Persistent random walk model for transport trough thin slabs

We present a model for transport in multiply scattering media based on a three-dimensional generalization of the persistent random walk. The model assumes that photons move along directions that are parallel to the axes. Although this hypothesis is not realistic, it allows us to solve exactly the problem of multiple scattering propagation in a thin slab. Among other quantities, the transmission probability and the mean transmission time can be calculated exactly. Besides being completely solvable, the model could be used as a benchmark for approximation schemes to multiple light scattering.

Aggregate material formulated with MSWI bottom ash and APC fly ash for use as secondary building material

The main goal of this paper is to obtain a granular material formulated with Municipal Solid Waste Incinerarion (MSWI) bottom ash (BA) and air pollution control (APC) ash to be used as secondary building material. Previously, an optimum concrete mixture using both MSWI residues as aggregates was formulated. A compromise between the environmental behaviour and the economy of the process was considered. Unconfined compressive strength and abrasion resistance values were measured in order to evaluate the mechanical properties. From these results, the granular mixture was not suited for certain applications owing to the high BA/APC content and low cement percentages used to reduce the costs of the final product. Nevertheless, the leaching test performed showed that the concentrations of all heavy metals were below the limits established by the current Catalan legislation for their reutilization. Therefore, the material studied might be mainly used in embankments, where high mechanical properties are not needed and environmental safety is assured.

Effects of the epitaxial layer thickness on the noise properties of Schottky barrier diodes

An analytical theory to describe the combined effects of the epitaxial layer thickness and the ohmic contact on the noise properties of Schottky barrier diodes is presented. The theory, which provides information on both the local and the global noise properties, takes into account the finite size of the epitaxial layer and the effects of the back ohmic contact, and applies to the whole range of applied bias. It is shown that by scaling down the epitaxial layer thickness, the current regime in which the noise temperature displays a shot-noise-like behavior increases at the cost of reducing the current range in which the thermal-noise-like behavior dominates. This improvement in noise temperature is limited by the effects of the ohmic contact, which appear for large currents. The theory is formulated on general trends, allowing its application to the noise analysis of other semiconductor devices operating under strongly inhomogeneous distributions of the electric field and charge concentrations.

Effects of the epitaxial layer thickness on the noise properties of Schottky barrier diodes

An analytical theory to describe the combined effects of the epitaxial layer thickness and the ohmic contact on the noise properties of Schottky barrier diodes is presented. The theory, which provides information on both the local and the global noise properties, takes into account the finite size of the epitaxial layer and the effects of the back ohmic contact, and applies to the whole range of applied bias. It is shown that by scaling down the epitaxial layer thickness, the current regime in which the noise temperature displays a shot-noise-like behavior increases at the cost of reducing the current range in which the thermal-noise-like behavior dominates. This improvement in noise temperature is limited by the effects of the ohmic contact, which appear for large currents. The theory is formulated on general trends, allowing its application to the noise analysis of other semiconductor devices operating under strongly inhomogeneous distributions of the electric field and charge concentrations.

The influence of substratum type and nutrient supply on biofilm organic matter utilization in streams

We investigated the effect of benthic substratum type (sand and rocks) and nutrient supply (N and P) on biofilm structure and heterotrophic metabolism in a field experiment in a forested Mediterranean stream (Fuirosos). Rock and sand colonization and biofilm formation was intensively studied for 44 d at two stream reaches: control and experimental (continuous addition of phosphate, ammonia, and nitrate). Structural (C, N, and polysaccharide content and bacterial and chlorophyll density) and metabolic biofilm parameters (b-glucosidase, peptidase, and phosphatase enzyme activities) were analyzed throughout the colonization process. The epilithic biofilm (grown on rocks) had a higher peptidase activity at the impacted reach, together with a higher algal and bacterial biomass. The positive relationship between the peptidase activity per cell and the N content of the epilithic biofilm suggested that heterotrophic utilization of proteinaceous compounds from within the biofilm was occurring. In contrast, nutrient addition caused the epipsammic biofilm (grown on sand) to exhibit lower b-glucosidase and phosphatase activities, without a significant increase in bacterial and algal biomass. The differential response to nutrient addition was related to different structural characteristics within each biofilm. The epipsammic biofilm had a constant and high C:N ratio (22.7) throughout the colonization. The epilithic biofilm had a higher C:N ratio at the beginning of the colonization (43.2) and evolved toward a more complex structure (high polysaccharide content and low C:N ratio) during later stages. The epipsammic biofilm was a site for the accumulation and degradation of organic matter: polysaccharides and organic phosphorus compounds had higher degradation activities

