Effects of Plyometric and Resistance Training on Muscle Strength and Neuromuscular Function in Young Adolescent Soccer Players

This study examined the effect of 8-weeks of resistance (RT) and plyometric (PLYO) training on maximal strength, power and jump performance compared with no added training (CON), in young male soccer players. Forty-one 11-13 year-old soccer players were divided into three groups (RT, PLYO, CON). All participants completed 5 isometric knee extensions at 90° and 5 isokinetic knee extensions at 240°/s pre- and post-training. Peak torque (PT), peak rate of torque development (pRTD), electromechanical-day (EMD), rate of muscle activation (Q30), muscle cross-sectional area (mCSA) and jump performance were examined. Both RT and PLYO resulted in significant (p < 0.05) increases in PT, pRTD and jump performance. RT resulted in significantly greater increases in both isometric and isokinetic PT, while PLYO resulted in significantly greater increases in isometric pRTD and jump performance compared with CON (p < 0.05). Q30 increased to a greater extent in PLYO (20%) compared with RT (5%) and CON (-5%) (p = 0.1). In conclusion, 8-weeks of RT and PLYO resulted in significant improvements in muscle strength and jump performance. RT appears to be more effective at eliciting increases in maximal strength while PLYO appears to enhance explosive strength, mediated by possible increases in the rate of muscle activation.

Étude du comportement électromécanique du ventricule gauche canin sous différents modes de stimulation

La thérapie de resynchronisation cardiaque (CRT) est un traitement qui diminue la mortalité et améliore la qualité de vie des patients atteints d’insuffisance cardiaque et présentant un dyssynchronisme de la contraction ventriculaire gauche. Malgré le succès de cette thérapie, plus de 30% des patients ne présentent pas l’amélioration désirée. Plusieurs études portant sur le synchronisme électrique ou mécanique de la contraction ont été effectuées mais peu d’entres elles se sont attardées sur le couplage électromécanique à l'échelle macroscopique. Ce projet a comme objectif d’observer le comportement électromécanique des ventricules canins en présence d’un resynchronisateur cardiaque. Un logiciel a été développé pour permettre l’analyse des informations provenant de la cartographie endocardique sans contact et de la ventriculographie isotopique tomographique chez 12 sujets canins insuffisants. Pour observer la réponse mécanique suite à l’activation électrique, nous avons premièrement recalé les surfaces issues des 2 modalités. Ensuite, nous avons défini les limites du cycle cardiaque, analysé les signaux électriques et les courbes de déplacement de la paroi endocardique. Le début de la contraction est défini par un déplacement radial de 10% vers le centre du ventricule. Les résultats démontrent que la durée d’activation du ventricule gauche et la largeur du QRS augmentent en présence d’une stimulation externe et que les délais électromécaniques sont indépendants dans les modes de stimulation étudiés (sinusal, LVbasal, RVapex ou BIV) avec une moyenne de 84,56±7,19 ms. Finalement, nous avons noté que la stimulation basolatérale procure une fonction cardiaque optimale malgré une durée prolongée du QRS.

Imagerie à haut contraste et caractérisation d'exoplanètes par la spectroscopie intégrale de champ

