Reconsidérer les interactions entre l’écoulement, le transport de sédiments en charge de fond et la morphologie en rivière à lit de graviers : approches, échelles et analyses

L'objectif ultime en géomorphologie fluviale est d'expliquer les formes des cours d'eau et leur évolution temporelle et spatiale. La multiplication des études nous a mené à la réalisation que les systèmes géomorphologiques sont complexes. Les formes observées sont plus que la somme des processus individuels qui les régissent en raison d’interactions et de rétroactions non-linéaires à de multiples échelles spatiales et temporelles. Dans ce contexte, le but général de la thèse est de proposer et de tester de nouvelles avenues de recherche afin de mieux appréhender la complexité des dynamiques fluviales en utilisant des approches méthodologiques et analytiques mettant l’accent sur les interactions entre l’écoulement, le transport de sédiments en charge fond et la morphologie du lit en rivière graveleuse. Cette orientation découle du constat que les paradigmes actuels en géomorphologie fluviale n’arrivent pas à expliquer adéquatement la variabilité naturelle du transport en charge de fond ainsi que des formes du lit qui en résultent. Cinq pistes de réflexion sont développées sous forme d’articles basés sur des études de cas : 1. L'intégration des échelles de variation de l'écoulement permet d’insérer la notion de structures turbulentes dans des pulsations de plus grande échelle et d'améliorer la compréhension de la variabilité du transport de sédiments. 2. La quantification des taux de changement de l’écoulement (accélération /décélération) au cours d’une crue permet d’expliquer la variabilité des flux de transport en charge fond autant que la magnitude de l’écoulement. 3. L’utilisation de techniques de mesures complémentaires révèle une nouvelle dynamique du lit des rivières graveleuses, la dilatation et la contraction du lit suite à une crue. 4. La remise en cause du fait généralement accepté que le transport en charge de fond est corrélé positivement à l'intensité des modifications morphologiques en raison d’un problème associé aux échelles différentes des processus en cause. 5. L’approche systémique des dynamiques fluviales par l’utilisation d’analyses multivariées permet d’appréhender la complexité des dynamiques de rétroactions linéaires et non-linéaires dans l’évolution d’un chenal et d’illustrer l’importance de l’historique récent des changements géomorphologiques en réponse aux crues. Cette thèse se veut une avancée conceptuelle issue d'une profonde réflexion sur les approches classiques que l'on utilise en géomorphologie fluviale depuis plusieurs décennies. Elle est basée sur un jeu de données unique récolté lors du suivi intensif de 21 évènements de crue dans un petit cours d’eau à lit de graviers, le ruisseau Béard (Québec). Le protocole expérimental axé sur la simultanéité des mesures de l’écoulement, de la morphologie du lit et du transport de sédiments en charge de fond a permis de centrer la recherche directement sur les interactions entre les processus plutôt que sur les processus individuels, une approche rarement utilisée en géomorphologie fluviale. Chacun des chapitres illustre un nouveau concept ou une nouvelle approche permettant de résoudre certaines des impasses rencontrées actuellement en géomorphologie fluviale. Ces travaux ont des implications importantes pour la compréhension de la dynamique des lits de rivières et des habitats fluviaux et servent de point de départ pour de nouveaux développements.

Transport électrique dans les nanotubes de carbone et leurs dérivés fonctionnalisés