ORGANIC MATTER AND HUMIC FRACTIONS OF A HAPLIC ACRISOL AS AFFECTED BY COMPOSTED PIG SLURRY

The goal of this study was to investigate the effect of composted pig slurry (PS) on the organic matter concentration and distribution of humic acid (HA), fulvic acid (FA) and humin (HU) fractions. The fractions were quantified following the addition of composted PS to the soil, which was produced with no acidification (T2) or with acidification with H3PO4 (T3); and in soil without compost addition (T1). The HA chemical composition was analyzed by FTIR spectroscopy. The addition of the two composts did not change the soil carbon concentration but affected the distribution of the humic fractions. For the three treatments, the carbon concentration of humic substances increased until 52 days following compost addition, with more pronounced increases with the addition of non-acidified PS compost (14.5 g kg-1) and acidified PS compost (15.1 g kg-1). This increase was reflected in both the FA and HA concentrations. The addition of compost with PS acidification resulted in the formation of larger humic micelles (HA) with higher aromatic content and fewer functional groups than the non-acidified PS compost. These findings, together with a lower proportion of carbohydrate-type structures, indicated the presence of more stable humic micelles in the soil treated with acidified PS compost.

Numerical Studies of Dark Energy Models and Observations

The cosmological standard view is based on the assumptions of homogeneity, isotropy and general relativistic gravitational interaction. These alone are not sufficient for describing the current cosmological observations of accelerated expansion of space. Although general relativity is extremely accurately tested to describe the local gravitational phenomena, there is a strong demand for modifying either the energy content of the universe or the gravitational interaction itself to account for the accelerated expansion. By adding a non-luminous matter component and a constant energy component with negative pressure, the observations can be explained with general relativity. Gravitation, cosmological models and their observational phenomenology are discussed in this thesis. Several classes of dark energy models that are motivated by theories outside the standard formulation of physics were studied with emphasis on the observational interpretation. All the cosmological models that seek to explain the cosmological observations, must also conform to the local phenomena. This poses stringent conditions for the physically viable cosmological models. Predictions from a supergravity quintessence model was compared to Supernova 1a data and several metric gravity models were studied with local experimental results. Polytropic stellar configurations of solar, white dwarf and neutron stars were numerically studied with modified gravity models. The main interest was to study the spacetime around the stars. The results shed light on the viability of the studied cosmological models.

Late-life depression, heart failure and frontal white matter hyperintensity: a structural magnetic resonance imaging study

The relevance of the relationship between cardiac disease and depressive symptoms is well established. White matter hyperintensity, a bright signal area in the brain on T2-weighted magnetic resonance imaging scans, has been separately associated with cardiovascular risk factors, cardiac disease and late-life depression. However, no study has directly investigated the association between heart failure, major depressive symptoms and the presence of hyperintensities. Using a visual assessment scale, we have investigated the frequency and severity of white matter hyperintensities identified by magnetic resonance imaging in eight patients with late-life depression and heart failure, ten patients with heart failure without depression, and fourteen healthy elderly volunteers. Since the frontal lobe has been the proposed site for the preferential location of white matter hyperintensities in patients with late-life depression, we focused our investigation specifically on this brain region. Although there were no significant group differences in white matter hyperintensities in the frontal region, a significant direct correlation emerged between the severity of frontal periventricular white matter hyperintensity and scores on the Hamilton scale for depression in the group with heart failure and depression (P = 0.016, controlled for the confounding influence of age). There were no significant findings in any other areas of the brain. This pattern of results adds support to a relationship between cardiovascular risk factors and depressive symptoms, and provides preliminary evidence that the presence of white matter hyperintensities specifically in frontal regions may contribute to the severity of depressive symptoms in cardiac disease.

