-15 is slow, utilises large solvent volumes, and requires 24 h to remove ∼90% of the organic template. In contrast, room temperature ultrasonication in a small methanol volume achieves the same degree of template extraction in only 5 min, with a 99.9% energy saving and 90% solvent reduction, without compromising the textural, acidic or catalytic properties of the resultant Pr-SOH-SBA-15. © 2014 The Royal Society of Chemistry.

Adaptive control of hybrid battery energy storage systems under capacity fade

There is an increasing call for applications which use a mixture of batteries. These hybrid battery solutions may contain different battery types for example; using second life ex-transportation batteries in grid support applications or a combination of high power, low energy and low power, high energy batteries to meet multiple energy requirements or even the same battery types but under different states of health for example, being able to hot swap out a battery when it has failed in an application without changing all the batteries and ending up with batteries with different performances, capacities and impedances. These types of applications typically use multi-modular converters to allow hot swapping to take place without affecting the overall performance of the system. A key element of the control is how the different battery performance characteristics may be taken into account and the how the power is then shared among the different batteries in line with their performance. This paper proposes a control strategy which allows the power in the batteries to be effectively distributed even under capacity fade conditions using adaptive power sharing strategy. This strategy is then validated against a system of three different battery types connected to a multi-modular converter both with and without capacity fade mechanisms in place.

Extreme-Ultraviolet-Initated High-Order Harmonic Generation: Driving Inner-Valence Electrons Using Below-Threshold-Energy Extreme-Ultraviolet Light

We propose a novel scheme for resolving the contribution of inner- and outer-valence electrons in XUV-initiated high-harmonic generation in neon. By probing the atom with a low energy (below the 2s ionisation threshold) ultrashort XUV pulse, the 2p electron is steered away from the core, while the 2s electron is enabled to describe recollision trajectories. By selectively suppressing the 2p recollision trajectories we can resolve the contribution of the 2s electron to the high-harmonic spectrum. We apply the classical trajectory model to account for the contribution of the 2s electron, which allows for an intuitive understanding of the process.

Recent developments in the Thomson Parabola Spectrometer diagnostic for laser-driven multi-species ion sources

Ongoing developments in laser-driven ion acceleration warrant appropriate modifications to the standard Thomson Parabola Spectrometer (TPS) arrangement in order to match the diagnostic requirements associated to the particular and distinctive properties of laser-accelerated beams. Here we present an overview of recent developments by our group of the TPS diagnostic aimed to enhance the capability of diagnosing multi-species high-energy ion beams. In order to facilitate discrimination between ions with same Z / A , a recursive differential filtering technique was implemented at the TPS detector in order to allow only one of the overlapping ion species to reach the detector, across the entire energy range detectable by the TPS. In order to mitigate the issue of overlapping ion traces towards the higher energy part of the spectrum, an extended, trapezoidal electric plates design was envisaged, followed by its experimental demonstration. The design allows achieving high energy-resolution at high energies without sacrificing the lower energy part of the spectrum. Finally, a novel multi-pinhole TPS design is discussed, that would allow angularly resolved, complete spectral characterization of the high-energy, multi-species ion beams.

Conception et caractérisation d'un dosimètre à fibre scintillante pour des applications en imagerie diagnostique et interventionnelle