Les nanotubes de carbone forment une structure quasi-unidimensionnelle de diamètre nanométrique, dont les propriétés mécaniques et électroniques, en particulier leur remarquable conductivité électrique, présentent un grand potentiel pour la conception de dispositifs électroniques. Les nanotubes fonctionnalisés, c’est-à-dire dont la paroi a été chimiquement modifiée, présentent aussi un intérêt majeur pour leur mise en œuvre facilitée et pour la formation d’une interface active entre le nanotube et l’environnement, cette dernière étant essentielle pour la conception de nanocapteurs chimiques et biologiques. La présente thèse porte sur l’étude des mécanismes gouvernant le transport électrique dans les nanotubes de carbone et leurs dérivés fonctionnalisés. Les travaux, de nature expérimentale, ont été réalisés sur des dispositifs électroniques constitués d’un nanotube individuel monoparoi ou biparoi, additionné de groupes fonctionnels au besoin. En première partie, on s’intéresse à l’effet de la dimensionnalité sur les mécanismes d’injection des porteurs de charge au niveau des contacts électriques avec le nanotube. En seconde partie, on étudie l’effet de la fonctionnalisation covalente sur les propriétés de transport électrique des nanotubes, et on montre notamment que l’impact de l’addition des greffons varie fortement selon leur valence et qu’il est possible d’obtenir des nanotubes fonctionnalisés avec une bonne conductance. En troisième partie, on explore les phénomènes de saturation du courant et de claquage électrique survenant à haut voltage. Enfin, on discute de l’impact des résultats obtenus sur l’avancement de la compréhension des mécanismes de transport électrique dans les systèmes hautement confinés, ainsi que des perspectives fondamentales et technologiques ouvertes par ces travaux.

Étude de dispositifs électroniques moléculaires à l'aide de modèles simples

Cette thèse en électronique moléculaire porte essentiellement sur le développement d’une méthode pour le calcul de la transmission de dispositifs électroniques moléculaires (DEMs), c’est-à-dire des molécules branchées à des contacts qui forment un dispositif électronique de taille moléculaire. D’une part, la méthode développée vise à apporter un point de vue différent de celui provenant des méthodes déjà existantes pour ce type de calculs. D’autre part, elle permet d’intégrer de manière rigoureuse des outils théoriques déjà développés dans le but d’augmenter la qualité des calculs. Les exemples simples présentés dans ce travail permettent de mettre en lumière certains phénomènes, tel que l’interférence destructive dans les dispositifs électroniques moléculaires. Les chapitres proviennent d’articles publiés dans la littérature. Au chapitre 2, nous étudions à l’aide d’un modèle fini avec la méthode de la théorie de la fonctionnelle de la densité de Kohn-Sham un point quantique moléculaire. De plus, nous calculons la conductance du point quantique moléculaire avec une implémentation de la formule de Landauer. Nous trouvons que la structure électronique et la conductance moléculaire dépendent fortement de la fonctionnelle d’échange et de corrélation employée. Au chapitre 3, nous discutons de l’effet de l’ajout d’une chaîne ramifiée à des molécules conductrices sur la probabilité de transmission de dispositifs électroniques moléculaires. Nous trouvons que des interférences destructives apparaissent aux valeurs propres de l’énergie des chaînes ramifiées isolées, si ces valeurs ne correspondent pas à des états localisés éloignés du conducteur moléculaire. Au chapitre 4, nous montrons que les dispositifs électroniques moléculaires contenant une molécule aromatique présentent généralement des courants circulaires qui sont associés aux phénomènes d’interférence destructive dans ces systèmes. Au chapitre 5, nous employons l’approche « source-sink potential » (SSP) pour étudier la transmission de dispositifs électroniques moléculaires. Au lieu de considérer les potentiels de sources et de drains exactement, nous utilisons la théorie des perturbations pour trouver une expression de la probabilité de transmission, T(E) = 1 − |r(E)|2, où r(E) est le coefficient de réflexion qui dépend de l’énergie. Cette expression dépend des propriétés de la molécule isolée, en effet nous montrons que c’est la densité orbitalaire sur les atomes de la molécule qui sont connectés aux contacts qui détermine principalement la transmission du dispositif à une énergie de l’électron incident donnée. Au chapitre 6, nous présentons une extension de l’approche SSP à un canal pour des dispositifs électroniques moléculaires à plusieurs canaux. La méthode à multiples canaux proposée repose sur une description des canaux propres des états conducteurs du dispositif électronique moléculaire (DEM) qui sont obtenus par un algorithme auto-cohérent. Finalement, nous utilisons le modèle développé afin d’étudier la transmission du 1-phényl-1,3-butadiène branché à deux rangées d’atomes couplées agissant comme contacts à gauche et à la droite.

