Détection et caractérisation de naines brunes et exoplanètes avec un filtre accordable pour applications dans l'espace

Cette thèse porte sur la capacité à détecter des compagnons de faible intensité en présence de bruit de tavelures dans le contexte de l’imagerie à haute gamme dynamique pour l’astronomie spatiale. On s’intéressera plus particulièrement à l’imagerie spectrale différentielle (ISD) obtenue en utilisant un étalon Fabry-Pérot comme filtre accordable. Les performances d’un tel filtre accordable sont présentées dans le cadre du Tunable Filter Imager (TFI), instrument conçu pour le télescope spatial James Webb (JWST). La capacité de l’étalon à supprimer les tavelures avec ISD est démontrée expérimentalement grâce à un prototype de l’étalon installé sur un banc de laboratoire. Les améliorations de contraste varient en fonction de la séparation, s’étendant d’un facteur 10 pour les séparations supérieures à 11 lambda/D jusqu’à un facteur 60 à 5 lambda/D. Ces résultats sont cohérents avec une étude théorique qui utilise un modèle basé sur la propagation de Fresnel pour montrer que les performances de suppression de tavelures sont limitées par le banc optique et non pas par l’étalon. De plus, il est démontré qu’un filtre accordable est une option séduisante pour l’imagerie à haute gamme dynamique combinée à la technique ISD. Une seconde étude basée sur la propagation de Fresnel de l’instrument TFI et du télescope, a permis de définir les performances de la technique ISD combinée avec un étalon pour l’astronomie spatiale. Les résultats prévoient une amélioration de contraste de l’ordre de 7 jusqu’à 100, selon la configuration de l’instrument. Une comparaison entre ISD et la soustraction par rotation a également été simulée. Enfin, la dernière partie de ce chapitre porte sur les performances de la technique ISD dans le cadre de l’instrument Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS), conçu pour remplacer TFI comme module scientifique à bord du Fine Guidance Sensor du JWST. Cent quatre objets localisés vers la région centrale de la nébuleuse d’Orion ont été caractérisés grâce à un spectrographe multi-objet, de basse résolution et multi-bande (0.85-2.4 um). Cette étude a relevé 7 nouvelles naines brunes et 4 nouveaux candidats de masse planétaire. Ces objets sont utiles pour déterminer la fonction de masse initiale sous-stellaire et pour évaluer les modèles atmosphériques et évolutifs futurs des jeunes objets stellaires et sous-stellaires. Combinant les magnitudes en bande H mesurées et les valeurs d’extinction, les objets classifiés sont utilisés pour créer un diagramme de Hertzsprung-Russell de cet amas stellaire. En accord avec des études antérieures, nos résultats montrent qu’il existe une seule époque de formation d’étoiles qui a débuté il y a environ 1 million d’années. La fonction de masse initiale qui en dérive est en accord avec des études antérieures portant sur d’autres amas jeunes et sur le disque galactique.

Apport de nouvelles techniques dans l’évaluation de patients candidats à une chirurgie d’épilepsie : résonance magnétique à haut champ, spectroscopie proche infrarouge et magnétoencéphalographie

L'épilepsie constitue le désordre neurologique le plus fréquent après les maladies cérébrovasculaires. Bien que le contrôle des crises se fasse généralement au moyen d'anticonvulsivants, environ 30 % des patients y sont réfractaires. Pour ceux-ci, la chirurgie de l'épilepsie s'avère une option intéressante, surtout si l’imagerie par résonance magnétique (IRM) cérébrale révèle une lésion épileptogène bien délimitée. Malheureusement, près du quart des épilepsies partielles réfractaires sont dites « non lésionnelles ». Chez ces patients avec une IRM négative, la délimitation de la zone épileptogène doit alors reposer sur la mise en commun des données cliniques, électrophysiologiques (EEG de surface ou intracrânien) et fonctionnelles (tomographie à émission monophotonique ou de positrons). La faible résolution spatiale et/ou temporelle de ces outils de localisation se traduit par un taux de succès chirurgical décevant. Dans le cadre de cette thèse, nous avons exploré le potentiel de trois nouvelles techniques pouvant améliorer la localisation du foyer épileptique chez les patients avec épilepsie focale réfractaire considérés candidats potentiels à une chirurgie d’épilepsie : l’IRM à haut champ, la spectroscopie proche infrarouge (SPIR) et la magnétoencéphalographie (MEG). Dans une première étude, nous avons évalué si l’IRM de haut champ à 3 Tesla (T), présentant théoriquement un rapport signal sur bruit plus élevé que l’IRM conventionnelle à 1,5 T, pouvait permettre la détection des lésions épileptogènes subtiles qui auraient été manquées par cette dernière. Malheureusement, l’IRM 3 T n’a permis de détecter qu’un faible nombre de lésions épileptogènes supplémentaires (5,6 %) d’où la nécessité d’explorer d’autres techniques. Dans les seconde et troisième études, nous avons examiné le potentiel de la SPIR pour localiser le foyer épileptique en analysant le comportement hémodynamique au cours de crises temporales et frontales. Ces études ont montré que les crises sont associées à une augmentation significative de l’hémoglobine oxygénée (HbO) et l’hémoglobine totale au niveau de la région épileptique. Bien qu’une activation contralatérale en image miroir puisse être observée sur la majorité des crises, la latéralisation du foyer était possible dans la plupart des cas. Une augmentation surprenante de l’hémoglobine désoxygénée a parfois pu être observée suggérant qu’une hypoxie puisse survenir même lors de courtes crises focales. Dans la quatrième et dernière étude, nous avons évalué l’apport de la MEG dans l’évaluation des patients avec épilepsie focale réfractaire considérés candidats potentiels à une chirurgie. Il s’est avéré que les localisations de sources des pointes épileptiques interictales par la MEG ont eu un impact majeur sur le plan de traitement chez plus des deux tiers des sujets ainsi que sur le devenir postchirurgical au niveau du contrôle des crises.

