Signature optique des ferroaimants de Hall quantiques dans la bicouche de graphène

Un moyen permettant d'identifier expérimentalement les phases du gaz d'électrons bidimensionnel de la bicouche de graphène en empilement bernal au remplissage $\nu = 3$ est recherché lorsque le biais électrique entre les couches est varié. À ce remplissage, si on se concentre aux basses énergies, il est possible de ne s'intéresser qu'aux deux niveaux de Landau composant le niveau $N=0$ qui sont de même spin et de même vallée, mais d'orbitale différente. Puisque la texture du pseudospin orbital de ce système change selon la phase, il est attendu que le couplage avec le champ électrique de la lumière devrait changer. La dispersion des modes collectifs de chaque phase est calculée dans l'approximation GRPA (generalized random-phase approximation) dans le domaine en biais où chacune domine respectivement. L'absorption optique pour des polarisations linéaires en direction x et en direction y ainsi que pour des polarisations circulaires gauche et droite est calculée. La rotation de Faraday et l'effet Kerr sont également calculés. Des différences entre les phases sont remarquées au niveaux de la fréquence des photons qui sont absorbés, de l'amplitude de l'absorption et de la rotation de la polarisation ainsi que la sensibilité à certains types de polarisation. L'effet des modes collectifs dans les phases considérées est cependant moindre que celui qui est prédit dans un calcul qui ne tient pas compte de l'interaction de Coulomb.

Fonctionnalisation covalente des nanotubes de carbone : propriétés, réversibilité et applications dans le domaine de l'électronique

Le sujet général de cette thèse est l’étude de la fonctionnalisation covalente des nanotubes de carbone (CNT) et son application en électronique. Premièrement, une introduction au sujet est présentée. Elle discute des propriétés des CNT, des différentes sortes de fonctionnalisation covalente ainsi que des principales techniques de caractérisation utilisées au cours de la thèse. Deuxièmement, les répercussions de la fonctionnalisation covalente sur les propriétés des nanotubes de carbone monoparoi (SWNT) sont étudiées. Deux types de fonctionnalisation sont regardés, soit le greffage de groupements phényles et le greffage de groupements dichlorométhylènes. Une diminution de l’absorption optique des SWNT dans le domaine du visible-proche infrarouge est observée ainsi qu’une modification de leur spectre Raman. De plus, pour les dérivés phényles, une importante diminution de la conductance des nanotubes est enregistrée. Troisièmement, la réversibilité de ces deux fonctionnalisations est examinée. Il est montré qu’un recuit permet de résorber les modifications structurales et retrouver, en majorité, les propriétés originales des SWNT. La température de défonctionnalisation varie selon le type de greffons, mais ne semble pas affectée par le diamètre des nanotubes (diamètre examinés : dérivés phényles, Ømoyen= 0,81 nm, 0,93 nm et 1,3 nm; dérivés dichlorométhylènes, Ømoyen = 0,81 nm et 0,93 nm). Quatrièmement, la polyvalence et la réversibilité de la fonctionnalisation covalente par des unités phényles sont exploitées afin de développer une méthode d’assemblage de réseaux de SWNT. Celle-ci, basée sur l’établissement de forces électrostatiques entre les greffons des SWNT et le substrat, est à la fois efficace et sélective quant à l’emplacement des SWNT sur le substrat. Son application à la fabrication de dispositifs électroniques est réalisée. Finalement, la fonctionnalisation covalente par des groupements phényles est appliquée aux nanotubes de carbone à double paroi (DWNT). Une étude spectroscopique montre que cette dernière s’effectue exclusivement sur la paroi externe. De plus, il est démontré que la signature électrique des DWNT avant et après la fonctionnalisation par des groupements phényles est caractéristique de l’agencement nanotube interne@ nanotube externe.