Laser induced surface damage, thermal transport and microhardness studies on certain organic and semiorganic nonlinear optical crystals

N-alkyl-2,6-dimethyl-4(1H)-pyridinones, salts of 4-dimethylaminopyridine and 2-amino-5-nitropyridine are considered to be potential candidates for nonlinear optical (NLO) applications, in particular for the generation of blue-green laser radiation. Single crystals were grown following the slow evaporation technique at constant temperature. Single-shot laserinduced surface damage thresholds in the range 3–10 GW/cm2 were measured using a 18 ns Q-switched Nd:YAG laser. The surface morphologies of the damaged crystals were examined under an optical microscope and the nature of damage identified. The Vicker’s microhardness was determined at a load of 98.07 mN. The thermal transport properties, thermal diffusivity (α), thermal effusivity (e), thermal conductivity (K) and heat capacity (Cp), of the grown crystals were measured by an improved photopyroelectric technique at room temperature. All the results are presented and discussed.

Electrical conductivity, dielectric properties and phase transition in ethylenediammonium sulphate single crystals

D.C. and a.c. electrical conductivities, dielectric constant and dielectric loss factor in single crystals of ethylenediammonium sulphate, (H3NCH2CH2NH3)(SO4), have been measured axiswise as a function of temperature. Anomalous variations in all the above properties at 480 K indicate the occurrence of a phase transition in the above material at this temperature. The existence of such a phase transition is also confirmed by DSC measurements. Electrical conductivity results are analysed and the activation energies of conduction at different temperature regions have been evaluated from the logσ vs 103T−1 plot. Possible mechanisms for the electrical conduction process are discussed, the available results being in favour of a proton transport model.

Electronic structure of few-electron concentric double quantum rings

The ground state structure of few-electron concentric double quantum rings is investigated within the local spin density approximation. Signatures of inter-ring coupling in the addition energy spectrum are identified and discussed. We show that the electronic configurations in these structures can be greatly modulated by the inter-ring distance: At short and long distances the low-lying electron states localize in the inner and outer rings, respectively, and the energy structure is essentially that of an isolated single quantum ring. However, at intermediate distances the electron states localized in the inner and the outer ring become quasidegenerate and a rather entangled, strongly-correlated system is formed.

Measurement and simulation of anisotropy in the Infrared and Raman spectra of beta-FeSi2 single crystals

In this paper we show that the orthorhombic phase of FeSi2 (stable at room temperature) displays a sizable anisotropy in the infrared spectra, with minor effects in the Raman data too. This fact is not trivial at all, since the crystal structure corresponds to a moderate distortion of the fluorite symmetry. Our analysis is carried out on small single crystals grown by flux transport, through polarization-resolved far-infrared reflectivity and Raman measurements. Their interpretation has been obtained by means of the simulated spectra with tight-binding molecular dynamics.

Enhanced electron-electron correlations in nanometric epitaxial SrRuO3 epitaxial films

Epitaxial and fully strained SrRuO3 thin films have been grown on SrTiO3(100). At initial stages the growth mode is three-dimensional- (3D-)like, leading to a finger-shaped structure aligned with the substrate steps and that eventually evolves into a 2D step-flow growth. We study the impact that the defect structure associated with this unique growth mode transition has on the electronic properties of the films. Detailed analysis of the transport properties of nanometric films reveals that microstructural disorder promotes a shortening of the carrier mean free path. Remarkably enough, at low temperatures, this results in a reinforcement of quantum corrections to the conductivity as predicted by recent models of disordered, strongly correlated electronic systems. This finding may provide a simple explanation for the commonly observed¿in conducting oxides-resistivity minima at low temperature. Simultaneously, the ferromagnetic transition occurring at about 140 K, becomes broader as film thickness decreases down to nanometric range. The relevance of these results for the understanding of the electronic properties of disordered electronic systems and for the technological applications of SrRuO3¿and other ferromagnetic and metallic oxides¿is stressed.