Localisation des aires cérébrales impliquées dans le rappel de mots : validation d’un protocole d’imagerie optique

Jusqu'à récemment, les patients souffrant d'épilepsie réfractaire aux traitements médicamenteux étaient destinés à un avenir incertain. Le recours à la chirurgie comme traitement alternatif offre l'espoir de mener un jour une vie normale. Pour déterminer si un patient peut bénéficier d’une intervention chirurgicale, une évaluation complète est cruciale. Les méthodes d’évaluation préchirurgicale ont connu des progrès importants au cours des dernières décennies avec le perfectionnement des techniques d’imagerie cérébrale. Parmi ces techniques, la spectroscopie proche infrarouge (SPIR), aussi connue sous le nom d’imagerie optique, présente de nombreux avantages (coût, mobilité du participant, résolution spatiale et temporelle, etc.). L’objectif principal de cette étude est de développer un protocole d'évaluation préchirurgicale de la mémoire. Une tâche de mémoire verbale incluant l’encodage, le rappel immédiat et le rappel différé de listes de mots a été administrée à dix adultes sains lors d’un enregistrement en imagerie optique. Les résultats obtenus suggèrent l’activation bilatérale des aires préfrontales antérieures et dorsolatérales ainsi que des aires temporales antérieures et moyennes. Les aires préfrontales et temporales antérieures semblent modulées par les différents processus mnésiques et la position du rappel dans le temps. La première fois qu’une liste est rappelée, l’activité hémodynamique est plus élevée que lors des rappels subséquents, et ce, davantage dans l’hémisphère gauche que dans l’hémisphère droit. Cette étude constitue la première étape dans le processus de validation du protocole à des fins cliniques auprès de patients épileptiques.

Impact d'un repas méditerranéen complet sur les fonctions métaboliques et endothéliales postprandiales en comparaison à un repas riche en acides gras saturés chez des hommes sains.

