Estudo e aplicação da transformada de Fourier na regularização de dados sísmicos na exploração de petróleo

In the oil prospection research seismic data are usually irregular and sparsely sampled along the spatial coordinates due to obstacles in placement of geophones. Fourier methods provide a way to make the regularization of seismic data which are efficient if the input data is sampled on a regular grid. However, when these methods are applied to a set of irregularly sampled data, the orthogonality among the Fourier components is broken and the energy of a Fourier component may "leak" to other components, a phenomenon called "spectral leakage". The objective of this research is to study the spectral representation of irregularly sampled data method. In particular, it will be presented the basic structure of representation of the NDFT (nonuniform discrete Fourier transform), study their properties and demonstrate its potential in the processing of the seismic signal. In this way we study the FFT (fast Fourier transform) and the NFFT (nonuniform fast Fourier transform) which rapidly calculate the DFT (discrete Fourier transform) and NDFT. We compare the recovery of the signal using the FFT, DFT and NFFT. We approach the interpolation of seismic trace using the ALFT (antileakage Fourier transform) to overcome the problem of spectral leakage caused by uneven sampling. Applications to synthetic and real data showed that ALFT method works well on complex geology seismic data and suffers little with irregular spatial sampling of the data and edge effects, in addition it is robust and stable with noisy data. However, it is not as efficient as the FFT and its reconstruction is not as good in the case of irregular filling with large holes in the acquisition.

Functionals for TDDFT description of electron transport in nanostructures

La Teoria di Densità Funzionale (DFT) e la sua versione dipendente dal tempo (TDDFT) sono strumenti largamente usati per simulare e calcolare le proprietà statiche e dinamiche di sistemi con elettroni interagenti. La precisione del metodo si basa su una serie di approssimazioni degli effetti di exchange correlation fra gli elettroni, descritti da un funzionale della sola densità di carica. Nella presente tesi viene testata l'affidabilità del funzionale Mixed Localization Potential (MLP), una media pesata fra Single Orbital Approximation (SOA) e un potenziale di riferimento, ad esempio Local Density Approximation (LDA). I risultati mostrano capacità simulative superiori a LDA per i sistemi statici (curando anche un limite di LDA noto in letteratura come fractional dissociation) e dei progressi per sistemi dinamici quando si sviluppano correnti di carica. Il livello di localizzazione del sistema, inteso come la capacità di un elettrone di tenere lontani da sé altri elettroni, è descritto dalla funzione Electron Localization Function (ELF). Viene studiato il suo ruolo come guida nella costruzione e ottimizzazione del funzionale MLP.

Il polimorfismo del paracetamolo: indagine mediante spettroscopia Raman e metodi computazionali

Lo studio del polimorfismo gioca un ruolo fondamentale in diversi ambiti di ricerca, con applicazioni importanti nel campo dei semi conduttori organici e dei farmaci, dovuto al fatto che i diversi polimorfi di una sostanza presentano proprietà chimico-fisiche distinte. Questo lavoro di tesi si è focalizzato sullo studio del polimorfismo del paracetamolo, principio attivo (API) di diversi farmaci molto utilizzati, attraverso l’utilizzo della microscopia Raman. La microscopia Raman è una tecnica efficace per l’indagine del polimorfismo di materiali organici ed inorganici, in quanto permette di monitorare la presenza di diverse fasi solide e le loro trasformazioni su scala micrometrica. Le differenze di struttura cristallina che caratterizzano i polimorfi vengono analizzate attraverso gli spettri Raman nella regione dei modi reticolari (10-150 cm^{-1}), le cui frequenze sondano le interazioni inter-molecolari, molto sensibili anche a lievi differenze di impaccamento molecolare. Con questa tecnica abbiamo caratterizzato le forme I, II, III (quella elusiva) e diverse miscele di fase di paracetamolo su campioni ottenuti con numerose tecniche di crescita dei cristalli. Per questa tesi è stato svolto anche uno studio computazionale, attraverso metodi Density Functional Theory (DFT) per la molecola isolata e metodi di minimizzazione dell’energia e di dinamica reticolare per i sistemi cristallini. Abbiamo inoltre verificato se il modello di potenziale di letteratura scelto (Dreiding [Mayo1990]) fosse adatto per descrivere la molecola di paracetamolo, le strutture dei suoi polimorfi e i relativi spettri vibrazionali.