Investigations on some amino acid based single crystals for nonlinear optical applications and amino acid capped nanocrystals

Organic crystals possess extremely large optical nonlinearity compared to inorganic crystals. Also organic compounds have the amenability for synthesis and scope for introducing desirable characteristics by inclusions. A wide variety of organic materials having electron donor and acceptor groups, generate high order of nonlinearity. In the present work, a new nonlinear optical crystal, L-citrulline oxalate (LCO) based on the aminoacid L-citrulline was grown using slow evaporation technique. Structural characterization was carried out by single crystal XRD. It crystallizes in the noncentrosymmetric, orthorhombic structure with space group P21 P21 P21. Functional groups present in the sample were identified by Fourier transform infra red (FTIR) and FT-Raman spectral analysis. On studying the FTIR and Raman spectra of the precursors L-citrulline and oxalic acid, used for growing L-citrulline oxalate crystal, it is found that the significant peaks of the precursors are present in the spectra of the L-citrulline oxalate crystal . This observation along with the presence of NH3 + group in the spectra of L-citrulline oxalate, confirms the formation of the charge transfer complex

Intrinsic channel closing in strong-field single ionization of H2

Die Ionisation von H2 in intensiven Laserpulsen wird mit Hilfe der numerischen Integration der zeitabhängigen Schrödingergleichung für ein Einelektronenmodell untersucht, das die Vibrationsbewegung berücksichtigt. Die Spektren der kinetischen Elektronenenergie hängen stark von der Vibrationsquantenzahl des erzeugten H2+ Ions ab. Für bestimmte Vibrationszustände ist die Ausbeute der Elektronen in der Mitte des Plateaus stark erhöht. Der Effekt wird "channel closings" zugeschrieben, die in Atomen durch Variation der Laserintensität beobachtet wurden. The ionization of H2 in intense laser pulses is studied by numerical integration of the time-dependent Schrödinger equation for a single-active-electron model including the vibrational motion. The electron kinetic energy spectra in high-order above-threshold ionization are strongly dependent on the vibrational quantum number of the created H2+ ion. For certain vibrational states, the electron yield in the mid-plateau region is strongly enhanced. The effect is attributed to channel closings, which were previously observed in atoms by varying the laser intensity.

Many-electron relativistic calculation and interpretation of atomic processes in time dependent heavy-ion scattering

The time dependence of a heavy-ion-atom collision system is solved via a set of coupled channel equations using energy eigenvalues and matrix elements from a self-consistent field relativistic molecular many-electron Dirac-Fock-Slater calculation. Within this independent particle model we give a full many-particle interpretation by performing a small number of single-particle calculations. First results for the P(b) curves for the Ne K-hole excitation for the systems F{^8+} - Ne and F{^6+} - Ne as examples are discussed.

