Un micro-bolomètre supraconducteur: de la conception à l'utilisation au laboratoire

Pour augmenter sa compréhension du monde qui l’entoure, le physicien moderne ne cesse de travailler au développement d’outils théoriques ou expérimentaux pour l’aider à répondre à ses questions fondamentales. Une partie de ces chercheurs tente de répondre à une question bien définie, mais simultanément très vague : qu’est-ce que le bruit électro- nique? Guidés par cette idée, certains étudient des dispositifs comme la jonction tunnel ou la jonction Josephson, alors que d’autres travaillent à l’amélioration des méthodes de détection du bruit. Le présent mémoire de maîtrise traite donc de la conception d’un outil de détection bien particulier, le micro-bolomètre supraconducteur de niobium-titane-niobium. La théorie derrière le fonctionnement d’un tel dispositif est expliquée à l’aide d’une comparaison entre un bolomètre conventionnel et un bolomètre supraconducteur. Des concepts comme la sensibilité d’un détecteur, la conductance thermique et la méthode d’utilisation sont présentés. Les étapes du procédé de fabrication sont ensuite explicitées dans les moindres détails. Finalement, les propriétés électroniques d’un tel micro-bolomètre sont analysées à l’aide de la courbe caractéristique courant-tension, de la courbe de transition supraconductrice en température et de dfférentes mesures en réflectométrie. La puissance équivalente de bruit (NEP) mesurée est de l’ordre de 10[indice supérieur −17] W/√Hz et le temps caractéristique de détection est de 1.43 μs. Le dispositif présenté dans ce mémoire a un avantage important par rapport aux bolomètres supraconducteurs généralement utilisés : il ne nécessite pas de courant de polarisation continu pour le mettre en fonctionnement. Ceci peut résulter en divers avantages technologiques.

Changements climatiques et écologiques dans le nord de l’Alaska au cours de la glaciation du Wisconsinien : le Yedoma de la rivière Itkillik

Le climat continental et froid de la Béringie lors de la glaciation du Wisconsinien a conduit à la formation d’une forme relique de pergélisol syngénétique nommé yedoma. Ces dépôts ont permis la préservation d’indicateurs environnementaux très diversifiés qui peuvent être employés pour reconstituer la dynamique climatique et écologique de la Béringie avant le dernier maximum glaciaire. À ce jour, peu d’études ont été réalisées au nord de la chaîne de montagnes Brooks (Alaska) et l’hétérogénéité écologique régionale de la Béringie Est lors de la glaciation du Wisonsinien reste mal définie. Ce mémoire porte sur une reconstitution paléoenvironnementale de plus de 39 ka du nord de l’Alaska réalisée à partir de sédiments provenant du Yedoma de la rivière Itkillik. Les objectifs sont (1) de reconstituer l’histoire de la végétation avec l’analyse pollinique; (2) de reconstituer les températures de juillet, le contraste de température saisonnier et l’ensoleillement de juillet avec la technique des analogues modernes et (3) de mettre les données biogéochimiques et glaciologiques du site en lien avec le climat reconstitué. L’étude montre que vers 35 ka BP (Interstade du Wisconsinien Moyen), des conditions climatiques semblables à l’actuel ont favorisé l’accumulation de tourbe riche en carbone organique. À partir de 29,7 ka BP, les températures de juillet reconstituées diminuent, alors que la continentalité du climat semble augmenter. Le contenu en glace des sédiments est plus alors plus faible et la pluie pollinique devient dominée par Poaceae, Artemisia et autres herbacés non graminoïdes. Ces indicateurs suggèrent des conditions environnementales plus xériques qu’aujourd’hui. Les anomalies isotopiques de 18O, 2H et l’excès de deutérium confirment un épisode d’avancée glaciaire (Wisconsinien Tardif). Après 17,9 ka BP (Tardiglaciaire), les températures de juillet et le contraste saisonnier augmentent. Les valeurs de contenu en carbone organique des sédiments sont plus élevées et la plus grande disponibilité en eau favorise l’établissement d’un couvert herbacé moderne dominé par les Cyperaceae.