Caractérisation tridimensionnelle de l’amplitude articulaire de l’épaule

L’épaule est l’articulation la plus mobile et la plus instable du corps humain dû à la faible quantité de contraintes osseuses et au rôle des tissus mous qui lui confèrent au moins une dizaine de degrés de liberté. La mobilité de l’épaule est un facteur de performance dans plusieurs sports. Mais son instabilité engendre des troubles musculo-squelettiques, dont les déchirures de la coiffe des rotateurs sont fréquentes et les plus handicapantes. L’évaluation de l’amplitude articulaire est un indice commun de la fonction de l’épaule, toutefois elle est souvent limitée à quelques mesures planaires pour lesquelles les degrés de liberté varient indépendamment les uns des autres. Ces valeurs utilisées dans les modèles de simulation musculo-squelettiques peuvent amener à des solutions non physiologiques. L’objectif de cette thèse était de développer des outils pour la caractérisation de la mobilité articulaire tri-dimensionnelle de l’épaule, en passant par i) fournir une méthode et son approche expérimentale pour évaluer l’amplitude articulaire tridimensionnelle de l’épaule incluant des interactions entre les degrés de liberté ; ii) proposer une représentation permettant d’interpréter les données tri-dimensionnelles obtenues; iii) présenter des amplitudes articulaires normalisées, iv) implémenter une amplitude articulaire tridimensionnelle au sein d’un modèle de simulation numérique afin de générer des mouvements sportifs optimaux plus réalistes; v) prédire des amplitudes articulaires sécuritaires et vi) des exercices de rééducation sécuritaires pour des patients ayant subi une réparation de la coiffe des rotateurs. i) Seize sujets ont été réalisé séries de mouvements d’amplitudes maximales actifs avec des combinaisons entre les différents degrés de liberté de l’épaule. Un système d’analyse du mouvement couplé à un modèle cinématique du membre supérieur a été utilisé pour estimer les cinématiques articulaires tridimensionnelles. ii) L’ensemble des orientations définies par une séquence de trois angles a été inclus dans un polyèdre non convexe représentant l’espace de mobilité articulaire prenant en compte les interactions entre les degrés de liberté. La combinaison des séries d’élévation et de rotation est recommandée pour évaluer l’amplitude articulaire complète de l’épaule. iii) Un espace de mobilité normalisé a également été défini en englobant les positions atteintes par au moins 50% des sujets et de volume moyen. iv) Cet espace moyen, définissant la mobilité physiologiques, a été utilisé au sein d’un modèle de simulation cinématique utilisé pour optimiser la technique d’un élément acrobatique de lâcher de barres réalisée par des gymnastes. Avec l’utilisation régulière de limites articulaires planaires pour contraindre la mobilité de l’épaule, seulement 17% des solutions optimales sont physiologiques. En plus, d’assurer le réalisme des solutions, notre contrainte articulaire tridimensionnelle n’a pas affecté le coût de calculs de l’optimisation. v) et vi) Les seize participants ont également réalisé des séries d’amplitudes articulaires passives et des exercices de rééducation passifs. La contrainte dans l’ensemble des muscles de la coiffe des rotateurs au cours de ces mouvements a été estimée à l’aide d’un modèle musculo-squelettique reproduisant différents types et tailles de déchirures. Des seuils de contrainte sécuritaires ont été utilisés pour distinguer les amplitudes de mouvements risquées ou non pour l’intégrité de la réparation chirurgicale. Une taille de déchirure plus grande ainsi que les déchirures affectant plusieurs muscles ont contribué à réduire l’espace de mobilité articulaire sécuritaire. Principalement les élévations gléno-humérales inférieures à 38° et supérieures à 65°, ou réalisées avec le bras maintenu en rotation interne engendrent des contraintes excessives pour la plupart des types et des tailles de blessure lors de mouvements d’abduction, de scaption ou de flexion. Cette thèse a développé une représentation innovante de la mobilité de l’épaule, qui tient compte des interactions entre les degrés de liberté. Grâce à cette représentation, l’évaluation clinique pourra être plus exhaustive et donc élargir les possibilités de diagnostiquer les troubles de l’épaule. La simulation de mouvement peut maintenant être plus réaliste. Finalement, nous avons montré l’importance de personnaliser la rééducation des patients en termes d’amplitude articulaire, puisque des exercices passifs de rééducation précoces peuvent contribuer à une re-déchirure à cause d’une contrainte trop importante qu’ils imposent aux tendons.