Cette thèse a pour sujet le développement d’un détecteur à fibre scintillante plastique pour la dosimétrie des faisceaux de photons de basses énergies. L’objectif principal du projet consiste à concevoir et caractériser cet instrument en vue de mesurer la dose de radiation reçue au cours des examens d’imagerie diagnostique et interventionnelle. La première section est consacrée à la conception de six différents systèmes et à l’évaluation de leur performance lorsqu’ils sont exposés à des rayonnements de hautes et basses énergies. Tous les systèmes évalués présentaient un écart type relatif (RSD) de moins de 5 % lorsqu’ils étaient exposés à des débits de dose de plus de 3 mGy/s. Cette approche systématique a permis de déterminer que le tube photomultiplicateur répondait le mieux aux conditions d’exposition propres à la radiologie. Ce dernier présentait une RSD de moins de 1 % lorsque le débit de dose était inférieur à 0.10 mGy/s. L’étude des résultats permis également de suggérer quelques recommandations dans le choix d’un système en fonction de l’application recherchée. La seconde partie concerne l’application de ce détecteur à la radiologie interventionnelle en procédant à des mesures de dose à la surface d’un fantôme anthropomorphique. Ainsi, plusieurs situations cliniques ont été reproduites afin d’observer la précision et la fiabilité du détecteur. Ce dernier conserva une RSD inférieure à 2 % lorsque le débit de dose était supérieur à 3 mGy/min et d’environ 10 % au débit le plus faible (0.25 mGy/min). Les mesures sur fantôme montrèrent une différence de moins de 4 % entre les mesures du détecteur et celles d’une chambre d’ionisation lors du déplacement de la table ou du bras de l’appareil de fluoroscopie. Par ailleurs, cette différence est demeurée sous les 2 % lors des mesures de débit de dose en profondeur. Le dernier sujet de cette thèse porta sur les fondements physiques de la scintillation dans les scintillateurs plastiques. Les différents facteurs influençant l’émission lumineuse ont été analysés afin d’identifier leur contribution respective. Ainsi, la réponse du détecteur augmente de près d’un facteur 4 entre un faisceau de 20 kVp et 250 kVp. De ce signal, la contribution de la fluorescence produite dans la fibre claire était inférieure à 0.5 % lorsque les fibres étaient exposées sur 10 cm par des faisceaux de 20 à 250 kVp. Le phénomène d’extinction de la fluorescence par ionisation a également été étudié. Ainsi, l’atténuation du signal variait en fonction de l’énergie du faisceau et atteignit environ 20 % pour un faisceau de 20 kVp. En conclusion, cette étude suggère que les détecteurs à fibres scintillantes peuvent mesurer avec précision la dose de radiation reçue en imagerie diagnostique et interventionnelle, mais une calibration rigoureuse s’avère essentielle.

High Precision Plasma Etch for Pattern Transfer: Towards Fluorocarbon Based Atomic Layer Etching

A basic requirement of a plasma etching process is fidelity of the patterned organic materials. In photolithography, a He plasma pretreatment (PPT) based on high ultraviolet and vacuum ultraviolet (UV/VUV) exposure was shown to be successful for roughness reduction of 193nm photoresist (PR). Typical multilayer masks consist of many other organic masking materials in addition to 193nm PR. These materials vary significantly in UV/VUV sensitivity and show, therefore, a different response to the He PPT. A delamination of the nanometer-thin, ion-induced dense amorphous carbon (DAC) layer was observed. Extensive He PPT exposure produces volatile species through UV/VUV induced scissioning. These species are trapped underneath the DAC layer in a subsequent plasma etch (PE), causing a loss of adhesion. Next to stabilizing organic materials, the major goals of this work included to establish and evaluate a cyclic fluorocarbon (FC) based approach for atomic layer etching (ALE) of SiO2 and Si; to characterize the mechanisms involved; and to evaluate the impact of processing parameters. Periodic, short precursor injections allow precise deposition of thin FC films. These films limit the amount of available chemical etchant during subsequent low energy, plasma-based Ar+ ion bombardment, resulting in strongly time-dependent etch rates. In situ ellipsometry showcased the self-limited etching. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) confirms FC film deposition and mixing with the substrate. The cyclic ALE approach is also able to precisely etch Si substrates. A reduced time-dependent etching is seen for Si, likely based on a lower physical sputtering energy threshold. A fluorinated, oxidized surface layer is present during ALE of Si and greatly influences the etch behavior. A reaction of the precursor with the fluorinated substrate upon precursor injection was observed and characterized. The cyclic ALE approach is transferred to a manufacturing scale reactor at IBM Research. Ensuring the transferability to industrial device patterning is crucial for the application of ALE. In addition to device patterning, the cyclic ALE process is employed for oxide removal from Si and SiGe surfaces with the goal of minimal substrate damage and surface residues. The ALE process developed for SiO2 and Si etching did not remove native oxide at the level required. Optimizing the process enabled strong O removal from the surface. Subsequent 90% H2/Ar plasma allow for removal of C and F residues.