Contexte L’américanisation des habitudes de vie, notamment de l’alimentation, semble être en grande partie responsable de l’augmentation incessante de l’incidence élevée des maladies cardiovasculaires. La période postprandiale, où l’homéostasie vasculaire et métabolique est mise à l’épreuve, est d’une importance considérable dans le développement ou la prévention de l’athérosclérose et représente maintenant la majeure partie du temps d’éveil. La compréhension de l’influence de la composition d’un repas sur son impact postprandial est donc essentielle dans notre lutte dans la prévention de ces maladies. Objectifs L’objectif principal de ce projet de recherche était d’étudier les réponses endothéliale et métabolique à un repas de type méditerranéen mixte (MMM), puisqu’elles sont inconnues. Ce projet avait aussi pour objectifs d’évaluer l’impact microvasculaire d’un tel repas et de caractériser la composition postprandiale des acides gras plasmatiques. À titre comparatif, ces éléments ont aussi été étudiés suite à un repas riche en gras saturés (HSFAM). Méthodes Vingt-huit (28) hommes sains, exempts de facteurs de risque de maladies cardiovasculaires ont reçu de façon randomisée les deux repas à l’étude. Le MMM, composé de saumon frais et de légumes cuits dans l'huile d'olive, contenait 7.87g de SFA et 2.29g d’acides gras polyinsaturés oméga-3, tandis que le HSFAM, composé d'un sandwich déjeuner avec œuf, saucisse et fromage, contenait 14.78g de SFA. Les mesures de la fonction endothéliale mesurée par échographie brachiale (FMD), de la fonction microvasculaire mesurée par spectroscopie proche de l’infrarouge (NIRS) et de la composition des acides gras plasmatique ont été effectuées à jeun et en période postprandiale. Résultats Deux sous-groupes de répondeurs aux repas à l’étude se sont dégagés de ces travaux. Un premier sous-groupe de sujets ayant une triglycéridémie à jeun élevée, mais normale (hnTG) a démontré des altérations endothéliales seulement suivant le repas HSFAM. Un second sous-groupe de sujets ayant une triglycéridémie plus faible et normale (lnTG) n’a quant à lui pas subi d’altérations endothéliales suivant les deux repas à l’étude. Les sujets hnTG ont aussi démontré une charge triglycéridémique postprandiale (iAUC) plus importante et qui était de surcroît enrichie en acide stéarique suivant la HSFAM et en acide gras polyinsaturés oméga-3 suivant le MMM. L’évaluation par NIRS de la fonction microvasculaire nous révèle un ralentissement de la réoxygénation post-ischémique qui suggère une altération postprandiale du recrutement capillaire chez les sujets hnTG seulement. De telles altérations, qui semblent être plus importantes suivant le HSFAM, pourraient être en partie responsables de l’impact endothélial de ce repas. Conclusions Cet essai clinique démontre donc de façon novatrice qu’un repas MMM n’a pas d’effet endothélial délétère et que cette neutralité est indépendante de la triglycéridémie à jeun. De plus, une triglycéridémie à jeun élevée mais normale semble indiquer des dysfonctions endothéliales et métaboliques à des épreuves nutritionnelles tel un repas HSFAM. La consommation de repas méditerranéens par des individus sains à la triglycéridémie marginale serait bénéfique, peut-être même davantage que pour des individus de triglycéridémie plus faible, dans la prévention de l’athérogénèse et des maladies cardiovasculaires.

Détection de protéines par diffusion Raman exaltée par effet de pointe (TERS)

La concentration locale des messagers chimiques sécrétés par les cellules peut être mesurée afin de mieux comprendre les mécanismes moléculaires liés à diverses maladies, dont les métastases du cancer. De nouvelles techniques analytiques sont requises pour effectuer ces mesures locales de marqueurs biologiques à proximité des cellules. Ce mémoire présentera le développement d’une nouvelle technique basée sur la réponse plasmonique sur des leviers AFM, permettant d’étudier les réactions chimiques et biologiques à la surface des leviers grâce au phénomène de résonance des plasmons de surface (SPR), ainsi qu’à la diffusion Raman exaltée par effet de pointe (TERS). En effet, il est possible de localiser l’amplification du signal Raman à la pointe d’un levier AFM, tout comme le principe de la diffusion Raman exaltée par effet de surface (SERS) basée sur la diffusion de la lumière par des nanoparticules métalliques, et permettant une large amplification du signal Raman. La surface du levier est recouverte d’une nano-couche métallique d’or, suivi par des réactions biologiques pour l’immobilisation d’un récepteur moléculaire, créant ainsi un biocapteur sur la pointe du levier. Une détection secondaire utilisant des nanoparticules d’or conjuguées à un anticorps secondaire permet également une amplification du signal SPR et Raman lors de la détection d’antigène. Ce mémoire démontrera le développement et la validation de la détection de l’immunoglobuline G (IgG) sur la pointe du levier AFM.Dans des projets futurs, cette nouvelle technique d’instrumentation et d’imagerie sera optimisée grâce à la création d’un micro-détecteur protéique généralement adapté pour l’étude de la communication cellulaire. En intégrant le signal SPR à la microscopie AFM, il sera alors possible de développer des biocapteurs SPR couplés à une sonde à balayage, ce qui permettra d’effectuer une analyse topographique et de l’environnement chimique d’échantillons cellulaires en temps réel, pour la mesure des messagers moléculaires sécrétés dans la matrice extracellulaire, lors de la communication cellulaire.

Asymétries fonctionnelles du cortex visuel observées par spectroscopie proche de l’infrarouge fonctionnelle

Les objectifs de ce mémoire sont d’étudier la rétinotopie et les asymétries fonctionnelles du cortex visuel chez l’humain avec la spectroscopie proche de l’infrarouge fonctionnelle (SPIRf), tout en confirmant la fiabilité de cette technique. Tel qu’attendu, les résultats montrent une activation plus forte dans l’hémisphère controlatéral et dans le cortex haut/bas inverse à l’hémichamp stimulé. Nous avons également mesuré une activation significativement plus forte dans le cortex visuel supérieur (lorsque le champ visuel inférieur était stimulé) que l’activation dans le cortex visuel inférieur (lorsque le champ visuel supérieur était stimulé), surtout lorsque ces stimuli étaient présentés dans le champ visuel droit. Il s’agit de la première étude en SPIRf à observer les asymétries horizontale et verticale du cortex visuel et à ainsi confirmer l’existence de ces asymétries. Cette étude témoigne également de la fiabilité de la SPIRf comme technique d’imagerie pour cartographier le cerveau humain.