Signature optique d’effet Stark dans une bicouche de CuPc:C60

Les hétérojonctions formées de deux matériaux, un donneur et un accepteur (D/A), sont la base de la majorité des mélanges photovoltaïques organiques. Les mécanismes de séparation des charges dans ces systèmes représentent aujourd'hui l'un des sujets les plus chauds et les plus débattus dans ce domaine. Nous entrons au coeur de ce débat en choisissant un système D/A à base de phtalocyanine de cuivre (CuPc) et de fullerène (C60). Pour sonder les états excités de nos molécules et obtenir de l'information sur les phénomènes à l'interface D/A, nous réalisons une expérience pompe-sonde, appelée absorption photoinduite (PIA). Nous y mesurons le changement fractionnaire de transmission au travers de l'échantillon. Les mesures de PIA sont réalisées à l'état de quasi équilibre, à T=10K. Nous observons une modulation prononcée dans la région du photoblanchiment de l'état fondamental qui nous indique que la pompe induit un décalage du spectre d'absorption de l'état fondamental. Ce décalage peut être expliqué par deux processus : soit l'échantillon est chauffé par la pompe (effet thermique) ou bien des charges sont créées à l'interface entre les deux matériaux (effet Stark). La dépendance en température du spectre d'absorption entre 10K et 290K montre une signature thermique pour un changement de température de 80K. Grâce au ratio des raies Raman anti-Stokes et Stokes, nous démontrons que la pompe chauffe l'échantillon de 34 K, température insuffisante pour attribuer notre signal à un effet thermique. Nous évaporons ensuite la bicouche CuPc/C60 sur de l'ITO et du saphir, substrats qui possèdent des conductivités thermiques différentes et nous observons le même signal de PIA, excluant par le fait même l'hypothèse de l'effet thermique. Puisque notre étude est comparable à la spectroscopie à effet Stark, nous procédons à une analyse similaire en comparant notre signal de PIA au spectre de la transmittance et à ses dérivés première et seconde. Nous observons alors que notre signal reproduit presque parfaitement la dérivée seconde de la transmittance. Ces résultats sont conformes à une signature optique d'effet Stark due à la création de charges à l'interface D/A.

Algorithme de reconstruction itératif pour tomographie optique diffuse avec mesures dans le domaine temporel

L'imagerie par tomographie optique diffuse requiert de modéliser la propagation de la lumière dans un tissu biologique pour une configuration optique et géométrique donnée. On appelle cela le problème direct. Une nouvelle approche basée sur la méthode des différences finies pour modéliser numériquement via l'équation de la diffusion (ED) la propagation de la lumière dans le domaine temporel dans un milieu inhomogène 3D avec frontières irrégulières est développée pour le cas de l'imagerie intrinsèque, c'est-à-dire l'imagerie des paramètres optiques d'absorption et de diffusion d'un tissu. Les éléments finis, lourds en calculs, car utilisant des maillages non structurés, sont généralement préférés, car les différences finies ne permettent pas de prendre en compte simplement des frontières irrégulières. L'utilisation de la méthode de blocking-off ainsi que d'un filtre de Sobel en 3D peuvent en principe permettre de surmonter ces difficultés et d'obtenir des équations rapides à résoudre numériquement avec les différences finies. Un algorithme est développé dans le présent ouvrage pour implanter cette approche et l'appliquer dans divers cas puis de la valider en comparant les résultats obtenus à ceux de simulations Monte-Carlo qui servent de référence. L'objectif ultime du projet est de pouvoir imager en trois dimensions un petit animal, c'est pourquoi le modèle de propagation est au coeur de l'algorithme de reconstruction d'images. L'obtention d'images requière la résolution d'un problème inverse de grandes dimensions et l'algorithme est basé sur une fonction objective que l'on minimise de façon itérative à l'aide d'une méthode basée sur le gradient. La fonction objective mesure l'écart entre les mesures expérimentales faites sur le sujet et les prédictions de celles-ci obtenues du modèle de propagation. Une des difficultés dans ce type d'algorithme est l'obtention du gradient. Ceci est fait à l'aide de variables auxiliaire (ou adjointes). Le but est de développer et de combiner des méthodes qui permettent à l'algorithme de converger le plus rapidement possible pour obtenir les propriétés optiques les plus fidèles possible à la réalité capable d'exploiter la dépendance temporelle des mesures résolues en temps, qui fournissent plus d'informations tout autre type de mesure en TOD. Des résultats illustrant la reconstruction d'un milieu complexe comme une souris sont présentés pour démontrer le potentiel de notre approche.

Absorption of metals and characterization of chemical elements present in three species of Gracilaria (Gracilariaceae) Greville: a genus of economical importance

Gracilaria Greville is a genus of seaweed that is economically explored by the cosmetic, pharmaceutical and food industries. One of the biggest problems associated with growing Gracilaria is the discharge of heavy metals into the marine environment. The absorption of heavy metals was investigated with the macroalga Gracilaria tenuistipitata Zhang et Xia, cultivated in a medium containing copper (Cu) and cadmium (Cd). In biological samples, EC50 concentrations of 1 ppm for cadmium and 0.95 ppm for copper were used. These concentrations were based on seaweed growth curves obtained over a period of six days in previous studies. ICP-AES was used to determine the amount of metal that seaweeds absorbed during this period. G. tenuistipitata was able to bioaccumulate both metals, about 17% of copper and 9% of cadmium. Basal natural levels of Cu were found in control seaweeds and in G. tenuistipitata exposed to Cd. In addition, the repertoire of other important chemical elements, as well as their concentrations, was determined for G. tenuistipitata and two other important seaweeds, G. birdiae Plastino & Oliveira and G. domingensis (Kützing) Sonder ex Dickie, collected in natural environments on the Brazilian shore.