Análisis teórico del contacto plasma-superficie y sus aplicaciones industriales

Actualmente, la física de plasmas constituye una parte importante de la investigación en física que está siendo desarrollada. Su campo de aplicación varía desde el estudio de plasmas interestelares y cósmicos, como las estrellas, las nebulosas, el medio intergaláctico, etc.; hasta aplicaciones más terrenales como la producción de microchips o los dispositivos de iluminación. Resulta particularmente interesante el estudio del contacto de una superficie metálica con un plasma. Siendo la razón que, la dinámica de la interfase formada entre un plasma imperturbado y una superficie metálica, resulta de gran importancia cuando se trata de estudiar problemas como: la implantación iónica en una oblea de silicio, el grabado por medio de plasmas, la carga de una aeronave cuando atraviesa la ionosfera y la diagnosis de plasmas mediante sondas de Langmuir. El uso de las sondas de Langmuir está extendido a través de multitud de aplicaciones tecnológicas e industriales como método de diagnosis de plasmas. Algunas de estas aplicaciones han sido mencionadas justo en el párrafo anterior. Es más, su uso también es muy popular en la investigación en física de plasmas, por ser una de las pocas técnicas de diagnosis que proporciona información local sobre el plasma. El equipamiento donde es habitualmente implementado varía desde plasmas de laboratorio de baja temperatura hasta plasmas de fusión en dispositivos como tokamaks o stellerators. La geometría más popular de este tipo de sondas es cilíndrica, y la principal magnitud que se usa para diagnosticar el plasma es la corriente recogida por la sonda cuando se encuentra polarizada a un cierto potencial. Existe un interes especial en diagnosticar por medio de la medida de la corriente iónica recogida por la sonda, puesto que produce una perturbación muy pequeña del plasma en comparación con el uso de la corriente electrónica. Dada esta popularidad, no es de extrañar que grandes esfuerzos se hayan realizado en la consecución de un modelo teórico que explique el comportamiento de una sonda de Langmuir inmersa en un plasma. Hay que remontarse a la primera mitad del siglo XX para encontrar las primeras teorías que permiten diagnosticar parámetros del plasma mediante la medida de la corriente iónica recogida por la sonda de Langmuir. Desde entonces, las mejoras en estos modelos y el desarrollo de otros nuevos ha sido una constante en la investigación en física de plasmas. No obstante, todavía no está claro como los iones se aproximan a la superficie de la sonda. Las dos principales, a la par que opuestas, aproximaciones al problema que están ampliamente aceptadas son: la radial y la orbital; siendo el problema que ambas predicen diferentes valores para la corriente iónica. Los experimentos han arrojado resultados de acuerdo con ambas teorías, la radial y la orbital; y lo que es más importante, una transición entre ambos ha sido recientemente observada. La mayoría de los logros conseguidos a la hora de comprender como los iones caen desde el plasma hacia la superficie de la sonda, han sido llevados a cabo en el campo de la dinámica de fluidos o la teoría cinética. Por otra parte, este problema puede ser abordado mediante el uso de simulaciones de partículas. La principal ventaja de las simulaciones de partículas sobre los modelos de fluidos o cinéticos es que proporcionan mucha más información sobre los detalles microscópicos del movimiento de las partículas, además es relativamente fácil introducir interacciones complejas entre las partículas. No obstante, estas ventajas no se obtienen gratuitamente, ya que las simulaciones de partículas requieren grandísimos recursos. Por esta razón, es prácticamente obligatorio el uso de técnicas de procesamiento paralelo en este tipo de simulaciones. El vacío en el conocimiento de las sondas de Langmuir, es el que motiva nuestro trabajo. Nuestra aproximación, y el principal objetivo de este trabajo, ha sido desarrollar una simulación de partículas que nos permita estudiar el problema de una sonda de Langmuir inmersa en un plasma y que está negativamente polarizada con respecto a éste. Dicha simulación nos permitiría estudiar el comportamiento de los iones en los alrededores de una sonda cilíndrica de Langmuir, así como arrojar luz sobre la transición entre las teorías radiales y orbitales que ha sido observada experimentalmente. Justo después de esta sección introductoria, el resto de la tesis está dividido en tres partes tal y como sigue: La primera parte está dedicada a establecer los fundamentos teóricos de las sondas de Langmuir. En primer lugar, se realiza una introducción general al problema y al uso de sondas de Langmuir como método de diagnosis de plasmas. A continuación, se incluye una extensiva revisión bibliográfica sobre las diferentes teorías que proporcionan la corriente iónica recogida por una sonda. La segunda parte está dedicada a explicar los detalles de las simulaciones de partículas que han sido desarrolladas a lo largo de nuestra investigación, así como los resultados obtenidos con las mismas. Esta parte incluye una introducción sobre la teoría que subyace el tipo de simulaciones de partículas y las técnicas de paralelización que han sido usadas en nuestros códigos. El resto de esta parte está dividido en dos capítulos, cada uno de los cuales se ocupa de una de las geometrías consideradas en nuestras simulaciones (plana y cilíndrica). En esta parte discutimos también los descubrimientos realizados relativos a la transición entre el comportamiento radial y orbital de los iones en los alrededores de una sonda cilíndrica de Langmuir. Finalmente, en la tercera parte de la tesis se presenta un resumen del trabajo realizado. En este resumen, se enumeran brevemente los resultados de nuestra investigación y se han incluido algunas conclusiones. Después de esto, se enumeran una serie de perspectivas futuras y extensiones para los códigos desarrollados.