Investigating the encoding of visual stimuli by forming neural circuits in the cat primary visual cortex

Contexte La connectomique, ou la cartographie des connexions neuronales, est un champ de recherche des neurosciences évoluant rapidement, promettant des avancées majeures en ce qui concerne la compréhension du fonctionnement cérébral. La formation de circuits neuronaux en réponse à des stimuli environnementaux est une propriété émergente du cerveau. Cependant, la connaissance que nous avons de la nature précise de ces réseaux est encore limitée. Au niveau du cortex visuel, qui est l’aire cérébrale la plus étudiée, la manière dont les informations se transmettent de neurone en neurone est une question qui reste encore inexplorée. Cela nous invite à étudier l’émergence des microcircuits en réponse aux stimuli visuels. Autrement dit, comment l’interaction entre un stimulus et une assemblée cellulaire est-elle mise en place et modulée? Méthodes En réponse à la présentation de grilles sinusoïdales en mouvement, des ensembles neuronaux ont été enregistrés dans la couche II/III (aire 17) du cortex visuel primaire de chats anesthésiés, à l’aide de multi-électrodes en tungstène. Des corrélations croisées ont été effectuées entre l’activité de chacun des neurones enregistrés simultanément pour mettre en évidence les liens fonctionnels de quasi-synchronie (fenêtre de ± 5 ms sur les corrélogrammes croisés corrigés). Ces liens fonctionnels dévoilés indiquent des connexions synaptiques putatives entre les neurones. Par la suite, les histogrammes peri-stimulus (PSTH) des neurones ont été comparés afin de mettre en évidence la collaboration synergique temporelle dans les réseaux fonctionnels révélés. Enfin, des spectrogrammes dépendants du taux de décharges entre neurones ou stimulus-dépendants ont été calculés pour observer les oscillations gamma dans les microcircuits émergents. Un indice de corrélation (Rsc) a également été calculé pour les neurones connectés et non connectés. Résultats Les neurones liés fonctionnellement ont une activité accrue durant une période de 50 ms contrairement aux neurones fonctionnellement non connectés. Cela suggère que les connexions entre neurones mènent à une synergie de leur inter-excitabilité. En outre, l’analyse du spectrogramme dépendant du taux de décharge entre neurones révèle que les neurones connectés ont une plus forte activité gamma que les neurones non connectés durant une fenêtre d’opportunité de 50ms. L’activité gamma de basse-fréquence (20-40 Hz) a été associée aux neurones à décharge régulière (RS) et l’activité de haute fréquence (60-80 Hz) aux neurones à décharge rapide (FS). Aussi, les neurones fonctionnellement connectés ont systématiquement un Rsc plus élevé que les neurones non connectés. Finalement, l’analyse des corrélogrammes croisés révèle que dans une assemblée neuronale, le réseau fonctionnel change selon l’orientation de la grille. Nous démontrons ainsi que l’intensité des relations fonctionnelles dépend de l’orientation de la grille sinusoïdale. Cette relation nous a amené à proposer l’hypothèse suivante : outre la sélectivité des neurones aux caractères spécifiques du stimulus, il y a aussi une sélectivité du connectome. En bref, les réseaux fonctionnels «signature » sont activés dans une assemblée qui est strictement associée à l’orientation présentée et plus généralement aux propriétés des stimuli. Conclusion Cette étude souligne le fait que l’assemblée cellulaire, plutôt que le neurone, est l'unité fonctionnelle fondamentale du cerveau. Cela dilue l'importance du travail isolé de chaque neurone, c’est à dire le paradigme classique du taux de décharge qui a été traditionnellement utilisé pour étudier l'encodage des stimuli. Cette étude contribue aussi à faire avancer le débat sur les oscillations gamma, en ce qu'elles surviennent systématiquement entre neurones connectés dans les assemblées, en conséquence d’un ajout de cohérence. Bien que la taille des assemblées enregistrées soit relativement faible, cette étude suggère néanmoins une intrigante spécificité fonctionnelle entre neurones interagissant dans une assemblée en réponse à une stimulation visuelle. Cette étude peut être considérée comme une prémisse à la modélisation informatique à grande échelle de connectomes fonctionnels.