Synchrotron X-ray powder diffraction and extended X-ray absorption fine structure spectroscopy studies on nanocrystalline ZrO(2)-CaO solid solutions

The crystal structure and the local atomic order of a series of nanocrystalline ZrO(2)-CaO solid solutions with varying CaO content were studied by synchrotron radiation X-ray powder diffraction and extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) spectroscopy. These samples were synthesized by a pH-controlled nitrate-glycine gel-combustion process. For CaO contents up to 8 mol%, the t' form of the tetragonal phase (c/a > 1) was identified, whereas for 10 and 12 mol% CaO, the t '' form (c/a=1; oxygen anions displaced from their ideal positions in the cubic phase) was detected. Finally, the cubic phase was observed for solid solutions with CaO content of 14 mol% CaO or higher. The t'/t '' and t ''/cubic compositional boundaries were determined to be at 9 (1) and 13 (1) mol% CaO, respectively. The EXAFS study demonstrated that this transition is related to a tetragonal-to-cubic symmetry change of the first oxygen coordination shell around the Zr atoms.

Spectral dependence of aerosol light absorption over the Amazon Basin

In this study, we examine the spectral dependence of aerosol absorption at different sites and seasons in the Amazon Basin. The analysis is based on measurements performed during three intensive field experiments at a pasture site (Fazenda Nossa Senhora, Rondonia) and at a primary forest site (Cuieiras Reserve, Amazonas), from 1999 to 2004. Aerosol absorption spectra were measured using two Aethalometers: a 7-wavelength Aethalometer (AE30) that covers the visible (VIS) to near-infrared (NIR) spectral range, and a 2-wavelength Aethalometer (AE20) that measures absorption in the UV and in the NIR. As a consequence of biomass burning emissions, about 10 times greater absorption values were observed in the dry season in comparison to the wet season. Power law expressions were fitted to the measurements in order to derive the absorption Angstrom exponent, defined as the negative slope of absorption versus wavelength in a log-log plot. At the pasture site, about 70% of the absorption Angstrom exponents fell between 1.5 and 2.5 during the dry season, indicating that biomass burning aerosols have a stronger spectral dependence than soot carbon particles. Angstrom exponents decreased from the dry to the wet season, in agreement with the shift from biomass burning aerosols, predominant in the fine mode, to biogenic and dust aerosols, predominant in the coarse mode. The lowest absorption Angstrom exponents (90% of data below 1.5) were observed at the forest site during the dry season. Also, results indicate that low absorption coefficients were associated with low Angstrom exponents. This finding suggests that biogenic aerosols from Amazonia have a weaker spectral dependence for absorption than biomass burning aerosols, contradicting our expectations of biogenic particles behaving as brown carbon. In a first order assessment, results indicate a small (<1 %) effect of variations in absorption Angstrom exponents on 24-h aerosol forcings, at least in the spectral range of 450-880 nm. Further studies should be taken to assess the corresponding impact in the UV spectral range. The assumption that soot spectral properties represent all ambient light absorbing particles may cause a misjudgment of absorption towards the UV, especially in remote areas. Therefore, it is recommended to measure aerosol absorption at several wavelengths to accurately assess the impact of non-soot aerosols on climate and on photochemical atmospheric processes.

Dynamic polarizability, Cauchy moments, and the optical absorption spectrum of liquid water: A sequential molecular dynamics/quantum mechanical approach

The dynamic polarizability and optical absorption spectrum of liquid water in the 6-15 eV energy range are investigated by a sequential molecular dynamics (MD)/quantum mechanical approach. The MD simulations are based on a polarizable model for liquid water. Calculation of electronic properties relies on time-dependent density functional and equation-of-motion coupled-cluster theories. Results for the dynamic polarizability, Cauchy moments, S(-2), S(-4), S(-6), and dielectric properties of liquid water are reported. The theoretical predictions for the optical absorption spectrum of liquid water are in good agreement with experimental information.

Depth-dependent local structures in thin films unraveled by grazing-incidence X-ray absorption spectroscopy

A method of using X-ray absorption spectroscopy together with resolved grazing-incidence geometry for depth profiling of atomic, electronic or chemical local structures in thin films is presented. The quantitative deconvolution of thickness-dependent spectral features is performed by fully considering both scattering and absorption formalisms. Surface oxidation and local structural depth profiles in nanometric FePt films are determined, exemplifying the application of the method.