Cette thèse porte sur l’amélioration des techniques d’imagerie à haut-contraste permettant la détection directe de compagnons à de faibles séparations de leur étoile hôte. Plus précisément, elle s’inscrit dans le développement du Gemini Planet Imager (GPI) qui est un instrument de deuxième génération pour les télescopes Gemini. Cette caméra utilisera un spectromètre à champ intégral (SCI) pour caractériser les compagnons détectés et pour réduire le bruit de tavelure limitant leur détection et corrigera la turbulence atmosphérique à un niveau encore jamais atteint en utilisant deux miroirs déformables dans son système d’optique adaptative (OA) : le woofer et le tweeter. Le woofer corrigera les aberrations de basses fréquences spatiales et de grandes amplitudes alors que le tweeter compensera les aberrations de plus hautes fréquences ayant une plus faible amplitude. Dans un premier temps, les performances pouvant être atteintes à l’aide des SCIs présentement en fonction sur les télescopes de 8-10 m sont investiguées en observant le compagnon de l’étoile GQ Lup à l’aide du SCI NIFS et du système OA ALTAIR installés sur le télescope Gemini Nord. La technique de l’imagerie différentielle angulaire (IDA) est utilisée pour atténuer le bruit de tavelure d’un facteur 2 à 6. Les spectres obtenus en bandes JHK ont été utilisés pour contraindre la masse du compagnon par comparaison avec les prédictions des modèles atmosphériques et évolutifs à 8−60 MJup, où MJup représente la masse de Jupiter. Ainsi, il est déterminé qu’il s’agit plus probablement d’une naine brune que d’une planète. Comme les SCIs présentement en fonction sont des caméras polyvalentes pouvant être utilisées pour plusieurs domaines de l’astrophysique, leur conception n’a pas été optimisée pour l’imagerie à haut-contraste. Ainsi, la deuxième étape de cette thèse a consisté à concevoir et tester en laboratoire un prototype de SCI optimisé pour cette tâche. Quatre algorithmes de suppression du bruit de tavelure ont été testés sur les données obtenues : la simple différence, la double différence, la déconvolution spectrale ainsi qu’un nouvel algorithme développé au sein de cette thèse baptisé l’algorithme des spectres jumeaux. Nous trouvons que l’algorithme des spectres jumeaux est le plus performant pour les deux types de compagnons testés : les compagnons méthaniques et non-méthaniques. Le rapport signal-sur-bruit de la détection a été amélioré d’un facteur allant jusqu’à 14 pour un compagnon méthanique et d’un facteur 2 pour un compagnon non-méthanique. Dernièrement, nous nous intéressons à certains problèmes liés à la séparation de la commande entre deux miroirs déformables dans le système OA de GPI. Nous présentons tout d’abord une méthode utilisant des calculs analytiques et des simulations Monte Carlo pour déterminer les paramètres clés du woofer tels que son diamètre, son nombre d’éléments actifs et leur course qui ont ensuite eu des répercussions sur le design général de l’instrument. Ensuite, le système étudié utilisant un reconstructeur de Fourier, nous proposons de séparer la commande entre les deux miroirs dans l’espace de Fourier et de limiter les modes transférés au woofer à ceux qu’il peut précisément reproduire. Dans le contexte de GPI, ceci permet de remplacer deux matrices de 1600×69 éléments nécessaires pour une séparation “classique” de la commande par une seule de 45×69 composantes et ainsi d’utiliser un processeur prêt à être utilisé plutôt qu’une architecture informatique plus complexe.

Influence des glycines du lien S4-S5 sur le couplage électromécanique des canaux ioniques dépendants du voltage

Les canaux potassiques dépendants du voltage sont formés de quatre sous-unités, chacune possédant six segments transmembranaires (S1-S6) et une boucle (p-loop) qui se trouve entre le cinquième et le sixième segment au niveau du pore. Il est connu que le segment senseur du voltage (S1-S4) subit un mouvement lorsque le potentiel membranaire change. Pour ouvrir le canal, il est nécessaire de transférer l'énergie du senseur du voltage (généré par le mouvement des charges positives de S4) au pore. Le mécanisme exact de ce couplage électromécanique est encore sous étude. Un des points de liaison entre le senseur de voltage et le pore est le lien physique fait par le segment S4-S5 (S45L). Le but de cette étude est de déterminer l'influence de la flexibilité du segment S45L sur le processus de couplage. Dans le S45L, trois glycines sont distribuées dans des positions différentes. Elles sont responsables de la flexibilité des hélices-alpha. Ces glycines (mais pas leurs positions exactes) sont conservées pour tous les canaux potassiques dépendants de potentiel. En utilisant la technique de mutagènes dirigé, la glycine a été remplacée dans chacune de ces différentes positions par une alanine et dans une deuxième étape, par une proline (pour introduire un angle dans l'hélice). Pour étudier le comportement des canaux dans cette nouvelle conformation, on a appliqué la technique de « patch clamp » pour déterminer les effets lors de l'ouverture du pore (courant ionique). Avec le « cut-open oocyte voltage-clamp », nous avons étudié les effets sur le mouvement du senseur de voltage (courant “gating”) et la coordination temporelle avec l'ouverture du pore (courant ionique). Les données ont montré qu’en réduisant la flexibilité dans le S45L, il faut avoir plus d'énergie pour faire ouvrir le canal. Le changement pour une proline suggère que le mouvement du senseur est indépendant du pore pendant l'ouverture du canal.

Études de type structure fonction du couplage électromécanique et de la coopérativité sous-unitaire chez les canaux potassiques dépendants du voltage