Maternal aggression in Wistar rats: effect of 5-HT2A/2C receptor agonist and antagonist microinjected into the dorsal periaqueductal gray matter and medial septum

The objective of the present study was to assess the role of the 5-HT2A/2C receptor at two specific brain sites, i.e., the dorsal periaqueductal gray matter (DPAG) and the medial septal (MS) area, in maternal aggressive behavior after the microinjection of either a 5-HT2A/2C receptor agonist or antagonist. Female Wistar rats were microinjected on the 7th postpartum day with the selective agonist alpha-methyl-5-hydroxytryptamine maleate (5-HT2A/2C) or the antagonist 5-HT2A/2C, ketanserin. The agonist was injected into the DPAG at 0.2 (N = 9), 0.5 (N = 10), and 1.0 µg/0.2 µl (N = 9), and the antagonist was injected at 1.0 µg/0.2 µl (N = 9). The agonist was injected into the medial septal area (MS) at 0.2 (N = 9), 0.5 (N = 7), and 1.0 µg/0.2 µl (N = 6) and the antagonist was injected at 1.0 µg/0.2 µl (N = 5). For the control, saline was injected into the DPAG (N = 7) and the MS (N = 12). Both areas are related to aggressive behavior and contain a high density of 5-HT receptors. Non-aggressive behaviors such as horizontal locomotion (walking) and social investigation and aggressive behaviors such as lateral threat (aggressive posture), attacks (frontal and lateral), and biting the intruder were analyzed when a male intruder was placed into the female resident's cage. For each brain area studied, the frequency of the behaviors was compared among the various treatments by analysis of variance. The results showed a decrease in maternal aggressive behavior (number of bites directed at the intruder) after microinjection of the agonist at 0.2 and 1.0 µg/0.2 µl (1.6 ± 0.7 and 0.9 ± 0.3) into the DPAG compared to the saline group (5.5 ± 1.1). There was no dose-response relationship with the agonist. The present findings suggest that the 5-HT2A/2C receptor agonist has an inhibitory effect on maternal aggressive behavior when microinjected into the DPAG and no effect when microinjected into the MS. Ketanserin (1.0 µg/0.2 µl) decreased locomotion when microinjected into the DPAG and MS, but did not affect aggressive behavior. We interpret these findings as evidence for a specific role of 5-HT2A/2C receptors in the DPAG in the inhibition of female aggressive behavior, dissociated from those on motor activity.

Investigation of Frustrated Quasi-One-Dimensional Quantum Spin-Chain Materials

Copper arsenite CuAs2O4 and Copper antimonite CuSb2O4 are S=1/2 (Cu2+ 3d9 electronic configuration) quasi-one-dimensional quantum spin-chain compounds. Both compounds crystallize with tetragonal structures containing edge sharing CuO6 octahedra chains which experience Jahn-Teller distortions. The basal planes of the octahedra link together to form CuO2 ribbon-chains which harbor Cu2+ spin-chains. These compounds are magnetically frustrated with competing nearest-neighbour and next-nearest-neighbour intrachain spin-exchange interactions. Despite the similarities between CuAs2O4 and CuSb2O4, they exhibit very different magnetic properties. In this thesis work, the physical properties of CuAs2O4 and CuSb2O4 are investigated using a variety of experimental techniques which include x-ray diffraction, magnetic susceptibility measurements, heat capacity measurements, Raman spectroscopy, electron paramagnetic resonance, neutron diffraction, and dielectric capacitance measurements. CuAs2O4 exhibits dominant ferromagnetic nearest-neighbour and weaker antiferromagnetic next-nearest-neighbour intrachain spin-exchange interactions. The ratio of the intrachain interactions amounts to Jnn/Jnnn = -4.1. CuAs2O4 was found to order with a ferromagnetic groundstate below TC = 7.4 K. An extensive physical characterization of the magnetic and structural properties of CuAs2O4 was carried out. Under the effect of hydrostatic pressure, CuAs2O4 was found to undergo a structural phase transition at 9 GPa to a new spin-chain structure. The structural phase transition is accompanied by a severe alteration of the magnetic properties. The high-pressure phase exhibits dominant ferromagnetic next-nearest-neighbour spin-exchange interactions and weaker ferromagnetic nearest-neighbour interactions. The ratio of the intrachain interactions in the high-pressure phase was found to be Jnn/Jnnn = 0.3. Structural and magnetic characterizations under hydrostatic pressure are reported and a relationship between the structural and magnetic properties was established. CuSb2O4 orders antiferromagnetically below TN = 1.8 K with an incommensurate helicoidal magnetic structure. CuSb2O4 is characterized by ferromagnetic nearest-neighbour and antiferromagnetic next-nearest-neighbour spin-exchange interactions with Jnn/Jnnn = -1.8. A (H, T) magnetic phase diagram was constructed using low-temperature magnetization and heat capacity measurements. The resulting phase diagram contains multiple phases as a consequence of the strong intrachain magnetic frustration. Indications of ferroelectricity were observed in the incommensurate antiferromagnetic phase.