Caractérisation des sols granulaires au moyen de la vitesse des ondes de cisaillement

Les réponses des sols aux diverses sollicitations qu'ils subissent à l'état naturel sur site sont multiples et dépendent de nombreux facteurs tel que leur nature, le domaine de sollicitation, la présence d'eau et plusieurs autres facteurs (état de contrainte, présence de cavités, etc.). La connaissance du domaine des petites et moyennes déformations pour le dimensionnement de nombreux ouvrages sur des dépôts de sols argileux ou sableux est d'une grande importance. La détermination des propriétés mécaniques des sols dans le domaine des petites déformations est néanmoins importante dans plusieurs applications en géotechnique. Le besoin de déterminer le module de cisaillement des sols à faibles déformations a conduit au développement de différents outils d'investigation.Les outils non intrusifs basés sur la propagation des ondes de surface permettent de s'affranchir des problèmes de remaniement du sol et la détermination des paramètres fondamentaux (G[indice inférieur max]) du sol dans leur vrai état des contraintes. L'étude menée dans ce travail se résume essentiellement en deux volets. Une présentation détaillée, des différentes méthodes et techniques qui déterminent la vitesse d'onde de cisaillement V[indice inférieur s] lors de la caractérisation des sols, est faite en premier stade. On se focalise à décrire le dispositif des bilames piézo-électriques (utilités, avantages et limitations). En second volet, on se consacre sur la caractérisation des sols granulaires au moyen de V[indice inférieur s]. Des simulations numériques illustrées par des essais aux laboratoires sur un modèle simplifié de la cellule oedométrique équipée du dispositif des anneaux piézo-électriques, ont été dirigés. En considérant trois sols pulvérulents de différentes propriétés granulométriques, on a pu voir les difficultés d'interprétation des résultats suivant les méthodes directes dans le domaine temporel. Alors que, des résultats traités dans le domaine fréquentiel se sont avérés plus réalistes.

Élaboration de stratégies pour l’enseignement de la pensée critique dans les cours de philosophie au collégial

Les enseignantes et les enseignants du collégial accordent beaucoup de valeur au développement intellectuel de leurs élèves. La pensée critique représente l'idéal d'une pensée accomplie et son développement est un des buts de la formation générale au cégepl. Les professeurs de philosophie savent d'expérience que leur discipline se déploie souvent selon un mode conceptuel abstrait, étrange pour plusieurs élèves, novices dans la vie intellectuelle. En philosophie, la pensée critique est reconnue pour sa capacité à développer une réflexion rationnelle en profondeur et à structurer les concepts nécessaires à l'élaboration d'une pensée autonome. Les enseignantes et les enseignants de philosophie du collégial savent bien que les élèves qui pratiquent ou qui développent la pensée critique peuvent acquérir une formation philosophique de base, intéressante et pertinente. Mais, qu'arrive-t-il à ceux et celles qui ne la possèdent pas ? Notre position est qu'avec une perspective pédagogique, l'ensemble des élèves peut parvenir à développer des habiletés de pensée critique qui leur permettent d'accéder à une réflexion de haut niveau. Afin de poser le problème de recherche, nous avons débuté par l'examen de plusieurs difficultés liées à l'enseignement de la pensée critique. Ce qui frappe d'abord, c'est l'ampleur d'un problème conceptuel; la pensée critique est un terme générique attrayant, mais inconsistant et qui se révèle ambigu à l'usage. Ensuite, il faut reconnaître la présence d'un problème pédagogique : pour enseigner la pensée critique, les professeurs de philosophie ont besoin de ressources et d'une pratique pédagogique propre à la discipline. Après l'examen de quelques manuels utilisés dans les cours de philosophie au collégial, nous avons noté que leur orientation n'est pas dirigée vers le développement de la pensée critique. On peut alors se demander ce que peuvent faire les professeurs pour développer la pensée critique des élèves lorsque celle-ci s'avère insuffisante. Un relevé sommaire de la documentation nous a permis de découvrir que l'enseignement de la pensée critique pouvait être fondé sur plusieurs modèles théoriques. Nous en avons examiné quatre qui vont soutenir le choix du cadre de référence de notre recherche : 1) une sensibilité à la métacognition, 2) un enseignement par infusion, 3) une enculturation à la pensée critique, et 4) une épistémologie développementale. Nous mentionnons ensuite les problèmes concernant l'évaluation de la pensée critique : pour certains auteurs, les instruments d'évaluation ne sont pas assez sensibles pour rendre compte de changements graduels et subtils à l'intérieur d'une session. Malgré cette difficulté, on trouve tout de même dans les écrits plusieurs stratégies d'enseignement qui pourraient avoir des effets sur le développement de la pensée critique des élèves. Un bref inventaire de ces stratégies nous conduit à choisir l'approche de Bean (2001) comme cadre de référence et comme modèle pour l'enseignement de la pensée critique. Dans son ouvrage, Engaging ideas: The professor's guide to integrating writing, critical thinking, and active learning in the classroom, Bean (2001) intègre l'enseignement de la pensée critique à l'appropriation d'un contenu disciplinaire. L'auteur distingue quatre phases de développement de la pensée critique, inspirées de Kolb : l'expérience concrète, l'observation réflexive, l'abstraction conceptuelle et l'expérimentation active. Il présente pour chacune des phases des activités d'écriture qui pourraient être transférables ou applicables au niveau collégial. Ce choix nous amène à formuler notre objectif de recherche : produire un répertoire de stratégies pédagogiques pour l'enseignement de la pensée critique dans les cours de philosophie au collégial sur le modèle proposé par Bean (2001). Ainsi, l'approche de la recherche développement nous sert bien à atteindre cet objectif. Selon cette approche, nous avons conçu un répertoire de stratégies pédagogiques à l'intention des professeurs de philosophie, en nous inspirant des activités d'écriture proposées par Bean (2001). Ce répertoire a ensuite été soumis à quatre professeurs de philosophie pour validation. Ces experts avaient la tâche d'évaluer le matériel pédagogique et de soumettre des avis pour l'améliorer. La version validée du répertoire constitue le document que nous soumettons pour supporter les professeurs qui ont à coeur de développer la pensée critique dans les cours de philosophie au collégial. Cette recherche devrait contribuer à mieux comprendre la problématique du développement de la pensée critique, à envisager des perspectives pour l'enseigner et à saisir les enjeux pour son enseignement dans les cours de philosophie. Ces avenues devraient intéresser particulièrement la communauté collégiale.