Les canaux potassiques voltage-dépendants forment des tétramères dont chaque sous-unité comporte six segments transmembranaires (S1 à S6). Le pore, formé des segments S5-S6 de chaque sous-unité, est entouré de quatre domaines responsables de la sensibilité au potentiel membranaire, les senseurs de voltage (VS; S1-S4). Lors d’une dépolarisation membranaire, le mouvement des résidus chargés situés dans le VS entraine un mouvement de charges détectable en électrophysiologie, le courant de « gating ». L’activation du VS conduit à l'ouverture du pore, qui se traduit par un changement de conformation en C-terminal du segment S6. Pour élucider les principes qui sous-tendent le couplage électromécanique entre ces deux domaines, nous avons étudié deux régions présumées responsables du couplage chez les canaux de type Shaker K+, soit la région carboxy-terminale du segment S6 et le lien peptidique reliant les segments transmembranaire S4-S5 (S4-5L). Avec la technique du « cut-open voltage clamp fluorometry » (COVCF), nous avons pu déterminer que l’interaction inter-sous-unitaire RELY, formée par des acides aminés situés sur le lien S4-5L et S6 de deux sous-unités voisines, est impliquée dans le développement de la composante lente observée lors du retour des charges de « gating » vers leur état de repos, le « OFF-gating ». Nous avons observé que l’introduction de mutations dans la région RELY module la force de ces interactions moléculaires et élimine l’asymétrie observée dans les courants de « gating » de type sauvage. D’ailleurs, nous démontrons que ce couplage inter-sous-unitaire est responsable de la stabilisation du pore dans l’état ouvert. Nous avons également identifié une interaction intra-sous-unitaire entre les résidus I384 situé sur le lien S4-5L et F484 sur le segment S6 d’une même sous-unité. La déstabilisation de cette interaction hydrophobique découple complètement le mouvement des senseurs de voltage et l'ouverture du pore. Sans cette interaction, l’énergie nécessaire pour activer les VS est moindre en raison de l’absence du poids mécanique appliqué par le pore. De plus, l’abolition du couplage électromécanique élimine également le « mode shift », soit le déplacement de la dépendance au voltage des charges de transfert (QV) vers des potentiels hyperpolarisants. Ceci indique que le poids mécanique du pore imposé au VS entraine le « mode shift », en modulant la conformation intrinsèque du VS par un processus allostérique.

Étude structurale et fonctionnelle du canal potassium dépendant du voltage KvAP

Les canaux ioniques dépendants du voltage sont responsables de l'initiation et de la propagation des potentiels d'action dans les cellules excitables. De nombreuses maladies héréditaires (channelopathies) sont associées à un contrôle défectueux du voltage par ces canaux (arythmies, épilepsie, etc.). L’établissement de la relation structure-fonction exacte de ces canaux est donc crucial pour le développement de nouveaux agents thérapeutiques spécifiques. Dans ce contexte, le canal procaryote dépendant du voltage et sélectif au potassium KvAP a servi de modèle d’étude afin d’approfondir i) le processus du couplage électromécanique, ii) l’influence des lipides sur l’activité voltage-dépendante et iii) l’inactivation de type closed-state. Afin de pallier à l’absence de données structurales dynamiques du côté cytosolique ainsi que de structure cristalline dans l’état fermé, nous avons mesuré le mouvement du linker S4-S5 durant le gating par spectroscopie de fluorescence (LRET). Pour ce faire, nous avons utilisé une technique novatrice du contrôle de l’état conformationnel du canal en utilisant les lipides (phospholipides et non phospholipides) au lieu du voltage. Un modèle dans l’état fermé a ainsi été produit et a démontré qu’un mouvement latéral modeste de 4 Å du linker S4-S5 est suffisant pour mener à la fermeture du pore de conduction. Les interactions lipides - canaux jouent un rôle déterminant dans la régulation de la fonction des canaux ioniques mais ne sont pas encore bien caractérisées. Nous avons donc également étudié l’influence de différents lipides sur l’activation voltage - dépendante de KvAP et mis en évidence deux sites distincts d’interactions menant à des effets différents : au niveau du senseur de voltage, menant au déplacement de la courbe conductance-voltage, et du côté intracellulaire, influençant le degré de la pente de cette même courbe. Nous avons également démontré que l’échange de lipides autour de KvAP est extrêmement limité et affiche une dépendance à l’état conformationnel du canal, ne se produisant que dans l’état ouvert. KvAP possède une inactivation lente particulière, accessible depuis l'état ouvert. Nous avons étudié les effets de la composition lipidique et de la température sur l'entrée dans l'état inactivé et le temps de récupération. Nous avons également utilisé la spectroscopie de fluorescence (quenching) en voltage imposé afin d'élucider les bases moléculaires de l’inactivation de type closed-state. Nous avons identifié une position à la base de l’hélice S4 qui semble impliquée à la fois dans le mécanisme responsable de ce type d'inactivation et dans la récupération particulièrement lente qui est typique du canal KvAP.

Radiothérapie asservie à la respiration en combinaison avec l'utilisation d'un faisceau sans filtre égalisateur