Electron-Nuclear Correlation in Laser-Driven Diatomic Molecules

The interaction of short intense laser pulses with atoms/molecules produces a multitude of highly nonlinear processes requiring a non-perturbative treatment. Detailed study of these highly nonlinear processes by numerically solving the time-dependent Schrodinger equation becomes a daunting task when the number of degrees of freedom is large. Also the coupling between the electronic and nuclear degrees of freedom further aggravates the computational problems. In the present work we show that the time-dependent Hartree (TDH) approximation, which neglects the correlation effects, gives unreliable description of the system dynamics both in the absence and presence of an external field. A theoretical framework is required that treats the electrons and nuclei on equal footing and fully quantum mechanically. To address this issue we discuss two approaches, namely the multicomponent density functional theory (MCDFT) and the multiconfiguration time-dependent Hartree (MCTDH) method, that go beyond the TDH approximation and describe the correlated electron-nuclear dynamics accurately. In the MCDFT framework, where the time-dependent electronic and nuclear densities are the basic variables, we discuss an algorithm to calculate the exact Kohn-Sham (KS) potentials for small model systems. By simulating the photodissociation process in a model hydrogen molecular ion, we show that the exact KS potentials contain all the many-body effects and give an insight into the system dynamics. In the MCTDH approach, the wave function is expanded as a sum of products of single-particle functions (SPFs). The MCTDH method is able to describe the electron-nuclear correlation effects as the SPFs and the expansion coefficients evolve in time and give an accurate description of the system dynamics. We show that the MCTDH method is suitable to study a variety of processes such as the fragmentation of molecules, high-order harmonic generation, the two-center interference effect, and the lochfrass effect. We discuss these phenomena in a model hydrogen molecular ion and a model hydrogen molecule. Inclusion of absorbing boundaries in the mean-field approximation and its consequences are discussed using the model hydrogen molecular ion. To this end, two types of calculations are considered: (i) a variational approach with a complex absorbing potential included in the full many-particle Hamiltonian and (ii) an approach in the spirit of time-dependent density functional theory (TDDFT), including complex absorbing potentials in the single-particle equations. It is elucidated that for small grids the TDDFT approach is superior to the variational approach.

Spatio-temporal resolution studies on a highly compact ultrafast electron diffractometer

Time-resolved diffraction with femtosecond electron pulses has become a promising technique to directly provide insights into photo induced primary dynamics at the atomic level in molecules and solids. Ultrashort pulse duration as well as extensive spatial coherence are desired, however, space charge effects complicate the bunching of multiple electrons in a single pulse.Weexperimentally investigate the interplay between spatial and temporal aspects of resolution limits in ultrafast electron diffraction (UED) on our highly compact transmission electron diffractometer. To that end, the initial source size and charge density of electron bunches are systematically manipulated and the resulting bunch properties at the sample position are fully characterized in terms of lateral coherence, temporal width and diffracted intensity.Weobtain a so far not reported measured overall temporal resolution of 130 fs (full width at half maximum) corresponding to 60 fs (root mean square) and transversal coherence lengths up to 20 nm. Instrumental impacts on the effective signal yield in diffraction and electron pulse brightness are discussed as well. The performance of our compactUEDsetup at selected electron pulse conditions is finally demonstrated in a time-resolved study of lattice heating in multilayer graphene after optical excitation.

High Density Single Crystalline GaN Nanodot Arrays Fabricated Using Template-Assisted Selective Growth

High density, uniform GaN nanodot arrays with controllable size have been synthesized by using template-assisted selective growth. The GaN nanodots with average diameter 40nm, 80nm and 120nm were selectively grown by metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) on a nano-patterned SiO2/GaN template. The nanoporous SiO2 on GaN surface was created by inductively coupled plasma etching (ICP) using anodic aluminum oxide (AAO) template as a mask. This selective regrowth results in highly crystalline GaN nanodots confirmed by high resolution transmission electron microscopy. The narrow size distribution and uniform spatial position of the nanoscale dots offer potential advantages over self-assembled dots grown by the Stranski–Krastanow mode.

Transport of Sub-micron Aerosols in Bifurcations

The convective-diffusive transport of sub-micron aerosols in an oscillatory laminar flow within a 2-D single bifurcation is studied, using order-of-magnitude analysis and numerical simulation using a commercial software (FEMLAB®). Based on the similarity between momentum and mass transfer equations, various transient mass transport regimes are classified and scaled according to Strouhal and beta numbers. Results show that the mass transfer rate is highest at the carinal ridge and there is a phase-shift in diffusive transport time if the beta number is greater than one. It is also shown that diffusive mass transfer becomes independent of the oscillating outer flow if the Strouhal number is greater than one.