Charge compensation and Ce3+ formation in trivalent doping of the CeO2(110) surface: The key role of dopant ionic radius

In this paper, we use density functional theory corrected for on-site Coulomb interactions (DFT + U) and hybrid DFT (HSE06 functional) to study the defects formed when the ceria (110) surface is doped with a series of trivalent dopants, namely, Al3+, Sc3+, Y3+, and In 3+. Using the hybrid DFT HSE06 exchange-correlation functional as a benchmark, we show that doping the (110) surface with a single trivalent ion leads to formation of a localized MCe / + O O • (M = the 3+ dopant), O- hole state, confirming the description found with DFT + U. We use DFT + U to investigate the energetics of dopant compensation through formation of the 2MCe ′ +VO ̈ defect, that is, compensation of two dopants with an oxygen vacancy. In conjunction with earlier work on La-doped CeO2, we find that the stability of the compensating anion vacancy depends on the dopant ionic radius. For Al3+, which has the smallest ionic radius, and Sc3+ and In3+, with intermediate ionic radii, formation of a compensating oxygen vacancy is stable. On the other hand, the Y3+ dopant, with an ionic radius close to that of Ce4+, shows a positive anion vacancy formation energy, as does La3+, which is larger than Ce4+ (J. Phys.: Condens. Matter 2010, 20, 135004). When considering the resulting electronic structure, in Al3+ doping, oxygen hole compensation is found. However, Sc 3+, In3+, and Y3+ show the formation of a reduced Ce3+ cation and an uncompensated oxygen hole, similar to La3+. These results suggest that the ionic radius of trivalent dopants strongly influences the final defect formed when doping ceria with 3+ cations. In light of these findings, experimental investigations of these systems will be welcome.

Hybrid density functional theory description of N- and C-doping of NiO

The large intrinsic bandgap of NiO hinders its potential application as a photocatalyst under visible-light irradiation. In this study, we have performed first-principles screened exchange hybrid density functional theory with the HSE06 functional calculations of N- and C-doped NiO to investigate the effect of doping on the electronic structure of NiO. C-doping at an oxygen site induces gap states due to the dopant, the positions of which suggest that the top of the valence band is made up primarily of C 2p-derived states with some Ni 3d contributions, and the lowest-energy empty state is in the middle of the gap. This leads to an effective bandgap of 1.7 eV, which is of potential interest for photocatalytic applications. N-doping induces comparatively little dopant-Ni 3d interactions, but results in similar positions of dopant-induced states, i.e., the top of the valence band is made up of dopant 2p states and the lowest unoccupied state is the empty gap state derived from the dopant, leading to bandgap narrowing. With the hybrid density functional theory (DFT) results available, we discuss issues with the DFT corrected for on-site Coulomb description of these systems.

Lead oxide-modified TiO2 photocatalyst: tuning light absorption and charge carrier separation by lead oxidation state

Modification of TiO2 with metal oxide nanoclusters such as FeOx, NiOx has been shown to be a promising approach to the design of new photocatalysts with visible light absorption and improved electron–hole separation. To study further the factors that determine the photocatalytic properties of structures of this type, we present in this paper a first principles density functional theory (DFT) investigation of TiO2 rutile(110) and anatase(001) modified with PbO and PbO2 nanoclusters, with Pb2+ and Pb4+ oxidation states. This allows us to unravel the effect of the Pb oxidation state on the photocatalytic properties of PbOx-modified TiO2. The nanoclusters adsorb strongly at all TiO2 surfaces, creating new Pb–O and Ti–O interfacial bonds. Modification with PbO and PbO2 nanoclusters introduces new states in the original band gap of rutile and anatase. However the oxidation state of Pb has a dramatic impact on the nature of the modifications of the band edges of TiO2 and on the electron–hole separation mechanism. PbO nanocluster modification leads to an upwards shift of the valence band which reduces the band gap and upon photoexcitation results in hole localisation on the PbO nanocluster and electron localisation on the surface. By contrast, for PbO2 nanocluster modification the hole will be localised on the TiO2 surface and the electron on the nanocluster, thus giving rise to two different band gap reduction and electron–hole separation mechanisms. We find no crystal structure sensitivity, with both rutile and anatase surfaces showing similar properties upon modification with PbOx. In summary the photocatalytic properties of heterostructures of TiO2 with oxide nanoclusters can be tuned by oxidation state of the modifying metal oxide, with the possibility of a reduced band gap causing visible light activation and a reduction in charge carrier recombination.

