Tuning the Electronic and Chemical Properties of Monolayer MoS2Adsorbed on Transition Metal Substrates

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First-Principles Study of the Electronic and Magnetic Properties of Defects in Carbon Nanostructures

Understanding the magnetic properties of graphenic nanostructures is instrumental in future spintronics applications. These magnetic properties are known to depend crucially on the presence of defects. Here we review our recent theoretical studies using density functional calculations on two types of defects in carbon nanostructures: Substitutional doping with transition metals, and sp$^3$-type defects created by covalent functionalization with organic and inorganic molecules. We focus on such defects because they can be used to create and control magnetism in graphene-based materials. Our main results are summarized as follows: i)Substitutional metal impurities are fully understood using a model based on the hybridization between the $d$ states of the metal atom and the defect levels associated with an unreconstructed D$_{3h}$ carbon vacancy. We identify three different regimes, associated with the occupation of distinct hybridization levels, which determine the magnetic properties obtained with this type of doping; ii) A spin moment of 1.0 $\mu_B$ is always induced by chemical functionalization when a molecule chemisorbs on a graphene layer via a single C-C (or other weakly polar) covalent bond. The magnetic coupling between adsorbates shows a key dependence on the sublattice adsorption site. This effect is similar to that of H adsorption, however, with universal character; iii) The spin moment of substitutional metal impurities can be controlled using strain. In particular, we show that although Ni substitutionals are non-magnetic in flat and unstrained graphene, the magnetism of these defects can be activated by applying either uniaxial strain or curvature to the graphene layer. All these results provide key information about formation and control of defect-induced magnetism in graphene and related materials.

Structural and Electrical Investigation of C 60 –Graphene Vertical Heterostructures

Graphene, with its unique electronic and structural qualities, has become an important playground for studying adsorption and assembly of various materials including organic molecules. Moreover, organic/graphene vertical structures assembled by van der Waals interaction have potential for multifunctional device applications. Here, we investigate structural and electrical properties of vertical heterostructures composed of C60 thin film on graphene. The assembled film structure of C60 on graphene is investigated using transmission electron microscopy, which reveals a uniform morphology of C60 film on graphene with a grain size as large as 500 nm. The strong epitaxial relations between C60 crystal and graphene lattice directions are found, and van der Waals ab initio calculations support the observed phenomena. Moreover, using C60-graphene heterostructures, we fabricate vertical graphene transistors incorporating n-type organic semiconducting materials with an on/off ratio above 3 × 10(3). Our work demonstrates that graphene can serve as an excellent substrate for assembly of molecules, and attained organic/graphene heterostructures have great potential for electronics applications.

Detector for imaging and dosimetry of laser-driven epithermal neutrons by alpha conversion

An epithermal neutron imager based on detecting alpha particles created via boron neutron capture mechanism is discussed. The diagnostic mainly consists of a mm thick Boron Nitride (BN) sheet (as an alpha converter) in contact with a non-borated cellulose nitride film (LR115 type-II) detector. While the BN absorbs the neutrons in the thermal and epithermal ranges, the fast neutrons register insignificantly on the detector due to their low neutron capture and recoil cross-sections. The use of solid-state nuclear track detectors (SSNTD), unlike image plates, micro-channel plates and scintillators, provide safeguard from the x-rays, gamma-rays and electrons. The diagnostic was tested on a proof-of-principle basis, in front of a laser driven source of moderated neutrons, which suggests the potential of using this diagnostic (BN+SSNTD) for dosimetry and imaging applications.

Dispositifs optoélectroniques à base de semi-conducteurs organiques en couches minces

Les petites molécules de type p à bandes interdites étroites sont de plus en plus perçues comme des remplaçantes possibles aux polymères semi-conducteurs actuellement utilisés conjointement avec des dérivés de fullerènes de type n, dans les cellules photovoltaïques organiques (OPV). Par contre, ces petites molécules tendent à cristalliser facilement lors de leur application en couches minces et forment difficilement des films homogènes appropriés. Des dispositifs OPV de type hétérojonction de masse ont été réalisés en ajoutant différentes espèces de polymères semi-conducteurs ou isolants, agissant comme matrices permettant de rectifier les inhomogénéités des films actifs et d’augmenter les performances des cellules photovoltaïques. Des polymères aux masses molaires spécifiques ont été synthétisés par réaction de Wittig en contrôlant précisément les ratios molaires des monomères et de la base utilisée. L’effet de la variation des masses molaires en fonction des morphologies de films minces obtenus et des performances des diodes organiques électroluminescentes reliées, a également été étudié. La microscopie électronique en transmission (MET) ou à balayage (MEB) a été employée en complément de la microscopie à force atomique (AFM) pour suivre l’évolution de la morphologie des films organiques minces. Une nouvelle méthode rapide de préparation des films pour l’imagerie MET sur substrats de silicium est également présentée et comparée à d’autres méthodes d’extraction. Motivé par le prix élevé et la rareté des métaux utilisés dans les substrats d’oxyde d’indium dopé à l’étain (ITO), le développement d’une nouvelle méthode de recyclage eco-responsable des substrats utilisés dans ces études est également présenté.