Hemodynamic changes during posterior epilepsies: an eeg-fnirs study

Posterior epilepsies are relatively rare, mainly suspected clinically by the presence of visual auras. Functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) is an emerging non-invasive imaging technique that has the potential to monitor hemodynamic changes during epileptic activity. Combined with electroencephalography (EEG), 9 patients with posterior epilepsies were recorded using EEG-fNIRS with large sampling (19 EEG electrodes and over 100 fNIRS channels). Spikes and seizures were carefully marked on EEG traces, and convolved with a standard hemodynamic response function for general linear model (GLM) analysis. GLM results for seizures (in 3 patients) and spikes (7 patients) were broadly sensitive to the epileptic focus in 7/9 patients, and specific in 5/9 patients with fNIRS deoxyhemoglobin responses lateralized to the correct lobe, and to plausible locations within the occipital or parietal lobes. This work provides evidence that EEG-fNIRS is a sensitive technique for monitoring posterior epileptic activity.

fNIRS-EEG study of focal interictal epileptiform discharges

Functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) acquired with electroencephalography (EEG) is a relatively new non-invasive neuroimaging technique with potential for long term monitoring of the epileptic brain. Simultaneous EEG-fNIRS recording allows the spatio-temporal reconstruction of the hemodynamic response in terms of the concentration changes in oxy-hemoglobin (HbO) and deoxy-hemoglobin (HbR) associated with recorded epileptic events such as interictal epileptic discharges (IEDs) or seizures. While most previous studies investigating fNIRS in epilepsy had limitations due to restricted spatial coverage and small sample sizes, this work includes a sufficiently large number of channels to provide an extensive bilateral coverage of the surface of the brain for a sample size of 40 patients with focal epilepsies. Topographic maps of significant activations due to each IED type were generated in four different views (dorsal, frontal, left and right) and were compared with the epileptic focus previously identified by an epileptologist. After excluding 5 patients due to the absence of IEDs and 6 more with mesial temporal foci too deep for fNIRS, we report that significant HbR (respectively HbO) concentration changes corresponding to IEDs were observed in 62% (resp. 38%) of patients with neocortical epilepsies. This HbR/HbO response was most significant in the epileptic focus region among all the activations in 28%/21% of patients.

La recherche de naines brunes et étoiles de faible masse dans les associations cinématiques jeunes du voisinage solaire

L’objectif principal de cette thèse est d’identifier les étoiles de faible masse et naines brunes membres d’associations cinématiques jeunes du voisinage solaire. Ces associations sont typiquement âgées de moins de 200 millions d’années et regroupent chacune un ensemble d’étoiles s’étant formées au même moment et dans un même environnement. La majorité de leurs membres d'environ plus de 0.3 fois la masse du Soleil sont déjà connus, cependant les membres moins massifs (et moins brillants) nous échappent encore. Leur identification permettra de lever le voile sur plusieurs questions fondamentales en astrophysique. En particulier, le fait de cibler des objets jeunes, encore chauds et lumineux par leur formation récente, permettra d’atteindre un régime de masses encore peu exploré, jusqu'à seulement quelques fois la masse de Jupiter. Elles nous permettront entre autres de contraindre la fonction de masse initiale et d'explorer la connection entre naines brunes et exoplanètes, étant donné que les moins massives des naines brunes jeunes auront des propriétés physiques très semblables aux exoplanètes géantes gazeuses. Pour mener à bien ce projet, nous avons adapté l'outil statistique BANYAN I pour qu'il soit applicable aux objets de très faibles masses en plus de lui apporter plusieurs améliorations. Nous avons entre autres inclus l'utilisation de deux diagrammes couleur-magnitude permettant de différencier les étoiles de faible masse et naines brunes jeunes à celles plus vieilles, ajouté l'utilisation de probabilités a priori pour rendre les résultats plus réalistes, adapté les modèles spatiaux et cinématiques des associations jeunes en utilisant des ellipsoïdes gaussiennes tridimensionnelles dont l'alignement des axes est libre, effectué une analyse Monte Carlo pour caractériser le taux de faux-positifs et faux-négatifs, puis revu la structure du code informatique pour le rendre plus efficace. Dans un premier temps, nous avons utilisé ce nouvel algorithme, BANYAN II, pour identifier 25 nouvelles candidates membres d'associations jeunes parmi un échantillon de 158 étoiles de faible masse (de types spectraux > M4) et naines brunes jeunes déjà connues. Nous avons ensuite effectué la corrélation croisée de deux catalogues couvrant tout le ciel en lumière proche-infrarouge et contenant ~ 500 millions d’objets célestes pour identifier environ 100 000 candidates naines brunes et étoiles de faible masse du voisinage solaire. À l'aide de l'outil BANYAN II, nous avons alors identifié quelques centaines d'objets appartenant fort probablement à une association jeune parmi cet échantillon et effectué un suivi spectroscopique en lumière proche-infrarouge pour les caractériser. Les travaux présentés ici ont mené à l'identification de 79 candidates naines brunes jeunes ainsi que 150 candidates étoiles de faible masse jeunes, puis un suivi spectroscopique nous a permis de confirmer le jeune âge de 49 de ces naines brunes et 62 de ces étoiles de faible masse. Nous avons ainsi approximativement doublé le nombre de naines brunes jeunes connues, ce qui a ouvert la porte à une caractérisation statistique de leur population. Ces nouvelles naines brunes jeunes représentent un laboratoire idéal pour mieux comprendre l'atmosphère des exoplanètes géantes gazeuses. Nous avons identifié les premiers signes d’une remontée dans la fonction de masse initiale des naines brunes aux très faibles masses dans l'association jeune Tucana-Horologium, ce qui pourrait indiquer que l’éjection d’exoplanètes joue un rôle important dans la composition de leur population. Les résultats du suivi spectroscopique nous ont permis de construire une séquence empirique complète pour les types spectraux M5-L5 à l'âge du champ, à faible (β) et très faible (γ) gravité de surface. Nous avons effectué une comparaison de ces données aux modèles d'évolution et d'atmosphère, puis nous avons construit un ensemble de séquences empiriques de couleur-magnitude et types spectraux-magnitude pour les naines brunes jeunes. Finalement, nous avons découvert deux nouvelles exoplanètes par un suivi en imagerie directe des étoiles jeunes de faible masse identifiées dans ce projet. La future mission GAIA et le suivi spectroscopique complet des candidates présentées dans cette thèse permettront de confirmer leur appartenance aux associations jeunes et de contraindre la fonction de masse initiale dans le régime sous-stellaire.