Optical absorption and electronic band structure first-principles calculations of alpha-glycine crystals

Light absorption of alpha-glycine crystals grown by slow evaporation at room temperature was measured, indicating a 5.11 +/- 0.02 eV energy band gap. Structural, electronic, and optical absorption properties of alpha-glycine crystals were obtained by first-principles quantum mechanical calculations using density functional theory within the generalized gradient approximation in order to understand this result. To take into account the contribution of core electrons, ultrasoft and norm-conserving pseudopotentials, as well as an all electron approach were considered to compute the electronic density of states and band structure of alpha-glycine crystals. They exhibit three indirect energy band gaps and one direct Gamma-Gamma energy gap around 4.95 eV. The optical absorption related to transitions between the top of the valence band and the bottom of the conduction band involves O 2p valence states and C, O 2p conduction states, with the carboxyl group contributing significantly to the origin of the energy band gap. The calculated optical absorption is highly dependent on the polarization of the incident radiation due to the spatial arrangement of the dipolar glycine molecules; in the case of a polycrystalline sample, the first-principles calculated optical absorption is in good agreement with the measurement when a rigid energy shift is applied.

Modeling the dichroic absorption band edge and light-induced magnetism in EuTe

The band-edge optical absorption in EuTe is studied in the framework of the 5d conduction band atomic model. Both relaxed antiferromagnetic order, and ferromagnetic order induced by an external magnetic field, were analyzed. For ferromagnetic arrangement, the absorption is characterized by a hugely dichroic doublet of narrow lines. In the antiferromagnetic order, the spectrum is blueshifted, becomes much broader and weaker, and dichroism is suppressed. These results are in excellent qualitative and quantitative agreement with experimental observations on EuTe and EuSe published by us previously [Phys. Rev. B 72, 155337 (2005)]. The possibility of inducing ferromagnetic order by illuminating the material at photon energies resonant with the band gap is also discussed.

Absorption of planar waves in a draining bathtub

We present an analysis of the absorption of acoustic waves by a black hole analogue in (2 + 1) dimensions generated by a fluid flow in a draining bathtub. We show that the low-frequency absorption length is equal to the acoustic hole circumference and that the high-frequency absorption length is 4 times the ergoregion radius. For intermediate values of the wave frequency, we compute the absorption length numerically and show that our results are in excellent agreement with the low-and high-frequency limits. We analyze the occurrence of superradiance, manifested as negative partial absorption lengths for corotating modes at low frequencies.

Electromagnetic absorption cross section of Reissner-Nordstroumlm black holes revisited

The absorption cross section of Reissner-Nordstroumlm black holes for the electromagnetic field is computed numerically for arbitrary frequencies, taking into account the coupling of the electromagnetic and gravitational perturbations. We also compute the conversion coefficients of electromagnetic to gravitational waves by scattering from a Reissner-Nordstroumlm black hole.

Electromagnetic absorption cross section of Reissner-Nordstrom black holes

The absorption cross section of Reissner-Nordstrom black holes for the electromagnetic field is computed numerically for arbitrary frequencies. The numerical results are in excellent agreement with the low- and high-frequency limits, which are obtained with analytical methods. Special emphasis is given to the extreme Reissner-Nordstrom black hole case.

Two-photon absorption spectra of carotenoids compounds

Carotenoids are biosynthetic organic pigments that constitute an important class of one-dimensional pi-conjugated organic molecules with enormous potential for application in biophotonic devices. In this context, we studied the degenerate two-photon absorption (2PA) cross-section spectra of two carotenoid compounds (beta-carotene and beta-apo-8'-carotenal) employing the conventional and white-light-continuum Z-scan techniques and quantum chemistry calculations. Because carotenoids coexist at room temperature as a mixture of isomers, the 2PA spectra reported here are due to samples containing a distribution of isomers, presenting distinct conjugation length and conformation. We show that these compounds present a defined structure on the 2PA spectra, that peaks at 650 nm with an absorption cross-section of approximately 5000 GM, for both compounds. In addition, we observed a 2PA band at 990 nm for beta-apo-8'-carotenal, which was attributed to a overlapping of I(I)B(u) +-like and 2(I)Ag(-)-like states, which are strongly one- and two-photon allowed, respectively. Spectroscopic parameters of the electronic transitions to singlet-excited states, which are directly related to photophysical properties of these compounds, were obtained by fitting the 2PA spectra using the sum-over-states approach. The analysis and interpretations of the 2PA spectra of the investigated carotenoids were supported by theoretical predictions of one- and two-photon transitions carried out using the response functions formalism within the density functional theory framework, using the long-range corrected CAM-B3LYP functional. (C) 2011 American Institute of Physics. [doi:10.1063/1.3590157]