Design and implementation of a non-destructive defect detection technique based on UWB-SAR imaging

In the last twenty years aerospace and automotive industries started working widely with composite materials, which are not easy to test using classic Non-Destructive Inspection (NDI) techniques. Pairwise, the development of safety regulations sets higher and higher standards for the qualification and certification of those materials. In this thesis a new concept of a Non-Destructive defect detection technique is proposed, based on Ultrawide-Band (UWB) Synthetic Aperture Radar (SAR) imaging. Similar SAR methods are yet applied either in minefield [22] and head stroke [14] detection. Moreover feasibility studies have already demonstrated the validity of defect detection by means of UWB radars [12, 13]. The system was designed using a cheap commercial off-the-shelf radar device by Novelda and several tests of the developed system have been performed both on metallic specimen (aluminum plate) and on composite coupon (carbon fiber). The obtained results confirm the feasibility of the method and highlight the good performance of the developed system considered the radar resolution. In particular, the system is capable of discerning healthy coupons from damaged ones, and correctly reconstruct the reflectivity image of the tested defects, namely a 8 x 8 mm square bulge and a 5 mm drilled holes on metal specimen and a 5 mm drilled hole on composite coupon.

Development of Imaging Mass Spectrometry Analysis of Lipids in Biological and Clinically Relevant Applications

La spectrométrie de masse mesure la masse des ions selon leur rapport masse sur charge. Cette technique est employée dans plusieurs domaines et peut analyser des mélanges complexes. L’imagerie par spectrométrie de masse (Imaging Mass Spectrometry en anglais, IMS), une branche de la spectrométrie de masse, permet l’analyse des ions sur une surface, tout en conservant l’organisation spatiale des ions détectés. Jusqu’à présent, les échantillons les plus étudiés en IMS sont des sections tissulaires végétales ou animales. Parmi les molécules couramment analysées par l’IMS, les lipides ont suscité beaucoup d'intérêt. Les lipides sont impliqués dans les maladies et le fonctionnement normal des cellules; ils forment la membrane cellulaire et ont plusieurs rôles, comme celui de réguler des événements cellulaires. Considérant l’implication des lipides dans la biologie et la capacité du MALDI IMS à les analyser, nous avons développé des stratégies analytiques pour la manipulation des échantillons et l’analyse de larges ensembles de données lipidiques. La dégradation des lipides est très importante dans l’industrie alimentaire. De la même façon, les lipides des sections tissulaires risquent de se dégrader. Leurs produits de dégradation peuvent donc introduire des artefacts dans l’analyse IMS ainsi que la perte d’espèces lipidiques pouvant nuire à la précision des mesures d’abondance. Puisque les lipides oxydés sont aussi des médiateurs importants dans le développement de plusieurs maladies, leur réelle préservation devient donc critique. Dans les études multi-institutionnelles où les échantillons sont souvent transportés d’un emplacement à l’autre, des protocoles adaptés et validés, et des mesures de dégradation sont nécessaires. Nos principaux résultats sont les suivants : un accroissement en fonction du temps des phospholipides oxydés et des lysophospholipides dans des conditions ambiantes, une diminution de la présence des lipides ayant des acides gras insaturés et un effet inhibitoire sur ses phénomènes de la conservation des sections au froid sous N2. A température et atmosphère ambiantes, les phospholipides sont oxydés sur une échelle de temps typique d’une préparation IMS normale (~30 minutes). Les phospholipides sont aussi décomposés en lysophospholipides sur une échelle de temps de plusieurs jours. La validation d’une méthode de manipulation d’échantillon est d’autant plus importante lorsqu’il s’agit d’analyser un plus grand nombre d’échantillons. L’athérosclérose est une maladie cardiovasculaire induite par l’accumulation de matériel cellulaire sur la paroi artérielle. Puisque l’athérosclérose est un phénomène en trois dimension (3D), l'IMS 3D en série devient donc utile, d'une part, car elle a la capacité à localiser les molécules sur la longueur totale d’une plaque athéromateuse et, d'autre part, car elle peut identifier des mécanismes moléculaires du développement ou de la rupture des plaques. l'IMS 3D en série fait face à certains défis spécifiques, dont beaucoup se rapportent simplement à la reconstruction en 3D et à l’interprétation de la reconstruction moléculaire en temps réel. En tenant compte de ces objectifs et en utilisant l’IMS des lipides pour l’étude des plaques d’athérosclérose d’une carotide humaine et d’un modèle murin d’athérosclérose, nous avons élaboré des méthodes «open-source» pour la reconstruction des données de l’IMS en 3D. Notre méthodologie fournit un moyen d’obtenir des visualisations de haute qualité et démontre une stratégie pour l’interprétation rapide des données de l’IMS 3D par la segmentation multivariée. L’analyse d’aortes d’un modèle murin a été le point de départ pour le développement des méthodes car ce sont des échantillons mieux contrôlés. En corrélant les données acquises en mode d’ionisation positive et négative, l’IMS en 3D a permis de démontrer une accumulation des phospholipides dans les sinus aortiques. De plus, l’IMS par AgLDI a mis en évidence une localisation différentielle des acides gras libres, du cholestérol, des esters du cholestérol et des triglycérides. La segmentation multivariée des signaux lipidiques suite à l’analyse par IMS d’une carotide humaine démontre une histologie moléculaire corrélée avec le degré de sténose de l’artère. Ces recherches aident à mieux comprendre la complexité biologique de l’athérosclérose et peuvent possiblement prédire le développement de certains cas cliniques. La métastase au foie du cancer colorectal (Colorectal cancer liver metastasis en anglais, CRCLM) est la maladie métastatique du cancer colorectal primaire, un des cancers le plus fréquent au monde. L’évaluation et le pronostic des tumeurs CRCLM sont effectués avec l’histopathologie avec une marge d’erreur. Nous avons utilisé l’IMS des lipides pour identifier les compartiments histologiques du CRCLM et extraire leurs signatures lipidiques. En exploitant ces signatures moléculaires, nous avons pu déterminer un score histopathologique quantitatif et objectif et qui corrèle avec le pronostic. De plus, par la dissection des signatures lipidiques, nous avons identifié des espèces lipidiques individuelles qui sont discriminants des différentes histologies du CRCLM et qui peuvent potentiellement être utilisées comme des biomarqueurs pour la détermination de la réponse à la thérapie. Plus spécifiquement, nous avons trouvé une série de plasmalogènes et sphingolipides qui permettent de distinguer deux différents types de nécrose (infarct-like necrosis et usual necrosis en anglais, ILN et UN, respectivement). L’ILN est associé avec la réponse aux traitements chimiothérapiques, alors que l’UN est associé au fonctionnement normal de la tumeur.