Multipole modes and spin features in the Raman spectrum of nanoscopic quantum rings

We present a systematic study of ground state and spectroscopic properties of many-electron nanoscopic quantum rings. Addition energies at zero magnetic field (B) and electrochemical potentials as a function of B are given for a ring hosting up to 24 electrons. We find discontinuities in the excitation energies of multipole spin and charge density modes, and a coupling between the charge and spin density responses that allow to identify the formation of ferromagnetic ground states in narrow magnetic field regions. These effects can be observed in Raman experiments, and are related to the fractional Aharonov-Bohm oscillations of the energy and of the persistent current in the ring

Photoluminescence studies on RF plasma-polymerized thin films

Conjugated polymers in the form of thin films play an important role in the field of materials science due to their interesting properties. Polymer thin films find extensive applications in the fabrication of devices, such as light emitting devices, rechargeable batteries, super capacitors, and are used as intermetallic dielectrics and EMI shieldings. Polymer thin films prepared by plasma-polymerization are highly cross-linked, pinhole free, and their permittivity lie in the ultra low k-regime. Electronic and photonic applications of plasma-polymerized thin films attracted the attention of various researchers. Modification of polymer thin films by swift heavy ions is well established and ion irradiation of polymers can induce irreversible changes in their structural, electrical, and optical properties. Polyaniline and polyfurfural thin films prepared by RF plasmapolymerization were irradiated with 92MeV silicon ions for various fluences of 1×1011 ions cm−2, 1×1012 ions cm−2, and 1×1013 ions cm−2. FTIR have been recorded on the pristine and silicon ion irradiated polymer thin films for structural evaluation. Photoluminescence (PL) spectra were recorded for RF plasma-polymerized thin film samples before and after irradiation. In this paper the effect of swift heavy ions on the structural and photoluminescence spectra of plasma-polymerized thin films are investigated.

Microwave exfoliated reduced graphene oxide epoxy nanocomposites for high performance applications