La radiothérapie stéréotaxique corporelle (SBRT) est une technique couramment employée pour le traitement de tumeurs aux poumons lorsque la chirurgie n’est pas possible ou refusée par le patient. Une complication de l’utilisation de cette méthode provient du mouvement de la tumeur causé par la respiration. Dans ce contexte, la radiothérapie asservie à la respiration (RGRT) peut être bénéfique. Toutefois, la RGRT augmente le temps de traitement en raison de la plus petite proportion de temps pour laquelle le faisceau est actif. En utilisant un faisceau de photons sans filtre égalisateur (FFF), ce problème peut être compensé par le débit de dose plus élevé d’un faisceau FFF. Ce mémoire traite de la faisabilité d’employer la technique de RGRT en combinaison avec l’utilisation un faisceau FFF sur un accélérateur Synergy S (Elekta, Stockholm, Suède) avec une ceinture pneumatique, le Bellows Belt (Philips, Amsterdam, Pays-Bas), comme dispositif de suivi du signal respiratoire. Un Synergy S a été modifié afin de pouvoir livrer un faisceau 6 MV FFF. Des mesures de profils de dose et de rendements en profondeur ont été acquises en cuve à eau pour différentes tailles de champs. Ces mesures ont été utilisées pour créer un modèle du faisceau 6 MV FFF dans le système de planification de traitement Pinnacle3 de Philips. Les mesures ont été comparées au modèle à l’aide de l’analyse gamma avec un critère de 2%, 2 mm. Par la suite, cinq plans SBRT avec thérapie en arc par modulation volumétrique (VMAT) ont été créés avec le modèle 6 MV du Synergy S, avec et sans filtre. Une comparaison des paramètres dosimétriques a été réalisée entre les plans avec et sans filtre pour évaluer la qualité des plans FFF. Les résultats révèlent qu’il est possible de créer des plans SBRT VMAT avec le faisceau 6 MV FFF du Synergy S qui sont cliniquement acceptables (les crières du Radiation Therapy Oncology Group 0618 sont respectés). Aussi, une interface physique de RGRT a été mise au point pour remplir deux fonctions : lire le signal numérique de la ceinture pneumatique Bellows Belt et envoyer une commande d’irradiation binaire au linac. L’activation/désactivation du faisceau du linac se fait par l’entremise d’un relais électromécanique. L’interface comprend un circuit électronique imprimé fait maison qui fonctionne en tandem avec un Raspberry Pi. Un logiciel de RGRT a été développé pour opérer sur le Raspberry Pi. Celui-ci affiche le signal numérique du Bellows Belt et donne l’option de choisir les limites supérieure et inférieure de la fenêtre d’irradiation, de sorte que lorsque le signal de la ceinture se trouve entre ces limites, le faisceau est actif, et inversement lorsque le signal est hors de ces limites. Le logiciel envoie donc une commande d’irradiation au linac de manière automatique en fonction de l’amplitude du signal respiratoire. Finalement, la comparaison entre la livraison d’un traitement standard sans RGRT avec filtre par rapport à un autre plan standard sans RGRT sans filtre démontre que le temps de traitement en mode FFF est réduit en moyenne de 54.1% pour un arc. De la même manière, la comparaison entre la livraison d’un traitement standard sans RGRT avec filtre par rapport à un plan de RGRT (fenêtre d’irradiation de 75%) sans filtre montre que le temps de traitement de RGRT en mode FFF est réduit en moyenne de 27.3% par arc. Toutefois, il n’a pas été possible de livrer des traitements de RGRT avec une fenêtre de moins de 75%. Le linac ne supporte pas une fréquence d’arrêts élevée.

Metglas thin film based magnetostrictive transducers for use in long period fibre grating sensors

Metallic glass alloy Metglas 2826 MB based amorphous magnetic thin films were fabricated by the thermal evaporation technique. Transmission electron micrographs and electron diffraction pattern showed the amorphous nature of the films. Composition of the films was analyzed employing x-ray photoelectron spectroscopy and energy dispersive x-ray spectroscopy techniques. The film was integrated to a long period fibre grating. It was observed that the resonance wavelength of the fibre grating decreased with an increase in the magnetic field. Change in the resonance wavelength was minimal at higher magnetic fields. Field dependent magnetostriction values revealed the potential application of these films in magnetostrictive sensor devices

Metglas thin film based magnetostrictive transducers for use in long period fibre grating sensors

Metallic glass alloy Metglas 2826 MB based amorphous magnetic thin films were fabricated by the thermal evaporation technique. Transmission electron micrographs and electron diffraction pattern showed the amorphous nature of the films. Composition of the films was analyzed employing X-ray photoelectron spectroscopy and energy dispersive X-ray spectroscopy techniques. The film was integrated to a long period fibre grating. It was observed that the resonance wavelength of the fibre grating decreased with an increase in the magnetic field. Change in the resonance wavelength was minimal at higher magnetic fields. Field dependent magnetostriction values revealed the potential application of these films in magnetostrictive sensor devices.