Device Physics of Two-Dimensional Crystalline Materials

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-07

Clinical utility of amyloid PET imaging in the differential diagnosis of atypical dementias and its impact on caregivers

La maladie d’Alzheimer (MA) se caractérise pathologiquement par l’accumulation de plaques amyloïde dans le cerveau. La tomographie par émission de positrons (TEP) permet d’imager les plaques amyloïde in vivo. Le but de ce projet est d’évaluer le rôle de la TEP amyloïde dans le processus diagnostique de la MA dans des cas de démences atypiques. Le deuxième but de ce projet est de déterminer l’impact de la révélation d’un diagnostic plus certain chez les proches aidants. 28 patients sans diagnostic malgré une investigation exhaustive ont été sélectionnées et imagées avec le traceur amyloïde 18F-NAV4694 (âge 59,3 ans, é-t. 5,8; MMSE 21.4, é-t 6.0). Les neurologues référents documentaient par la suite tout changement de niveau de certitude, de diagnostic, de traitement et/ou de prise en charge. Les proches aidants consentants ont été rencontrés subséquemment, et un questionnaire avec une échelle de Likert a été utilisé afin de documenter l’impact de l’imagerie leur perception de la maladie. Notre cohorte a été également divisée entre amyloïde positifs (14/28) et négatifs (14/28). Un changement de diagnostic a lieu dans 9/28 cas (32,1% :17.8% ont changé de MA à non-MA, 14,3% de non-MA à MA). Il y avait une augmentation significative (p<0,05) de 44% dans la certitude du neurologue suite à cet examen. Un changement de prise en charge a été obtenu dans 20/28 (71,4%) des cas. Bien que non significatifs statistiquement, un impact favorable sur les proches-aidants a été noté. Cette étude suggère que l’imagerie amyloïde a un rôle bénéfique dans les cas de démences atypiques n’ayant pu être élucidés avec les techniques d’investigations actuellement recommandées. De plus, le processus a été perçu positivement par les proches aidants, notamment en encourageant du temps de qualité avec leurs personnes chères. Ceci illustre un rôle prometteur des biomarqueurs, qui sont de plus en plus explorés.