Galvanic replacement mediated transformation of Ag nanospheres into dendritic Au--Ag nanostructures in the ionic liquid [BMIM][BF4]

We demonstrate an unusual shape transformation of Ag nanospheres into {111}-oriented Au–Ag dendritic nanostructures by a galvanic replacement reaction in the ionic liquid (IL) 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate ([BMIM][BF4]).

Galvanic Replacement of Semiconductor Phase I CuTCNQ Microrods with KAuBr4 to Fabricate CuTCNQ/Au Nanocomposites with Photocatalytic Properties

In this study, the reaction of semiconductor microrods of phase I copper 7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane (CuTCNQ) with KAuBr4 in acetonitrile is reported. It was found that the reaction is redox in nature and proceeds via a galvanic replacement mechanism in which the surface of CuTCNQ is replaced with metallic gold nanoparticles. Given the slight solubility of CuTCNQ in acetonitrile, two competing reactions, namely CuTCNQ dissolution and the redox reaction with KAuBr4, were found to operate in parallel. An increase in the surface coverage of CuTCNQ microrods with gold nanoparticles occurred with an increased KAuBr4 concentration in acetonitrile, which also inhibited CuTCNQ dissolution. The reaction progress with time was monitored using UV−visible, FT-IR, and Raman spectroscopy as well as XRD and EDX analysis, and SEM imaging. The CuTCNQ/Au nanocomposites were investigated for their photocatalytic properties, wherein the destruction of Congo red, an organic dye, by simulated solar light was found dependent on the surface coverage of gold nanoparticles on the CuTCNQ microrods. This method of decorating CuTCNQ may open the possibility of modifying this and other metal-TCNQ charge transfer complexes with a host of other metals which may have significant applications.

Synthesis of CuTCNQ/Au microrods by galvanic replacement of semiconducting phase I CuTCNQ with KAuBr4 in aqueous medium

The spontaneous reaction between microrods of an organic semiconductor molecule, copper 7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane (CuTCNQ) with [AuBr4]− ions in an aqueous environment is reported. The reaction is found to be redox in nature which proceeds via a complex galvanic replacement mechanism, wherein the surface of the CuTCNQ microrods is replaced with metallic gold nanoparticles. Unlike previous reactions reported in acetonitrile, the galvanic replacement reaction in aqueous solution proceeds via an entirely different reaction mechanism, wherein a cyclical reaction mechanism involving continuous regeneration of CuTCNQ consumed during the galvanic replacement reaction occurs in parallel with the galvanic replacement reaction. This results in the driving force of the galvanic replacement reaction in aqueous medium being largely dependent on the availability of [AuBr4]− ions during the reaction. Therefore, this study highlights the importance of the choice of an appropriate solvent during galvanic replacement reactions, which can significantly impact upon the reaction mechanism. The reaction progress with respect to different gold salt concentration was monitored using Fourier transform infrared (FT-IR), Raman, and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), as well as XRD and EDX analysis, and SEM imaging. The CuTCNQ/Au nanocomposites were also investigated for their potential photocatalytic properties, wherein the destruction of the organic dye, Congo red, in a simulated solar light environment was found to be largely dependent on the degree of gold nanoparticle surface coverage. The approach reported here opens up new possibilities of decorating metal–organic charge transfer complexes with a host of metals, leading to potentially novel applications in catalysis and sensing.