Graphene has captured the attention of scientific community due to recently emerging high performance applications. Hence, studying its reinforcing effects on epoxy resin is a significant step. In this study, microwave exfoliated reduced graphene oxide (MERGO) was prepared from natural graphite for subsequent fabrication of epoxy nanocomposites using triethylenetetramine (TETA) as a curing agent via insitu polymerization. Thermogravimetric analysis (TGA), X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), C13 NMR spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and ultravioletevisible (UVevis) spectroscopy were employed to confirm the simultaneous reduction and exfoliation of graphene oxide. The reinforcing effect of MERGO on epoxy resin was explored by investigating its static mechanical properties and dynamic mechanical analysis (DMA) at MERGO loadings of 0 to 0.5 phr. The micro-structure of epoxy/MERGO nanocomposites was investigated using scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscope (TEM) and XRD techniques. The present work reports an enhancement of 32%, 103% and 85% in tensile, impact and flexural strength respectively of epoxy by the addition of even 0.25 phr MERGO. At this loading elastic and flexural moduli also increased by 10% and 65%, respectively. Single-edge-notch three-point-Bending (SEN-TPB) fracture toughness (KIC) measurements were carried out where a 63% increase was observed by the introduction of 0.25 phr MERGO. The interfacial interactions brought about by graphene also benefited the dynamic mechanical properties to a large extent in the form of a significant enhancement in storage modulus and slightly improved glass transition temperature. Considerable improvements were also detected in dielectric properties. The epoxy nanocomposite also attained an ac conductivity of 10 5 S/m and a remarkable increase in dielectric constant. The simple and cost effective way of graphene synthesis for the fabrication of epoxy/MERGO nanocomposites may be extended to the preparation of other MERGO based polymer nanocomposites. This remarkable class of materials has thrown open enormous opportunities for developing conductive adhesives and in microelectronics

Synthesis and Photoluminescence Properties of Novel Red Phosphors for White Light Emitting Diode Applications

Several series of Eu3+ based red emitting phosphor materials were synthesized using solid state reaction route and their properties were characterized. The present studies primarily investigated the photoluminescence properties of Eu3+ in a family of closely related host structure with a general formula Ln3MO7. The results presented in the previous chapters throws light to a basic understanding of the structure, phase formation and the photoluminescence properties of these compounds and their co-relations. The variation in the Eu3+ luminescence properties with different M cations was studied in Gd3-xMO7 (M = Nb, Sb, Ta) system.More ordering in the host lattice and more uniform distribution of Eu3+ ions resulting in the increased emission properties were observed in tantalate system.Influence of various lanthanide ion (Lu, Y, Gd, La) substitutions on the Eu3+ photoluminescence properties in Ln3MO7 host structures was also studied. The difference in emission profiles with different Ln ions demonstrated the influence of long range ordering, coordination of cations and ligand polarizability in the emission probabilities, intensity and quantum efficiency of these phosphor materials. Better luminescence of almost equally competing intensities from all the 4f transitions of Eu3+ was noticed for La3TaO7 system. Photoluminescence properties were further improved in La3TaO7 : Eu3+ phosphors by the incorporation of Ba2+ ions in La3+ site. New red phosphor materials Gd2-xGaTaO7 : xEu3+ exhibiting intense red emissions under UV excitation were prepared. Optimum doping level of Eu3+ in these different host lattices were experimentally determined. Some of the prepared samples exhibited higher emission intensities than the standard Y2O3 : Eu3+ red phosphors. In the present studies, Eu3+ acts as a structural probe determining the coordination and symmetry of the atoms in the host lattice. Results from the photoluminescence studies combined with the powder XRD and Raman spectroscopy investigations helped in the determination of the correct crystal structures and phase formation of the prepared compounds. Thus the controversy regarding the space groups of these compounds could be solved to a great extent. The variation in the space groups with different cation substitutions were discussed. There was only limited understanding regarding the various influential parameters of the photoluminescence properties of phosphor materials. From the given studies, the dependence of photoluminescence properties on the crystal structure and ordering of the host lattice, site symmetries, polarizability of the ions, distortions around the activator ion, uniformity in the activator distribution, concentration of the activator ion etc. were explained. Although the presented work does not directly evidence any application, the materials developed in the studies can be used for lighting applications together with other components for LED lighting. All the prepared samples were well excitable under near UV radiation. La3TaO7 : 0.15Eu3+ phosphor with high efficiency and intense orange red emissions can be used as a potential red component for the realization of white light with better color rendering properties. Gd2GaTaO7 : Eu3+, Bi2+ red phosphors give good color purity matching to NTSC standards of red. Some of these compounds exhibited higher emission intensities than the standard Y2O3 : Eu3+ red phosphors. However thermal stability and electrical output using these compounds should be studied further before applications. Based on the studies in the closely related Ln3MO7 structures, some ideas on selecting better host lattice for improved luminescence properties could be drawn. Analyzing the CTB position and the number of emission splits, a general understanding on the doping sites can be obtained. These results could be helpful for phosphor designs in other host systems also, for enhanced emission intensity and efficiency.