Electronic Publishing -- a Journal and its Production

The use of the term "Electronic Publishing" transcends any notions of the paperless office and of a purely electronic transfer and dissemination of information over networks. It now encompasses all computer-assisted methods for the production of documents and includes the imaging of a document on paper as one of the options to be provided by an integrated processing scheme. Electronic publishing draws heavily on techniques from computer science and information technology but technical, legal, financial and organisational problems have to be overcome before it can replace traditional publication mechanisms. These problems are illustrated with reference to the publication arrangements for the journal `Electronic Publishing Origination, Dissemination and Design'. The authors of this paper are the co-editors of this journal, which appears in traditional form and relies on a wide variety of support from electronic technologies in the pre-publication phase.

Advanced Adhesion Strength Testing Methods of Thin Film Multilayers in Electronic Packaging Systems

With the continued miniaturization and increasing performance of electronic devices, new technical challenges have arisen. One such issue is delamination occurring at critical interfaces inside the device. This major reliability issue can occur during the manufacturing process or during normal use of the device. Proper evaluation of the adhesion strength of critical interfaces early in the product development cycle can help reduce reliability issues and time-to-market of the product. However, conventional adhesion strength testing is inherently limited in the face of package miniaturization, which brings about further technical challenges to quantify design integrity and reliability. Although there are many different interfaces in today's advanced electronic packages, they can be generalized into two main categories: 1) rigid to rigid connections with a thin flexible polymeric layer in between, or 2) a thin film membrane on a rigid structure. Knowing that every technique has its own advantages and disadvantages, multiple testing methods must be enhanced and developed to be able to accommodate all the interfaces encountered for emerging electronic packaging technologies. For evaluating the adhesion strength of high adhesion strength interfaces in thin multilayer structures a novel adhesion test configuration called “single cantilever adhesion test (SCAT)” is proposed and implemented for an epoxy molding compound (EMC) and photo solder resist (PSR) interface. The test method is then shown to be capable of comparing and selecting the stronger of two potential EMC/PSR material sets. Additionally, a theoretical approach for establishing the applicable testing domain for a four-point bending test method was presented. For evaluating polymeric films on rigid substrates, major testing challenges are encountered for reducing testing scatter and for factoring in the potentially degrading effect of environmental conditioning on the material properties of the film. An advanced blister test with predefined area test method was developed that considers an elasto-plastic analytical solution and implemented for a conformal coating used to prevent tin whisker growth. The advanced blister testing with predefined area test method was then extended by employing a numerical method for evaluating the adhesion strength when the polymer’s film properties are unknown.

Simulation tools for the analysis of single electronic systems

Developments in theory and experiment have raised the prospect of an electronic technology based on the discrete nature of electron tunnelling through a potential barrier. This thesis deals with novel design and analysis tools developed to study such systems. Possible devices include those constructed from ultrasmall normal tunnelling junctions. These exhibit charging effects including the Coulomb blockade and correlated electron tunnelling. They allow transistor-like control of the transfer of single carriers, and present the prospect of digital systems operating at the information theoretic limit. As such, they are often referred to as single electronic devices. Single electronic devices exhibit self quantising logic and good structural tolerance. Their speed, immunity to thermal noise, and operating voltage all scale beneficially with junction capacitance. For ultrasmall junctions the possibility of room temperature operation at sub picosecond timescales seems feasible. However, they are sensitive to external charge; whether from trapping-detrapping events, externally gated potentials, or system cross-talk. Quantum effects such as charge macroscopic quantum tunnelling may degrade performance. Finally, any practical system will be complex and spatially extended (amplifying the above problems), and prone to fabrication imperfection. This summarises why new design and analysis tools are required. Simulation tools are developed, concentrating on the basic building blocks of single electronic systems; the tunnelling junction array and gated turnstile device. Three main points are considered: the best method of estimating capacitance values from physical system geometry; the mathematical model which should represent electron tunnelling based on this data; application of this model to the investigation of single electronic systems. (DXN004909)

Transmission electron tomography: quality assessment and enhancement for three-dimensional imaging of nanostructures