Testing of Interposer-Based 2.5D Integrated Circuits

The unprecedented and relentless growth in the electronics industry is feeding the demand for integrated circuits (ICs) with increasing functionality and performance at minimum cost and power consumption. As predicted by Moore's law, ICs are being aggressively scaled to meet this demand. While the continuous scaling of process technology is reducing gate delays, the performance of ICs is being increasingly dominated by interconnect delays. In an effort to improve submicrometer interconnect performance, to increase packing density, and to reduce chip area and power consumption, the semiconductor industry is focusing on three-dimensional (3D) integration. However, volume production and commercial exploitation of 3D integration are not feasible yet due to significant technical hurdles.

At the present time, interposer-based 2.5D integration is emerging as a precursor to stacked 3D integration. All the dies and the interposer in a 2.5D IC must be adequately tested for product qualification. However, since the structure of 2.5D ICs is different from the traditional 2D ICs, new challenges have emerged: (1) pre-bond interposer testing, (2) lack of test access, (3) limited ability for at-speed testing, (4) high density I/O ports and interconnects, (5) reduced number of test pins, and (6) high power consumption. This research targets the above challenges and effective solutions have been developed to test both dies and the interposer.

The dissertation first introduces the basic concepts of 3D ICs and 2.5D ICs. Prior work on testing of 2.5D ICs is studied. An efficient method is presented to locate defects in a passive interposer before stacking. The proposed test architecture uses e-fuses that can be programmed to connect or disconnect functional paths inside the interposer. The concept of a die footprint is utilized for interconnect testing, and the overall assembly and test flow is described. Moreover, the concept of weighted critical area is defined and utilized to reduce test time. In order to fully determine the location of each e-fuse and the order of functional interconnects in a test path, we also present a test-path design algorithm. The proposed algorithm can generate all test paths for interconnect testing.

In order to test for opens, shorts, and interconnect delay defects in the interposer, a test architecture is proposed that is fully compatible with the IEEE 1149.1 standard and relies on an enhancement of the standard test access port (TAP) controller. To reduce test cost, a test-path design and scheduling technique is also presented that minimizes a composite cost function based on test time and the design-for-test (DfT) overhead in terms of additional through silicon vias (TSVs) and micro-bumps needed for test access. The locations of the dies on the interposer are taken into consideration in order to determine the order of dies in a test path.

To address the scenario of high density of I/O ports and interconnects, an efficient built-in self-test (BIST) technique is presented that targets the dies and the interposer interconnects. The proposed BIST architecture can be enabled by the standard TAP controller in the IEEE 1149.1 standard. The area overhead introduced by this BIST architecture is negligible; it includes two simple BIST controllers, a linear-feedback-shift-register (LFSR), a multiple-input-signature-register (MISR), and some extensions to the boundary-scan cells in the dies on the interposer. With these extensions, all boundary-scan cells can be used for self-configuration and self-diagnosis during interconnect testing. To reduce the overall test cost, a test scheduling and optimization technique under power constraints is described.

In order to accomplish testing with a small number test pins, the dissertation presents two efficient ExTest scheduling strategies that implements interconnect testing between tiles inside an system on chip (SoC) die on the interposer while satisfying the practical constraint that the number of required test pins cannot exceed the number of available pins at the chip level. The tiles in the SoC are divided into groups based on the manner in which they are interconnected. In order to minimize the test time, two optimization solutions are introduced. The first solution minimizes the number of input test pins, and the second solution minimizes the number output test pins. In addition, two subgroup configuration methods are further proposed to generate subgroups inside each test group.