Studies all transport and magnetic properties of nano particle doped MgB2 superconductor for technological applications

This thesis Entitled Studies on transport and magnetic properties of nano particle doped mgb2 superconductor for technological applications.The thesis ahead focuses on the establishment of enhanced superconducting properties in bulk MgB2 via nano particle doping and its conversion into mono/multifilamentary wires. Further, an attempt has also been made to develop prototypes of MgB2 coil and conduction cooled current lead for technological applications. The thesis is configured into 6 chapters. The opening chapter gives an idea on the phenomenon of superconductivity, the various types of superconductors and its applications in different fields. The second chapter is an introduction on MgB2 superconductor and its relevance which includes crystal and electronic structure, superconducting mechanism, basic superconducting properties along with its present international status. The third chapter provides details on the preparation and characterization techniques followed through out the study on MgB2. Fourth chapter discusses the effect of processing temperature and chemical doping using nano sized dopants on the superconducting properties of MgB2• Fifth chapter deals with the optimization of processing parameters and novel preparation techniques for wire fabrication. Sixth chapter furnishes the preparation of multifilamentary wires with various filament configurations, their electromechanical properties and it also incorporates the development of an MgB2 coil and a general purpose conduction cooled current lead.

Structural, topographical and magnetic evolution of RF-sputtered Fe-Ni alloy based thin films with thermal annealing

Metglas 2826 MB having a nominal composition of Fe40Ni38Mo4B18 is an excellent soft magnetic material and finds application in sensors and memory heads. However, the thin-film forms of Fe40Ni38Mo4B18 are seldom studied, although they are important in micro-electro-mechanical systems/nano-electromechanical systems devices. The stoichiometry of the film plays a vital role in determining the structural and magnetic properties of Fe40Ni38Mo4B18 thin films: retaining the composition in thin films is a challenge. Thin films of 52 nm thickness were fabricated by RF sputtering technique on silicon substrate from a target of nominal composition of Fe40Ni38Mo4B18. The films were annealed at temperatures of 400 °C and 600 °C. The micro-structural studies of films using glancing x-ray diffractometer (GXRD) and transmission electron microscope (TEM) revealed that pristine films are crystalline with (FeNiMo)23B6 phase. Atomic force microscope (AFM) images were subjected to power spectral density analysis to understand the probable surface evolution mechanism during sputtering and annealing. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was employed to determine the film composition. The sluggish growth of crystallites with annealing is attributed to the presence of molybdenum in the thin film. The observed changes in magnetic properties were correlated with annealing induced structural, compositional and morphological changes

Tailoring Magnetic Properties of Co-Fe Thin Films by Topographical Modifications Using Thermal Annealing and Swift Heavy Ion Irradiation and Fabrication of Magnetoelectric Multilayers for Device Applications