Anisotropie de la photoluminescence dans des nanostructures organiques chirales autoassemblées

Nous investiguons dans ce travail la dynamique des excitons dans une couche mince d’agrégats H autoassemblés hélicoïdaux de molécules de sexithiophène. Le couplage intermoléculaire (J=100 meV) place ce matériau dans la catégorie des semi-conducteurs à couplage de type intermédiaire. Le désordre énergétique et la forte interaction électronsphonons causent une forte localisation des excitons. Les espèces initiales se ramifient en deux états distincts : un état d’excitons autopiégés (rendement de 95 %) et un état à transfert de charge (rendement de 5%). À température de la pièce (293K), les processus de sauts intermoléculaires sont activés et l’anisotropie de la fluorescence décroît rapidement à zéro en 5 ns. À basse température (14K), les processus de sauts sont gelés. Pour caractériser la dynamique de diffusion des espèces, une expérience d’anisotropie de fluorescence a été effectuée. Celle-ci consiste à mesurer la différence entre la photoluminescence polarisée parallèlement au laser excitateur et celle polarisée perpendiculairement, en fonction du temps. Cette mesure nous donne de l’information sur la dépolarisation des excitons, qui est directement reliée à leur diffusion dans la structure supramoléculaire. On mesure une anisotropie de 0,1 après 20 ns qui perdure jusqu’à 50ns. Les états à transfert de charge causent une remontée de l’anisotropie vers une valeur de 0,15 sur une plage temporelle allant de 50 ns jusqu’à 210 ns (période entre les impulsions laser). Ces résultats démontrent que la localisation des porteurs est très grande à 14K, et qu’elle est supérieure pour les espèces à transfert de charge. Un modèle numérique simple d’équations différentielles à temps de vie radiatif et de dépolarisation constants permet de reproduire les données expérimentales. Ce modèle a toutefois ses limitations, notamment en ce qui a trait aux mécanismes de dépolarisation des excitons.

Dynamique de recombinaison dans les puits quantiques InGaN/GaN

Nous étudions la recombinaison radiative des porteurs de charges photogénérés dans les puits quantiques InGaN/GaN étroits (2 nm). Nous caractérisons le comportement de la photoluminescence face aux différentes conditions expérimentales telles la température, l'énergie et la puissance de l'excitation et la tension électrique appliquée. Ces mesures montrent que l'émission provient d'états localisés. De plus, les champs électriques, présents nativement dans ces matériaux, n'ont pas une influence dominante sur la recombinaison des porteurs. Nous avons montré que le spectre d'émission se modifie significativement et subitement lorsque la puissance de l'excitation passe sous un certain seuil. L'émission possède donc deux ``phases'' dont nous avons déterminé le diagramme. La phase adoptée dépend à la fois de la puissance, de la température et de la tension électrique appliquée. Nous proposons que la phase à basse puissance soit associée à un état électriquement chargé dans le matériau. Ensuite, nous avons caractérisé la dynamique temporelle de notre échantillon. Le taux de répétition de l'excitation a une influence importante sur la dynamique mesurée. Nous concluons qu'elle ne suit pas une exponentielle étirée comme on le pensait précédemment. Elle est exponentielle à court temps et suit une loi de puissance à grand temps. Ces deux régimes sont lié à un seul et même mécanisme de recombinaison. Nous avons développé un modèle de recombinaison à trois niveaux afin d'expliquer le comportement temporel de la luminescence. Ce modèle suppose l'existence de centres de localisation où les porteurs peuvent se piéger, indépendamment ou non. L'électron peut donc se trouver sur un même centre que le trou ou sur n'importe quel autre centre. En supposant le transfert des porteurs entre centres par saut tunnel on détermine, en fonction de la distribution spatiale des centres, la dynamique de recombinaison. Ce modèle indique que la recombinaison dans les puits InGaN/GaN minces est liée à des agglomérats de centre de localisation.