Origine de la réduction de la durée de vie des photoporteurs dans le InGaAsP implanté à basse température

Un matériau semi-conducteur utilisé lors de la fabrication d’antennes térahertz (THz), le quaternaire InGaAsP (E_g = 0,79 eV), subit une implantation ionique de Fe suivi d’un recuit thermique rapide (RTA) dans le but d’améliorer ses propriétés d’émission. Le recuit est nécessaire afin de recristalliser la couche amorphisée lors de l’implantation, donnant lieu à un polycristal rempli de défauts de recristallisation. On constate cependant que les matériaux implantés Fe offrent de meilleures performances que ceux simplement endommagés au Ga. Dans le but de départager l’effet des défauts de recristallisation et des impuretés de Fe, des mesures de spectroscopie transitoire des niveaux profonds (DLTS) et de DLTS en courant (I-DLTS), ainsi que de spectrométrie de masse d’ions secondaires par temps de vol (ToF-SIMS) ont été effectuées sur des échantillons non implantés et d’autres recristallisés. Les mesures DLTS et I-DLTS ont pour but de caractériser les niveaux profonds générés par ces deux procédures postcroissance, tout en identifiant le rôle que jouent les impuretés de Fe sur la formation de ces niveaux profonds. De plus, le voisinage des atomes de Fe dans le matériau recristallisé a été étudié à l’aide des mesures ToF-SIMS. Les mesures DLTS sur matériau recristallisé sont peu concluantes, car la mesure de capacité est faussée par la haute résistivité du matériau. Par contre, les mesures I-DLTS sur matériau recristallisé ont permis de conclure que les impuretés de Fe sont responsables de la formation d’une grande variété de niveaux d’énergie se trouvant entre 0,25 et 0,40 eV, alors que les défauts de structure induisent des niveaux de moins de 0,25 eV. La concentration de Fe est élevée par rapport au seuil de solubilité du Fe dans le matériau recristallisé. Il serait donc plausible que des agrégats de Fe se forment. Toutefois, cette hypothèse est infirmée par l'absence de pic aux masses correspondant à la molécule ^(56)Fe_2^+ sur les spectres ToF-SIMS. De plus, un modèle simple est utilisé afin d’estimer si certaines masses présentes sur les spectres ToF-SIMS correspondent à des liaisons non induites par la mesure dans le matériau recristallisé. Bien qu’aucune liaison avec le Ga et l'As n’est détectable, ce modèle n’exclut pas la possibilité de liens préférentiels avec l’In.