New studies on the versatile roles of Polyaniline and its composites in polymer based optoelectronic and energy storage devices

From the early stages of the twentieth century, polyaniline (PANI), a well-known and extensively studied conducting polymer has captured the attention of scientific community owing to its interesting electrical and optical properties. Starting from its structural properties, to the currently pursued optical, electrical and electrochemical properties, extensive investigations on pure PANI and its composites are still much relevant to explore its potentialities to the maximum extent. The synthesis of highly crystalline PANI films with ordered structure and high electrical conductivity has not been pursued in depth yet. Recently, nanostructured PANI and the nanocomposites of PANI have attracted a great deal of research attention owing to the possibilities of applications in optical switching devices, optoelectronics and energy storage devices. The work presented in the thesis is centered around the realization of highly conducting and structurally ordered PANI and its composites for applications mainly in the areas of nonlinear optics and electrochemical energy storage. Out of the vast variety of application fields of PANI, these two areas are specifically selected for the present studies, because of the following observations. The non-linear optical properties and the energy storing properties of PANI depend quite sensitively on the extent of conjugation of the polymer structure, the type and concentration of the dopants added and the type and size of the nano particles selected for making the nanocomposites. The first phase of the work is devoted to the synthesis of highly ordered and conducting films of PANI doped with various dopants and the structural, morphological and electrical characterization followed by the synthesis of metal nanoparticles incorporated PANI samples and the detailed optical characterization in the linear and nonlinear regimes. The second phase of the work comprises the investigations on the prospects of PANI in realizing polymer based rechargeable lithium ion cells with the inherent structural flexibility of polymer systems and environmental safety and stability. Secondary battery systems have become an inevitable part of daily life. They can be found in most of the portable electronic gadgets and recently they have started powering automobiles, although the power generated is low. The efficient storage of electrical energy generated from solar cells is achieved by using suitable secondary battery systems. The development of rechargeable battery systems having excellent charge storage capacity, cyclability, environmental friendliness and flexibility has yet to be realized in practice. Rechargeable Li-ion cells employing cathode active materials like LiCoO2, LiMn2O4, LiFePO4 have got remarkable charge storage capacity with least charge leakage when not in use. However, material toxicity, chance of cell explosion and lack of effective cell recycling mechanism pose significant risk factors which are to be addressed seriously. These cells also lack flexibility in their design due to the structural characteristics of the electrode materials. Global research is directed towards identifying new class of electrode materials with less risk factors and better structural stability and flexibility. Polymer based electrode materials with inherent flexibility, stability and eco-friendliness can be a suitable choice. One of the prime drawbacks of polymer based cathode materials is the low electronic conductivity. Hence the real task with this class of materials is to get better electronic conductivity with good electrical storage capability. Electronic conductivity can be enhanced by using proper dopants. In the designing of rechargeable Li-ion cells with polymer based cathode active materials, the key issue is to identify the optimum lithiation of the polymer cathode which can ensure the highest electronic conductivity and specific charge capacity possible The development of conducting polymer based rechargeable Li-ion cells with high specific capacity and excellent cycling characteristics is a highly competitive area among research and development groups, worldwide. Polymer based rechargeable batteries are specifically attractive due to the environmentally benign nature and the possible constructional flexibility they offer. Among polymers having electrical transport properties suitable for rechargeable battery applications, polyaniline is the most favoured one due to its tunable electrical conducting properties and the availability of cost effective precursor materials for its synthesis. The performance of a battery depends significantly on the characteristics of its integral parts, the cathode, anode and the electrolyte, which in turn depend on the materials used. Many research groups are involved in developing new electrode and electrolyte materials to enhance the overall performance efficiency of the battery. Currently explored electrolytes for Li ion battery applications are in liquid or gel form, which makes well-defined sealing essential. The use of solid electrolytes eliminates the need for containment of liquid electrolytes, which will certainly simplify the cell design and improve the safety and durability. The other advantages of polymer electrolytes include dimensional stability, safety and the ability to prevent lithium dendrite formation. One of the ultimate aims of the present work is to realize all solid state, flexible and environment friendly Li-ion cells with high specific capacity and excellent cycling stability. Part of the present work is hence focused on identifying good polymer based solid electrolytes essential for realizing all solid state polymer based Li ion cells.The present work is an attempt to study the versatile roles of polyaniline in two different fields of technological applications like nonlinear optics and energy storage. Conducting form of doped PANI films with good extent of crystallinity have been realized using a level surface assisted casting method in addition to the generally employed technique of spin coating. Metal nanoparticles embedded PANI offers a rich source for nonlinear optical studies and hence gold and silver nanoparticles have been used for making the nanocomposites in bulk and thin film forms. These PANI nanocomposites are found to exhibit quite dominant third order optical non-linearity. The highlight of these studies is the observation of the interesting phenomenon of the switching between saturable absorption (SA) and reverse saturable absorption (RSA) in the films of Ag/PANI and Au/PANI nanocomposites, which offers prospects of applications in optical switching. The investigations on the energy storage prospects of PANI were carried out on Li enriched PANI which was used as the cathode active material for assembling rechargeable Li-ion cells. For Li enrichment or Li doping of PANI, n-Butyllithium (n-BuLi) in hexanes was used. The Li doping as well as the Li-ion cell assembling were carried out in an argon filled glove box. Coin cells were assembled with Li doped PANI with different doping concentrations, as the cathode, LiPF6 as the electrolyte and Li metal as the anode. These coin cells are found to show reasonably good specific capacity around 22mAh/g and excellent cycling stability and coulombic efficiency around 99%. To improve the specific capacity, composites of Li doped PANI with inorganic cathode active materials like LiFePO4 and LiMn2O4 were synthesized and coin cells were assembled as mentioned earlier to assess the electrochemical capability. The cells assembled using the composite cathodes are found to show significant enhancement in specific capacity to around 40mAh/g. One of the other interesting observations is the complete blocking of the adverse effects of Jahn-Teller distortion, when the composite cathode, PANI-LiMn2O4 is used for assembling the Li-ion cells. This distortion is generally observed, near room temperature, when LiMn2O4 is used as the cathode, which significantly reduces the cycling stability of the cells.