L’étude de l’InP et du GaP suite à l’implantation ionique de Mn et à un recuit thermique

Cette thèse est dédiée à l’étude des matériaux InMnP et GaMnP fabriqués par implantation ionique et recuit thermique. Plus précisément nous avons investigué la possibilité de former par implantation ionique des matériaux homogènes (alliages) de InMnP et GaMnP contenant de 1 à 5 % atomiques de Mn qui seraient en état ferromagnétique, pour des possibles applications dans la spintronique. Dans un premier chapitre introductif nous donnons les motivations de cette recherche et faisons une revue de la littérature sur ce sujet. Le deuxième chapitre décrit les principes de l’implantation ionique, qui est la technique utilisée pour la fabrication des échantillons. Les effets de l’énergie, fluence et direction du faisceau ionique sur le profil d’implantation et la formation des dommages seront mis en évidence. Aussi dans ce chapitre nous allons trouver des informations sur les substrats utilisés pour l’implantation. Les techniques expérimentales utilisées pour la caractérisation structurale, chimique et magnétique des échantillons, ainsi que leurs limitations sont présentées dans le troisième chapitre. Quelques principes théoriques du magnétisme nécessaires pour la compréhension des mesures magnétiques se retrouvent dans le chapitre 4. Le cinquième chapitre est dédié à l’étude de la morphologie et des propriétés magnétiques des substrats utilisés pour implantation et le sixième chapitre, à l’étude des échantillons implantés au Mn sans avoir subi un recuit thermique. Notamment nous allons voir dans ce chapitre que l’implantation de Mn à plus que 1016 ions/cm2 amorphise la partie implantée du matériau et le Mn implanté se dispose en profondeur sur un profil gaussien. De point de vue magnétique les atomes implantés se trouvent dans un état paramagnétique entre 5 et 300 K ayant le spin 5/2. Dans le chapitre 7 nous présentons les propriétés des échantillons recuits à basses températures. Nous allons voir que dans ces échantillons la couche implantée est polycristalline et les atomes de Mn sont toujours dans un état paramagnétique. Dans les chapitres 8 et 9, qui sont les plus volumineux, nous présentons les résultats des mesures sur les échantillons recuits à hautes températures : il s’agit d’InP et du GaP implantés au Mn, dans le chapitre 8 et d’InP co-implanté au Mn et au P, dans le chapitre 9. D’abord, dans le chapitre 8 nous allons voir que le recuit à hautes températures mène à une recristallisation épitaxiale du InMnP et du GaMnP; aussi la majorité des atomes de Mn se déplacent vers la surface à cause d’un effet de ségrégation. Dans les régions de la surface, concentrés en Mn, les mesures XRD et TEM identifient la formation de MnP et d’In cristallin. Les mesures magnétiques identifient aussi la présence de MnP ferromagnétique. De plus dans ces mesures on trouve qu’environ 60 % du Mn implanté est en état paramagnétique avec la valeur du spin réduite par rapport à celle trouvée dans les échantillons non-recuits. Dans les échantillons InP co-implantés au Mn et au P la recristallisation est seulement partielle mais l’effet de ségrégation du Mn à la surface est beaucoup réduit. Dans ce cas plus que 50 % du Mn forme des particules MnP et le restant est en état paramagnétique au spin 5/2, dilué dans la matrice de l’InP. Finalement dans le dernier chapitre, 10, nous présentons les conclusions principales auxquels nous sommes arrivés et discutons les résultats et leurs implications.

Étude des aimants quantiques et supraconducteurs non conventionnels

Une première partie de ce mémoire portera sur l’analyse des états fondamentaux ma- gnétiques de deux composés isolants et magnétiquement frustrés SrDy2O4 et SrHo2O4. Une étude de la chaleur spécifique à basse température sous l’effet de champs magné- tiques de ces échantillons a été menée afin de détecter la présence de transitions de phases. L’utilisation d’un composé isotructurel non magnétique, le SrLu2O4, a permis l’isolement de la composante magnétique à la chaleur spécifique. Les comportements observés sont non conformes avec les transitions magnétiques conventionnelles. De plus, le calcul de l’entropie magnétique ne montre qu’un recouvrement partiel de l’entropie associée à un système d’ions magnétiques. En second lieu, une analyse des oscillations quantiques de Haas-van Alphen a été effectuée dans le LuCoIn5, composé apparenté au supraconducteur à fermions lourds CeCoIn5. Les résultats obtenus montrent une topologie de la surface de Fermi très différente comparativement aux CeCoIn5 et LaCoIn5, ayant un comportement beaucoup plus tridimensionnel sans les cylindres caractéristiques présents chez les autres membres de cette famille. Finalement, le montage d’un système de détection PIXE a permis l’analyse nucléaire d’échantillons afin de déterminer la concentration de chacun des éléments les constituant. L’analyse a été effectuée sur une série d’échantillons YbxCe1−xCoIn5 dont le changement de concentration a des effets importants sur les propriétés du système.