Finally, the dissertation presents a programmable method for shift-clock stagger assignment to reduce power supply noise during SoC die testing in 2.5D ICs. An SoC die in the 2.5D IC is typically composed of several blocks and two neighboring blocks that share the same power rails should not be toggled at the same time during shift. Therefore, the proposed programmable method does not assign the same stagger value to neighboring blocks. The positions of all blocks are first analyzed and the shared boundary length between blocks is then calculated. Based on the position relationships between the blocks, a mathematical model is presented to derive optimal result for small-to-medium sized problems. For larger designs, a heuristic algorithm is proposed and evaluated.

In summary, the dissertation targets important design and optimization problems related to testing of interposer-based 2.5D ICs. The proposed research has led to theoretical insights, experiment results, and a set of test and design-for-test methods to make testing effective and feasible from a cost perspective.

Effect of reaction mechanism on precursor exposure time in atomic layer deposition of silicon oxide and silicon nitride

Atomic layer deposition (ALD) of highly conformal, silicon-based dielectric thin films has become necessary because of the continuing decrease in feature size in microelectronic devices. The ALD of oxides and nitrides is usually thought to be mechanistically similar, but plasma-enhanced ALD of silicon nitride is found to be problematic, while that of silicon oxide is straightforward. To find why, the ALD of silicon nitride and silicon oxide dielectric films was studied by applying ab initio methods to theoretical models for proposed surface reaction mechanisms. The thermodynamic energies for the elimination of functional groups from different silicon precursors reacting with simple model molecules were calculated using density functional theory (DFT), explaining the lower reactivity of precursors toward the deposition of silicon nitride relative to silicon oxide seen in experiments, but not explaining the trends between precursors. Using more realistic cluster models of amine and hydroxyl covered surfaces, the structures and energies were calculated of reaction pathways for chemisorption of different silicon precursors via functional group elimination, with more success. DFT calculations identified the initial physisorption step as crucial toward deposition and this step was thus used to predict the ALD reactivity of a range of amino-silane precursors, yielding good agreement with experiment. The retention of hydrogen within silicon nitride films but not in silicon oxide observed in FTIR spectra was accounted for by the theoretical calculations and helped verify the application of the model.

Visualizing Rare Watson-Crick-Like Tautomeric and Anionic Mismatches in DNA and RNA

The central dogma of molecular biology relies on the correct Watson-Crick (WC) geometry of canonical deoxyribonucleic acid (DNA) dG•dC and dA•dT base pairs to replicate and transcribe genetic information with speed and an astonishing level of fidelity. In addition, the Watson-Crick geometry of canonical ribonucleic acid (RNA) rG•rC and rA•rU base pairs is highly conserved to ensure that proteins are translated with high fidelity. However, numerous other potential nucleobase tautomeric and ionic configurations are possible that can give rise to entirely new pairing modes between the nucleotide bases. Very early on, James Watson and Francis Crick recognized their importance and in 1953 postulated that if bases adopted one of their less energetically disfavored tautomeric forms (and later ionic forms) during replication it could lead to the formation of a mismatch with a Watson-Crick-like geometry and could give rise to “natural mutations.”

Since this time numerous studies have provided evidence in support of this hypothesis and have expanded upon it; computational studies have addressed the energetic feasibilities of different nucleobases’ tautomeric and ionic forms in siico; crystallographic studies have trapped different mismatches with WC-like geometries in polymerase or ribosome active sites. However, no direct evidence has been given for (i) the direct existence of these WC-like mismatches in canonical DNA duplex, RNA duplexes, or non-coding RNAs; (ii) which, if any, tautomeric or ionic form stabilizes the WC-like geometry. This thesis utilizes nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and rotating frame relaxation dispersion (R1ρ RD) in combination with density functional theory (DFT), biochemical assays, and targeted chemical perturbations to show that (i) dG•dT mismatches in DNA duplexes, as well as rG•rU mismatches RNA duplexes and non-coding RNAs, transiently adopt a WC-like geometry that is stabilized by (ii) an interconnected network of rapidly interconverting rare tautomers and anionic bases. These results support Watson and Crick’s tautomer hypothesis, but additionally support subsequent hypotheses invoking anionic mismatches and ultimately tie them together. This dissertation shows that a common mismatch can adopt a Watson-Crick-like geometry globally, in both DNA and RNA, and whose geometry is stabilized by a kinetically linked network of rare tautomeric and anionic bases. The studies herein also provide compelling evidence for their involvement in spontaneous replication and translation errors.