Origine de la réduction de la durée de vie des photoporteurs dans le InGaAsP implanté à basse température

Un matériau semi-conducteur utilisé lors de la fabrication d’antennes térahertz (THz), le quaternaire InGaAsP (E_g = 0,79 eV), subit une implantation ionique de Fe suivi d’un recuit thermique rapide (RTA) dans le but d’améliorer ses propriétés d’émission. Le recuit est nécessaire afin de recristalliser la couche amorphisée lors de l’implantation, donnant lieu à un polycristal rempli de défauts de recristallisation. On constate cependant que les matériaux implantés Fe offrent de meilleures performances que ceux simplement endommagés au Ga. Dans le but de départager l’effet des défauts de recristallisation et des impuretés de Fe, des mesures de spectroscopie transitoire des niveaux profonds (DLTS) et de DLTS en courant (I-DLTS), ainsi que de spectrométrie de masse d’ions secondaires par temps de vol (ToF-SIMS) ont été effectuées sur des échantillons non implantés et d’autres recristallisés. Les mesures DLTS et I-DLTS ont pour but de caractériser les niveaux profonds générés par ces deux procédures postcroissance, tout en identifiant le rôle que jouent les impuretés de Fe sur la formation de ces niveaux profonds. De plus, le voisinage des atomes de Fe dans le matériau recristallisé a été étudié à l’aide des mesures ToF-SIMS. Les mesures DLTS sur matériau recristallisé sont peu concluantes, car la mesure de capacité est faussée par la haute résistivité du matériau. Par contre, les mesures I-DLTS sur matériau recristallisé ont permis de conclure que les impuretés de Fe sont responsables de la formation d’une grande variété de niveaux d’énergie se trouvant entre 0,25 et 0,40 eV, alors que les défauts de structure induisent des niveaux de moins de 0,25 eV. La concentration de Fe est élevée par rapport au seuil de solubilité du Fe dans le matériau recristallisé. Il serait donc plausible que des agrégats de Fe se forment. Toutefois, cette hypothèse est infirmée par l'absence de pic aux masses correspondant à la molécule ^(56)Fe_2^+ sur les spectres ToF-SIMS. De plus, un modèle simple est utilisé afin d’estimer si certaines masses présentes sur les spectres ToF-SIMS correspondent à des liaisons non induites par la mesure dans le matériau recristallisé. Bien qu’aucune liaison avec le Ga et l'As n’est détectable, ce modèle n’exclut pas la possibilité de liens préférentiels avec l’In.

Insulator-to-metal transition in vanadium supersaturated silicon: variable-range hopping and Kondo effect signatures

We report the observation of the insulator-to-metal transition in crystalline silicon samples supersaturated with vanadium. Ion implantation followed by pulsed laser melting and rapid resolidification produce high quality single-crystalline silicon samples with vanadium concentrations that exceed equilibrium values in more than 5 orders of magnitude. Temperature-dependent analysis of the conductivity and Hall mobility values for temperatures from 10K to 300K indicate that a transition from an insulating to a metallic phase is obtained at a vanadium concentration between 1.1 × 10^(20) and 1.3 × 10^(21) cm^(−3) . Samples in the insulating phase present a variable-range hopping transport mechanism with a Coulomb gap at the Fermi energy level. Electron wave function localization length increases from 61 to 82 nm as the vanadium concentration increases in the films, supporting the theory of impurity band merging from delocalization of levels states. On the metallic phase, electronic transport present a dispersion mechanism related with the Kondo effect, suggesting the presence of local magnetic moments in the vanadium supersaturated silicon material.