Characterization of Novel Fabry Pérot Filter Arrays for Nanospectrometers in Medical Applications

Optische Spektroskopie ist eine sehr wichtige Messtechnik mit einem hohen Potential für zahlreiche Anwendungen in der Industrie und Wissenschaft. Kostengünstige und miniaturisierte Spektrometer z.B. werden besonders für moderne Sensorsysteme “smart personal environments” benötigt, die vor allem in der Energietechnik, Messtechnik, Sicherheitstechnik (safety and security), IT und Medizintechnik verwendet werden. Unter allen miniaturisierten Spektrometern ist eines der attraktivsten Miniaturisierungsverfahren das Fabry Pérot Filter. Bei diesem Verfahren kann die Kombination von einem Fabry Pérot (FP) Filterarray und einem Detektorarray als Mikrospektrometer funktionieren. Jeder Detektor entspricht einem einzelnen Filter, um ein sehr schmales Band von Wellenlängen, die durch das Filter durchgelassen werden, zu detektieren. Ein Array von FP-Filter wird eingesetzt, bei dem jeder Filter eine unterschiedliche spektrale Filterlinie auswählt. Die spektrale Position jedes Bandes der Wellenlänge wird durch die einzelnen Kavitätshöhe des Filters definiert. Die Arrays wurden mit Filtergrößen, die nur durch die Array-Dimension der einzelnen Detektoren begrenzt werden, entwickelt. Allerdings erfordern die bestehenden Fabry Pérot Filter-Mikrospektrometer komplizierte Fertigungsschritte für die Strukturierung der 3D-Filter-Kavitäten mit unterschiedlichen Höhen, die nicht kosteneffizient für eine industrielle Fertigung sind. Um die Kosten bei Aufrechterhaltung der herausragenden Vorteile der FP-Filter-Struktur zu reduzieren, wird eine neue Methode zur Herstellung der miniaturisierten FP-Filtern mittels NanoImprint Technologie entwickelt und präsentiert. In diesem Fall werden die mehreren Kavitäten-Herstellungsschritte durch einen einzigen Schritt ersetzt, die hohe vertikale Auflösung der 3D NanoImprint Technologie verwendet. Seit dem die NanoImprint Technologie verwendet wird, wird das auf FP Filters basierende miniaturisierte Spectrometer nanospectrometer genannt. Ein statischer Nano-Spektrometer besteht aus einem statischen FP-Filterarray auf einem Detektorarray (siehe Abb. 1). Jeder FP-Filter im Array besteht aus dem unteren Distributed Bragg Reflector (DBR), einer Resonanz-Kavität und einen oberen DBR. Der obere und untere DBR sind identisch und bestehen aus periodisch abwechselnden dünnen dielektrischen Schichten von Materialien mit hohem und niedrigem Brechungsindex. Die optischen Schichten jeder dielektrischen Dünnfilmschicht, die in dem DBR enthalten sind, entsprechen einen Viertel der Design-Wellenlänge. Jeder FP-Filter wird einer definierten Fläche des Detektorarrays zugeordnet. Dieser Bereich kann aus einzelnen Detektorelementen oder deren Gruppen enthalten. Daher werden die Seitenkanal-Geometrien der Kavität aufgebaut, die dem Detektor entsprechen. Die seitlichen und vertikalen Dimensionen der Kavität werden genau durch 3D NanoImprint Technologie aufgebaut. Die Kavitäten haben Unterschiede von wenigem Nanometer in der vertikalen Richtung. Die Präzision der Kavität in der vertikalen Richtung ist ein wichtiger Faktor, der die Genauigkeit der spektralen Position und Durchlässigkeit des Filters Transmissionslinie beeinflusst.