Low valence cation doping of bulk Cr2O3: Charge compensation and oxygen vacancy formation

The different oxidation states of chromium allow its bulk oxide form to be reducible, facilitating the oxygen vacancy formation process, which is a key property in applications such as catalysis. Similar to other useful oxides such as TiO2, and CeO2, the effect of substitutional metal dopants in bulk Cr2O3 and its effect on the electronic structure and oxygen vacancy formation are of interest, particularly in enhancing the latter. In this paper, density functional theory (DFT) calculations with a Hubbard + U correction (DFT+U) applied to the Cr 3d and O 2p states, are carried out on pure and metal-doped bulk Cr2O3 to examine the effect of doping on the electronic and geometric structure. The role of dopants in enhancing the reducibility of Cr2O3 is examined to promote oxygen vacancy formation. The dopants are Mg, Cu, Ni, and Zn, which have a formal +2 oxidation state in their bulk oxides. Given this difference in host and, dopant oxidation states, we show that to predict the correct ground state two metal dopants charge compensated with an oxygen vacancy are required. The second oxygen atom removed is termed "the active" oxygen vacancy and it is the energy required to remove this atom that is related to the reduction process. In all cases, we find that substitutional doping improves the oxygen vacancy formation of bulk Cr2O3 by lowering the energy cost.

Utilisation de la tomodensitométrie à deux énergies pour le calcul de dose en curiethérapie à bas débit

Dans la pratique actuelle de la curiethérapie à bas débit, l'évaluation de la dose dans la prostate est régie par le protocole défini dans le groupe de travail 43 (TG-43) de l'American Association of Physicists in Medicine. Ce groupe de travail suppose un patient homogène à base d'eau de même densité et néglige les changements dans l'atténuation des photons par les sources de curiethérapie. En considérant ces simplifications, les calculs de dose se font facilement à l'aide d'une équation, indiquée dans le protocole. Bien que ce groupe de travail ait contribué à l'uniformisation des traitements en curiethérapie entre les hôpitaux, il ne décrit pas adéquatement la distribution réelle de la dose dans le patient. La publication actuelle du TG-186 donne des recommandations pour étudier des distributions de dose plus réalistes. Le but de ce mémoire est d'appliquer ces recommandations à partir du TG-186 pour obtenir une description plus réaliste de la dose dans la prostate. Pour ce faire, deux ensembles d'images du patient sont acquis simultanément avec un tomodensitomètre à double énergie (DECT). Les artéfacts métalliques présents dans ces images, causés par les sources d’iode, sont corrigés à l'aide d’un algorithme de réduction d'artefacts métalliques pour DECT qui a été développé dans ce travail. Ensuite, une étude Monte Carlo peut être effectuée correctement lorsque l'image est segmentée selon les différents tissus humains. Cette segmentation est effectuée en évaluant le numéro atomique effectif et la densité électronique de chaque voxel, par étalonnage stoechiométrique propre au DECT, et en y associant le tissu ayant des paramètres physiques similaires. Les résultats montrent des différences dans la distribution de la dose lorsqu'on compare la dose du protocole TG-43 avec celle retrouvée avec les recommandations du TG-186.

Investigating the encoding of visual stimuli by forming neural circuits in the cat primary visual cortex