Magnetism and magnetic materials have been playing a lead role in improving the quality of life. They are increasingly being used in a wide variety of applications ranging from compasses to modern technological devices. Metallic glasses occupy an important position among magnetic materials. They assume importance both from a scientific and an application point of view since they represent an amorphous form of condensed matter with significant deviation from thermodynamic equilibrium. Metallic glasses having good soft magnetic properties are widely used in tape recorder heads, cores of high-power transformers and metallic shields. Superconducting metallic glasses are being used to produce high magnetic fields and magnetic levitation effect. Upon heat treatment, they undergo structural relaxation leading to subtle rearrangements of constituent atoms. This leads to densification of amorphous phase and subsequent nanocrystallisation. The short-range structural relaxation phenomenon gives rise to significant variations in physical, mechanical and magnetic properties. Magnetic amorphous alloys of Co-Fe exhibit excellent soft magnetic properties which make them promising candidates for applications as transformer cores, sensors, and actuators. With the advent of microminiaturization and nanotechnology, thin film forms of these alloys are sought after for soft under layers for perpendicular recording media. The thin film forms of these alloys can also be used for fabrication of magnetic micro electro mechanical systems (magnetic MEMS). In bulk, they are drawn in the form of ribbons, often by melt spinning. The main constituents of these alloys are Co, Fe, Ni, Si, Mo and B. Mo acts as the grain growth inhibitor and Si and B facilitate the amorphous nature in the alloy structure. The ferromagnetic phases such as Co-Fe and Fe-Ni in the alloy composition determine the soft magnetic properties. The grain correlation length, a measure of the grain size, often determines the soft magnetic properties of these alloys. Amorphous alloys could be restructured in to their nanocrystalline counterparts by different techniques. The structure of nanocrystalline material consists of nanosized ferromagnetic crystallites embedded in an amorphous matrix. When the amorphous phase is ferromagnetic, they facilitate exchange coupling between nanocrystallites. This exchange coupling results in the vanishing of magnetocrystalline anisotropy which improves the soft magnetic properties. From a fundamental perspective, exchange correlation length and grain size are the deciding factors that determine the magnetic properties of these nanocrystalline materials. In thin films, surfaces and interfaces predominantly decides the bulk property and hence tailoring the surface roughness and morphology of the film could result in modified magnetic properties. Surface modifications can be achieved by thermal annealing at various temperatures. Ion irradiation is an alternative tool to modify the surface/structural properties. The surface evolution of a thin film under swift heavy ion (SHI) irradiation is an outcome of different competing mechanism. It could be sputtering induced by SHI followed by surface roughening process and the material transport induced smoothening process. The impingement of ions with different fluence on the alloy is bound to produce systematic microstructural changes and this could effectively be used for tailoring magnetic parameters namely coercivity, saturation magnetization, magnetic permeability and remanence of these materials. Swift heavy ion irradiation is a novel and an ingenious tool for surface modification which eventually will lead to changes in the bulk as well as surface magnetic property. SHI has been widely used as a method for the creation of latent tracks in thin films. The bombardment of SHI modifies the surfaces or interfaces or creates defects, which induces strain in the film. These changes will have profound influence on the magnetic anisotropy and the magnetisation of the specimen. Thus inducing structural and morphological changes by thermal annealing and swift heavy ion irradiation, which in turn induce changes in the magnetic properties of these alloys, is one of the motivation of this study. Multiferroic and magneto-electrics is a class of functional materials with wide application potential and are of great interest to material scientists and engineers. Magnetoelectric materials combine both magnetic as well as ferroelectric properties in a single specimen. The dielectric properties of such materials can be controlled by the application of an external magnetic field and the magnetic properties by an electric field. Composites with magnetic and piezo/ferroelectric individual phases are found to have strong magnetoelectric (ME) response at room temperature and hence are preferred to single phasic multiferroic materials. Currently research in this class of materials is towards optimization of the ME coupling by tailoring the piezoelectric and magnetostrictive properties of the two individual components of ME composites. The magnetoelectric coupling constant (MECC) (_ ME) is the parameter that decides the extent of interdependence of magnetic and electric response of the composite structure. Extensive investigates have been carried out in bulk composites possessing on giant ME coupling. These materials are fabricated by either gluing the individual components to each other or mixing the magnetic material to a piezoelectric matrix. The most extensively investigated material combinations are Lead Zirconate Titanate (PZT) or Lead Magnesium Niobate-Lead Titanate (PMNPT) as the piezoelectric, and Terfenol-D as the magnetostrictive phase and the coupling is measured in different configurations like transverse, longitudinal and inplane longitudinal. Fabrication of a lead free multiferroic composite with a strong ME response is the need of the hour from a device application point of view. The multilayer structure is expected to be far superior to bulk composites in terms of ME coupling since the piezoelectric (PE) layer can easily be poled electrically to enhance the piezoelectricity and hence the ME effect. The giant magnetostriction reported in the Co-Fe thin films makes it an ideal candidate for the ferromagnetic component and BaTiO3 which is a well known ferroelectric material with improved piezoelectric properties as the ferroelectric component. The multilayer structure of BaTiO3- CoFe- BaTiO3 is an ideal system to understand the underlying fundamental physics behind the ME coupling mechanism. Giant magnetoelectric coupling coefficient is anticipated for these multilayer structures of BaTiO3-CoFe-BaTiO3. This makes it an ideal candidate for cantilever applications in magnetic MEMS/NEMS devices. SrTiO3 is an incipient ferroelectric material which is paraelectric up to 0K in its pure unstressed form. Recently few studies showed that ferroelectricity can be induced by application of stress or by chemical / isotopic substitution. The search for room temperature magnetoelectric coupling in SrTiO3-CoFe-SrTiO3 multilayer structures is of fundamental interest. Yet another motivation of the present work is to fabricate multilayer structures consisting of CoFe/ BaTiO3 and CoFe/ SrTiO3 for possible giant ME coupling coefficient (MECC) values. These are lead free and hence promising candidates for MEMS applications. The elucidation of mechanism for the giant MECC also will be the part of the objective of this investigation.