Formation of nanostructured porous Cu-Au surfaces : the influence of cationic sites on (electro)-catalysis

The fabrication of nanostructured bimetallic materials through electrochemical routes offers the ability to control the composition and shape of the final material that can then be effectively applied as (electro)-catalysts. In this work a clean and transitory hydrogen bubble templating method is employed to generate porous Cu–Au materials with a highly anisotropic nanostructured interior. Significantly, the co-electrodeposition of copper and gold promotes the formation of a mixed bimetallic oxide surface which does not occur at the individually electrodeposited materials. Interestingly, the surface is dominated by Au(I) oxide species incorporated within a Cu2O matrix which is extremely effective for the industrially important (electro)-catalytic reduction of 4-nitrophenol. It is proposed that an aurophilic type of interaction takes place between both oxidized gold and copper species which stabilizes the surface against further oxidation and facilitates the binding of 4-nitrophenol to the surface and increases the rate of reaction. An added benefit is that very low gold loadings are required typically less than 2 wt% for a significant enhancement in performance to be observed. Therefore the ability to create a partially oxidized Cu–Au surface through a facile electrochemical route that uses a clean template consisting of only hydrogen bubbles should be of benefit for many more important reactions.

Exploiting the facile oxidation of evaporated gold films to drive electroless silver deposition for the creation of bimetallic Au/Ag surfaces

Gold is often considered as an inert material but it has been unequivocally demonstrated that it possesses unique electronic, optical, catalytic and electrocatalytic properties when in a nanostructured form.[1] For the latter the electrochemical behaviour of gold in aqueous media has been widely studied on a plethora of gold samples, including bulk polycrystalline and single-crystal electrodes, nanoparticles, evaporated films as well as electrodeposited nanostructures, particles and thin films.[1b, 2] It is now well-established that the electrochemical behaviour of gold is not as simple as an extended double-layer charging region followed by a monolayer oxide-formation/-removal process. In fact the so-called double-layer region of gold is significantly more complicated and has been investigated with a variety of electrochemical and surface science techniques. Burke and others[3] have demonstrated that significant processes due to the oxidation of low lattice stabilised atoms or clusters of atoms occur in this region at thermally and electrochemically treated electrodes which were confirmed later by Bond[4] to be Faradaic in nature via large-amplitude Fourier transformed ac voltammetric experiments. Supporting evidence for the oxidation of gold in the double-layer region was provided by Bard,[5] who used a surface interrogation mode of scanning electrochemical microscopy to quantify the extent of this process that forms incipient oxides on the surface. These were estimated to be as high as 20% of a monolayer. This correlated with contact electrode resistance measurements,[6] capacitance measurements[7] and also electroreflection techniques...

Simulation of Au particle interaction on graphene sheets

The interaction of Au particles with few layer graphene is of interest for the formation of the next generation of sensing devices(1). In this paper we investigate the coupling of single gold nanoparticles to a graphene sheet, and multiple gold nanoparticles with a graphene sheet using COMSOL Multiphysics. By using these simulations we are able to determine the electric field strength and associated hot-spots for various gold nanoparticle-graphene systems. The Au nanoparticles were modelled as 8 nm diameter spheres on 1.5 nm thick (5 layers) graphene, with properties of graphene obtained from the refractive index data of Weber(2) and the Au refractive index data from Palik(3). The field was incident along the plane of the sheet with polarisation tested for both s and p. The study showed strong localised interaction between the Au and graphene with limited spread; however the double particle case where the graphene sheet separated two Au nanoparticles showed distinct interaction between the particles and graphene. An offset was introduced (up to 4 nm) resulting in much reduced coupling between the opposed particles as the distance apart increased. Findings currently suggest that the graphene layer has limited interaction with incident fields with a single particle present whilst reducing the coupling region to a very fine area when opposing particles are involved. It is hoped that the results of this research will provide insight into graphene-plasmon interactions and spur the development of the next generation of sensing devices.