Nanotechnology has revolutionised humanity's capability in building microscopic systems by manipulating materials on a molecular and atomic scale. Nan-osystems are becoming increasingly smaller and more complex from the chemical perspective which increases the demand for microscopic characterisation techniques. Among others, transmission electron microscopy (TEM) is an indispensable tool that is increasingly used to study the structures of nanosystems down to the molecular and atomic scale. However, despite the effectivity of this tool, it can only provide 2-dimensional projection (shadow) images of the 3D structure, leaving the 3-dimensional information hidden which can lead to incomplete or erroneous characterization. One very promising inspection method is Electron Tomography (ET), which is rapidly becoming an important tool to explore the 3D nano-world. ET provides (sub-)nanometer resolution in all three dimensions of the sample under investigation. However, the fidelity of the ET tomogram that is achieved by current ET reconstruction procedures remains a major challenge. This thesis addresses the assessment and advancement of electron tomographic methods to enable high-fidelity three-dimensional investigations. A quality assessment investigation was conducted to provide a quality quantitative analysis of the main established ET reconstruction algorithms and to study the influence of the experimental conditions on the quality of the reconstructed ET tomogram. Regular shaped nanoparticles were used as a ground-truth for this study. It is concluded that the fidelity of the post-reconstruction quantitative analysis and segmentation is limited, mainly by the fidelity of the reconstructed ET tomogram. This motivates the development of an improved tomographic reconstruction process. In this thesis, a novel ET method was proposed, named dictionary learning electron tomography (DLET). DLET is based on the recent mathematical theorem of compressed sensing (CS) which employs the sparsity of ET tomograms to enable accurate reconstruction from undersampled (S)TEM tilt series. DLET learns the sparsifying transform (dictionary) in an adaptive way and reconstructs the tomogram simultaneously from highly undersampled tilt series. In this method, the sparsity is applied on overlapping image patches favouring local structures. Furthermore, the dictionary is adapted to the specific tomogram instance, thereby favouring better sparsity and consequently higher quality reconstructions. The reconstruction algorithm is based on an alternating procedure that learns the sparsifying dictionary and employs it to remove artifacts and noise in one step, and then restores the tomogram data in the other step. Simulation and real ET experiments of several morphologies are performed with a variety of setups. Reconstruction results validate its efficiency in both noiseless and noisy cases and show that it yields an improved reconstruction quality with fast convergence. The proposed method enables the recovery of high-fidelity information without the need to worry about what sparsifying transform to select or whether the images used strictly follow the pre-conditions of a certain transform (e.g. strictly piecewise constant for Total Variation minimisation). This can also avoid artifacts that can be introduced by specific sparsifying transforms (e.g. the staircase artifacts the may result when using Total Variation minimisation). Moreover, this thesis shows how reliable elementally sensitive tomography using EELS is possible with the aid of both appropriate use of Dual electron energy loss spectroscopy (DualEELS) and the DLET compressed sensing algorithm to make the best use of the limited data volume and signal to noise inherent in core-loss electron energy loss spectroscopy (EELS) from nanoparticles of an industrially important material. Taken together, the results presented in this thesis demonstrates how high-fidelity ET reconstructions can be achieved using a compressed sensing approach.

Dispositifs optoélectroniques à base de semi-conducteurs organiques en couches minces

Les petites molécules de type p à bandes interdites étroites sont de plus en plus perçues comme des remplaçantes possibles aux polymères semi-conducteurs actuellement utilisés conjointement avec des dérivés de fullerènes de type n, dans les cellules photovoltaïques organiques (OPV). Par contre, ces petites molécules tendent à cristalliser facilement lors de leur application en couches minces et forment difficilement des films homogènes appropriés. Des dispositifs OPV de type hétérojonction de masse ont été réalisés en ajoutant différentes espèces de polymères semi-conducteurs ou isolants, agissant comme matrices permettant de rectifier les inhomogénéités des films actifs et d’augmenter les performances des cellules photovoltaïques. Des polymères aux masses molaires spécifiques ont été synthétisés par réaction de Wittig en contrôlant précisément les ratios molaires des monomères et de la base utilisée. L’effet de la variation des masses molaires en fonction des morphologies de films minces obtenus et des performances des diodes organiques électroluminescentes reliées, a également été étudié. La microscopie électronique en transmission (MET) ou à balayage (MEB) a été employée en complément de la microscopie à force atomique (AFM) pour suivre l’évolution de la morphologie des films organiques minces. Une nouvelle méthode rapide de préparation des films pour l’imagerie MET sur substrats de silicium est également présentée et comparée à d’autres méthodes d’extraction. Motivé par le prix élevé et la rareté des métaux utilisés dans les substrats d’oxyde d’indium dopé à l’étain (ITO), le développement d’une nouvelle méthode de recyclage eco-responsable des substrats utilisés dans ces études est également présenté.