Air-gap based vertical cavity micro-opto-electro-mechanical Fabry-Perot filters

Mikrooptische Filter sind heutzutage in vielen Bereichen in der Telekommunikation unersetzlich. Wichtige Einsatzgebiete sind aber auch spektroskopische Systeme in der Medizin-, Prozess- und Umwelttechnik. Diese Arbeit befasst sich mit der Technologieentwicklung und Herstellung von luftspaltbasierenden, vertikal auf einem Substrat angeordneten, oberflächenmikromechanisch hergestellten Fabry-Perot-Filtern. Es werden zwei verschiedene Filtervarianten, basierend auf zwei verschiedenen Materialsystemen, ausführlich untersucht. Zum einen handelt es sich dabei um die Weiterentwicklung von kontinuierlich mikromechanisch durchstimmbaren InP / Luftspaltfiltern; zum anderen werden neuartige, kostengünstige Siliziumnitrid / Luftspaltfilter wissenschaftlich behandelt. Der Inhalt der Arbeit ist so gegliedert, dass nach einer Einleitung mit Vergleichen zu Arbeiten und Ergebnissen anderer Forschergruppen weltweit, zunächst einige theoretische Grundlagen zur Berechnung der spektralen Reflektivität und Transmission von beliebigen optischen Schichtanordnungen aufgezeigt werden. Auß erdem wird ein kurzer theoretischer Ü berblick zu wichtigen Eigenschaften von Fabry-Perot-Filtern sowie der Möglichkeit einer mikromechanischen Durchstimmbarkeit gegeben. Daran anschließ end folgt ein Kapitel, welches sich den grundlegenden technologischen Aspekten der Herstellung von luftspaltbasierenden Filtern widmet. Es wird ein Zusammenhang zu wichtigen Referenzarbeiten hergestellt, auf denen diverse Weiterentwicklungen dieser Arbeit basieren. Die beiden folgenden Kapitel erläutern dann ausführlich das Design, die Herstellung und die Charakterisierung der beiden oben erwähnten Filtervarianten. Abgesehen von der vorangehenden Epitaxie von InP / GaInAs Schichten, ist die Herstellung der InP / Luftspaltfilter komplett im Institut durchgeführt worden. Die Herstellungsschritte sind ausführlich in der Arbeit erläutert, wobei ein Schwerpunktthema das trockenchemische Ä tzen von InP sowie GaInAs, welches als Opferschichtmaterial für die Herstellung der Luftspalte genutzt wurde, behandelt. Im Verlauf der wissenschaftlichen Arbeit konnten sehr wichtige technische Verbesserungen entwickelt und eingesetzt werden, welche zu einer effizienteren technologischen Herstellung der Filter führten und in der vorliegenden Niederschrift ausführlich dokumentiert sind. Die hergestellten, für einen Einsatz in der optischen Telekommunikation entworfenen, elektrostatisch aktuierbaren Filter sind aus zwei luftspaltbasierenden Braggspiegeln aufgebaut, welche wiederum jeweils 3 InP-Schichten von (je nach Design) 357nm bzw. 367nm Dicke aufweisen. Die Filter bestehen aus im definierten Abstand parallel übereinander angeordneten Membranen, die über Verbindungsbrücken unterschiedlicher Anzahl und Länge an Haltepfosten befestigt sind. Da die mit 357nm bzw. 367nm vergleichsweise sehr dünnen Schichten freitragende Konstrukte mit bis zu 140 nm Länge bilden, aber trotzdem Positionsgenauigkeiten im nm-Bereich einhalten müssen, handelt es sich hierbei um sehr anspruchsvolle mikromechanische Bauelemente. Um den Einfluss der zahlreichen geometrischen Strukturparameter studieren zu können, wurden verschiedene laterale Filterdesigns implementiert. Mit den realisierten Filter konnte ein enorm weiter spektraler Abstimmbereich erzielt werden. Je nach lateralem Design wurden internationale Bestwerte für durchstimmbare Fabry-Perot-Filter von mehr als 140nm erreicht. Die Abstimmung konnte dabei kontinuierlich mit einer angelegten Spannung von nur wenigen Volt durchgeführt werden. Im Vergleich zu früher berichteten Ergebnissen konnten damit sowohl die Wellenlängenabstimmung als auch die dafür benötigte Abstimmungsspannung signifikant verbessert werden. Durch den hohen Brechungsindexkontrast und die geringe Schichtdicke zeigen die Filter ein vorteilhaftes, extrem weites Stopband in der Größ enordnung um 550nm. Die gewählten, sehr kurzen Kavitätslängen ermöglichen einen freien Spektralbereich des Filters welcher ebenfalls in diesen Größ enordnungen liegt, so dass ein weiter spektraler Einsatzbereich ermöglicht wird. Während der Arbeit zeigte sich, dass Verspannungen in den freitragenden InPSchichten die Funktionsweise der mikrooptischen Filter stark beeinflussen bzw. behindern. Insbesondere eine Unterätzung der Haltepfosten und die daraus resultierende Verbiegung der Ecken an denen sich die Verbindungsbrücken befinden, führte zu enormen vertikalen Membranverschiebungen, welche die Filtereigenschaften verändern. Um optimale Ergebnisse zu erreichen, muss eine weitere Verbesserung der Epitaxie erfolgen. Jedoch konnten durch den zusätzlichen Einsatz einer speziellen Schutzmaske die Unterätzung der Haltepfosten und damit starke vertikale Verformungen reduziert werden. Die aus der Verspannung resultierenden Verformungen und die Reaktion einzelner freistehender InP Schichten auf eine angelegte Gleich- oder Wechselspannung wurde detailliert untersucht. Mittels Weisslichtinterferometrie wurden lateral identische Strukturen verglichen, die aus unterschiedlich dicken InP-Schichten (357nm bzw. 1065nm) bestehen. Einen weiteren Hauptteil der Arbeit stellen Siliziumnitrid / Luftspaltfilter dar, welche auf einem neuen, im Rahmen dieser Dissertation entwickelten, technologischen Ansatz basieren. Die Filter bestehen aus zwei Braggspiegeln, die jeweils aus fünf 590nm dicken, freistehenden Siliziumnitridschichten aufgebaut sind und einem Abstand von 390nm untereinander aufweisen. Die Filter wurden auf Glassubstraten hergestellt. Der Herstellungsprozess ist jedoch auch mit vielen anderen Materialien oder Prozessen kompatibel, so dass z.B. eine Integration mit anderen Bauelemente relativ leicht möglich ist. Die Prozesse dieser ebenfalls oberflächenmikromechanisch hergestellten Filter wurden konsequent auf niedrige Herstellungskosten optimiert. Als Opferschichtmaterial wurde hier amorph abgeschiedenes Silizium verwendet. Der Herstellungsprozess beinhaltet die Abscheidung verspannungsoptimierter Schichten (Silizium und Siliziumnitrid) mittels PECVD, die laterale Strukturierung per reaktiven Ionenätzen mit den Gasen SF6 / CHF3 / Ar sowie Fotolack als Maske, die nasschemische Unterätzung der Opferschichten mittels KOH und das Kritisch-Punkt-Trocken der Proben. Die Ergebnisse der optischen Charakterisierung der Filter zeigen eine hohe Ü bereinstimmung zwischen den experimentell ermittelten Daten und den korrespondierenden theoretischen Modellrechnungen. Weisslichtinterferometermessungen der freigeätzten Strukturen zeigen ebene Filterschichten und bestätigen die hohe vertikale Positioniergenauigkeit, die mit diesem technologischen Ansatz erreicht werden kann.