Contexte La connectomique, ou la cartographie des connexions neuronales, est un champ de recherche des neurosciences évoluant rapidement, promettant des avancées majeures en ce qui concerne la compréhension du fonctionnement cérébral. La formation de circuits neuronaux en réponse à des stimuli environnementaux est une propriété émergente du cerveau. Cependant, la connaissance que nous avons de la nature précise de ces réseaux est encore limitée. Au niveau du cortex visuel, qui est l’aire cérébrale la plus étudiée, la manière dont les informations se transmettent de neurone en neurone est une question qui reste encore inexplorée. Cela nous invite à étudier l’émergence des microcircuits en réponse aux stimuli visuels. Autrement dit, comment l’interaction entre un stimulus et une assemblée cellulaire est-elle mise en place et modulée? Méthodes En réponse à la présentation de grilles sinusoïdales en mouvement, des ensembles neuronaux ont été enregistrés dans la couche II/III (aire 17) du cortex visuel primaire de chats anesthésiés, à l’aide de multi-électrodes en tungstène. Des corrélations croisées ont été effectuées entre l’activité de chacun des neurones enregistrés simultanément pour mettre en évidence les liens fonctionnels de quasi-synchronie (fenêtre de ± 5 ms sur les corrélogrammes croisés corrigés). Ces liens fonctionnels dévoilés indiquent des connexions synaptiques putatives entre les neurones. Par la suite, les histogrammes peri-stimulus (PSTH) des neurones ont été comparés afin de mettre en évidence la collaboration synergique temporelle dans les réseaux fonctionnels révélés. Enfin, des spectrogrammes dépendants du taux de décharges entre neurones ou stimulus-dépendants ont été calculés pour observer les oscillations gamma dans les microcircuits émergents. Un indice de corrélation (Rsc) a également été calculé pour les neurones connectés et non connectés. Résultats Les neurones liés fonctionnellement ont une activité accrue durant une période de 50 ms contrairement aux neurones fonctionnellement non connectés. Cela suggère que les connexions entre neurones mènent à une synergie de leur inter-excitabilité. En outre, l’analyse du spectrogramme dépendant du taux de décharge entre neurones révèle que les neurones connectés ont une plus forte activité gamma que les neurones non connectés durant une fenêtre d’opportunité de 50ms. L’activité gamma de basse-fréquence (20-40 Hz) a été associée aux neurones à décharge régulière (RS) et l’activité de haute fréquence (60-80 Hz) aux neurones à décharge rapide (FS). Aussi, les neurones fonctionnellement connectés ont systématiquement un Rsc plus élevé que les neurones non connectés. Finalement, l’analyse des corrélogrammes croisés révèle que dans une assemblée neuronale, le réseau fonctionnel change selon l’orientation de la grille. Nous démontrons ainsi que l’intensité des relations fonctionnelles dépend de l’orientation de la grille sinusoïdale. Cette relation nous a amené à proposer l’hypothèse suivante : outre la sélectivité des neurones aux caractères spécifiques du stimulus, il y a aussi une sélectivité du connectome. En bref, les réseaux fonctionnels «signature » sont activés dans une assemblée qui est strictement associée à l’orientation présentée et plus généralement aux propriétés des stimuli. Conclusion Cette étude souligne le fait que l’assemblée cellulaire, plutôt que le neurone, est l'unité fonctionnelle fondamentale du cerveau. Cela dilue l'importance du travail isolé de chaque neurone, c’est à dire le paradigme classique du taux de décharge qui a été traditionnellement utilisé pour étudier l'encodage des stimuli. Cette étude contribue aussi à faire avancer le débat sur les oscillations gamma, en ce qu'elles surviennent systématiquement entre neurones connectés dans les assemblées, en conséquence d’un ajout de cohérence. Bien que la taille des assemblées enregistrées soit relativement faible, cette étude suggère néanmoins une intrigante spécificité fonctionnelle entre neurones interagissant dans une assemblée en réponse à une stimulation visuelle. Cette étude peut être considérée comme une prémisse à la modélisation informatique à grande échelle de connectomes fonctionnels.

Synthesis and Thermophysical Properties of Ether Functionalized Sulfonium Ionic Liquids as Potential Electrolytes for Electrochemical Applications

During this work, a novel series of hydrophobic room temperature ionic liquids (ILs) based on five ether functionalized sulfonium cations bearing the bis(trifluoromethyl)sulfonylimide, [NTf2]- anion were synthesized and characterized. Their physicochemical properties, such as density, viscosity and ionic conductivity, electrochemical window along with thermal properties including phase transition behavior and decomposition temperature, have been measured. All of these ILs showed large liquid range temperature, low viscosity and good conductivity. Additionally, by combining DFT calculations along with electrochemical characterization it appears that these novel ILs show good electrochemical stability windows, suitable for the potential application as electrolyte materials in electrochemical energy storage devices.