Design of a wearable platform for PPG analysis with multicore low-power processor

Photoplethysmography (PPG) sensors allow for noninvasive and comfortable heart-rate (HR) monitoring, suitable for compact wearable devices. However, PPG signals collected from such devices often suffer from corruption caused by motion artifacts. This is typically addressed by combining the PPG signal with acceleration measurements from an inertial sensor. Recently, different energy-efficient deep learning approaches for heart rate estimation have been proposed. To test these new solutions, in this work, we developed a highly wearable platform (42mm x 48 mm x 1.2mm) for PPG signal acquisition and processing, based on GAP9, a parallel ultra low power system-on-chip featuring nine cores RISC-V compute cluster with neural network accelerator and 1 core RISC-V controller. The hardware platform also integrates a commercial complete Optical Biosensing Module and an ARM-Cortex M4 microcontroller unit (MCU) with Bluetooth low-energy connectivity. To demonstrate the capabilities of the system, a deep learning-based approach for PPG-based HR estimation has been deployed. Thanks to the reduced power consumption of the digital computational platform, the total power budget is just 2.67 mW providing up to 5 days of operation (105 mAh battery).

Understanding Red Blood Cell Parameters In The Context Of The Frailty Phenotype: Interpretations Of The Fibra (frailty In Brazilian Seniors) Study.

Frailty and anemia in the elderly appear to share a common pathophysiology associated with chronic inflammatory processes. This study uses an analytical, cross-sectional, population-based methodology to investigate the probable relationships between frailty, red blood cell parameters and inflammatory markers in 255 community-dwelling elders aged 65 years or older. The frailty phenotype was assessed by non-intentional weight loss, fatigue, low grip strength, low energy expenditure and reduced gait speed. Blood sample analyses were performed to determine hemoglobin level, hematocrit and reticulocyte count, as well as the inflammatory variables IL-6, IL-1ra and hsCRP. In the first multivariate analysis (model I), considering only the erythroid parameters, Hb concentration was a significant variable for both general frailty status and weight loss: a 1.0g/dL drop in serum Hb concentration represented a 2.02-fold increase (CI 1.12-3.63) in an individual's chance of being frail. In the second analysis (model II), which also included inflammatory cytokine levels, hsCRP was independently selected as a significant variable. Each additional year of age represented a 1.21-fold increase in the chance of being frail, and each 1-unit increase in serum hsCRP represented a 3.64-fold increase in the chance of having the frailty phenotype. In model II reticulocyte counts were associated with weight loss and reduced metabolic expenditure criteria. Our findings suggest that reduced Hb concentration, reduced RetAbs count and elevated serum hsCRP levels should be considered components of frailty, which in turn is correlated with sarcopenia, as evidenced by weight loss.

Enhanced response of the fricke solution doped with hematoporphyrin under X-rays irradiation

The vials filled with Fricke solutions were doped with increasing concentrations of Photogem®, used in photodynamic therapy. These vials were then irradiated with low-energy X-rays with doses ranging from 5 to 20 Gy. The conventional Fricke solution was also irradiated with the same doses. The concentration of ferric ions for the Fricke and doped-Fricke irradiated solutions were measured in a spectrophotometer at 220 to 340 nm. The results showed that there was an enhancement in the response of the doped-Fricke solution, which was proportional to the concentration of the photosensitizer. The use of such procedure for studying the radiosensitizing property of photosensitizers based on the production of free radicals is also discussed.

Radiocarbon geochronology of the sediments of the São Paulo Bight (southern Brazilian upper margin)

The aim of this work was to generate an inventory of the data on radiocarbon datings obtained from sediments of the São Paulo Bight (southern Brazilian upper margin) and to analyze the data in terms of Late Quaternary sedimentary processes and sedimentation rates. A total of 238 radiocarbon datings from materials collected using differents ampling procedures was considered for this work. The sedimentation rates varied from less than 2 to 68 cm.kyr-1. The highest sedimentation rate values were found in a low-energy (ría type) coastal system as well as in the upwelling zones of Santa Catarina and Cabo Frio. The lowest rates were found on the outer shelf and upper slopes. Our results confirm the strong dependency of the shelf currents, with an emphasis to the terrigenous input from the Río de La Plata outflow which is transported via the Brazilian Coastal Current, as well as of the coupled Brazil Current - Intermediate Western Boundary Current (BC-IWBC) dynamics on the sedimentary processes. At least three indicators ofthe paleo sea level were found at 12200 yr BP (conventional radiocarbon age) (103 meters below sea level - mbsl),8300-8800 cal yr BP (13 mbsl) and 7700-8100 cal yr BP (6 mbsl).