Elektrochemo- und mikromechanisches Verhalten elektronisch leitfähiger Polymere

Intrinsisch leitfähige Polymere sind durch eine Reihe materialspezifischer Eigenschaften gekennzeichnet. In Abhängigkeit des angelegten Potenzials und der chemischen Umgebung zeigen sie elektrochromes Verhalten, Veränderungen der Masse, des Volumens und der elektronischen Leitfähigkeit. Basierend auf diesen Eigenschaften eignen sich halbleitende organische Polymere als funktionales Material für Anwendungen in der Mikro- und Nanotechnologie, insbesondere für miniaturisierte chemische Sensoren und Aktoren. Im Gegensatz zu konventionellen Piezo-Aktoren operieren diese Aktoren z. B. bei Spannungen unterhalb 1 V. Diese Arbeit befasst sich mit den elektrochemomechanischen Eigenschaften der ausgewählten Polymere Polyanilin und Polypyrrol, d. h. mit den potenzialkontrollierten Veränderungen des Volumens, der Struktur und der mechanischen Eigenschaften. Bei diesem Prozess werden positive Ladungen innerhalb der Polymerphase generiert. Um die für den Ladungsausgleich benötigten Gegenionen bereitzustellen, werden alle Messungen in Anwesenheit eines wässrigen Elektrolyten durchgeführt. Der Ladungstransport und die Volumenänderungen werden mit den Methoden der zyklischen Voltammetrie, der elektrochemischen Quarzmikrowaage und der Rastersondenmikroskopie untersucht. Signifikante Ergebnisse können für dünne homogene Polymerschichten erhalten werden, wobei Schichtdicken oberhalb 150 nm aufgrund der insbesondere bei Polyanilin einsetzenden Bildung von Fadenstrukturen (Fibrillen) vermieden werden. Von besonderem Interesse im Rahmen dieser Arbeit ist die Kombination der funktionalen Polymere mit Strukturen auf Siliziumbasis, insbesondere mit mikrostrukturierten Cantilevern. Die zuvor erhaltenen Ergebnisse bilden die Grundlage für das Design und die Dimensionierung der Mikroaktoren. Diese bestehen aus Siliziumcantilevern, die eine Elektrodenschicht aus Gold oder Platin tragen. Auf der Elektrode wird mittels Elektrodeposition eine homogene Schicht Polymer mit Schichtdicken bis zu 150 nm aufgebracht. Die Aktorcharakteristik, die Biegung des Cantilevers aufgrund des angelegten Potenzials, wird mit dem aus der Rastersondenmikroskopie bekannten Lichtzeigerverfahren gemessen. Das Aktorsystem wird hinsichtlich des angelegten Potenzials, des Elektrolyten und der Redox-Kinetik charakterisiert. Die verschiedenen Beiträge zum Aktorverhalten werden in situ während des Schichtwachstums untersucht. Das beobachtete Verhalten kann als Superposition verschiedener Effekte beschrieben werden. Darunter sind die Elektrodenaufladung (Elektrokapillarität), die Veränderungen der Elektrodenoberfläche durch dünne Oxidschichten und die Elektrochemomechanik des Polymers.

Design and Implementation of a Flexible Robot

This robot has low natural frequencies of vibration. Insights into the problems of designing joint and link flexibility are discussed. The robot has three flexible rotary actuators and two flexible, interchangeable links, and is controlled by three independent processors on a VMEbus. Results from experiments on the control of residual vibration for different types of robot motion are presented. Impulse prefiltering and slowly accelerating moves are compared and shown to be effective at reducing residual vibration.