Mécanismes de recuit dans le silicium implanté par faisceau d’ion caractérisés par nanocalorimétrie

Nous présenterons le procédé de fabrication, la caractérisation, ainsi qu’un modèle numérique permettant l’optimisation d’un nouveau dispositif permettant d’effectuer des mesures de nanocalorimétrie sur un échantillon de silicium monocristallin. Ce dernier possède entre autre des propriétés thermiques nous permettant d’effectuer des mesures à des températures supérieures à 900 C, avec une résolution meilleure que 16 C. Ceci nous a permis d’étudier la dynamique des défauts induits par implantation ionique dans le silicium monocristallin. Deux comportements différents sont observés dans la germination de la phase amorphe induite par implantation à 10 et 80 keV. Ces résultats ont été confrontés à des simulations Monte-Carlo basées sur le modèle des paires lacunesinterstitiels. La comparaison entre les simulations et les mesures expérimentales ont montré que ce modèle est incomplet car il ne reproduit qualitativement que certaines caractéristiques observées expérimentalement. Des mesures réalisées à partir de -110 C dans le silicium monocristallin et amorphisé implanté avec des ions légers, ont mis en évidence des différences claires entre la relaxation dans le silicium amorphe et le recuit des défauts dans le silicium monocristallin. Deux processus à des énergies d’activation de 0.48 et 0.6 eV ont été observés pour les implantations réalisées dans le silicium monocristallin tandis qu’un relâchement de chaleur uniforme ne révélant qu’un spectre continu d’énergie d’activation a été observé dans le silicium amorphe.

É́tude sur la cinétique des défauts structuraux dans le silicium amorphe.

Cette thèse présente à la fois des résultats de simulations numériques en plus de ré- sultats expérimentaux obtenus en laboratoire sur le rôle joué par les défauts de structure dans le silicium amorphe. Nos travaux de simulation numérique furent réalisés avec une nouvelle méthode de simulation Monte-Carlo cinétique pour décrire l’évolution tempo- relle de modèles de silicium amorphe endommagés sur plusieurs échelles de temps jus- qu’à une seconde à la température pièce. Ces simulations montrent que les lacunes dans le silicium amorphe sont instables et ne diffusent pas sans être détruites. Nous montrons également que l’évolution d’un modèle de silicium amorphe endommagé par une colli- sion ionique lors d’un recuit peut être divisée en deux phases : la première est dominée exclusivement par la diffusion et la création/destruction de défauts de liaison, alors que la deuxième voit les créations/destructions de liens remplacées par des échanges de liens entre atomes parfaitement coordonnés. Les défauts ont aussi un effet sur la viscosité du silicium amorphe. Afin d’approfondir cette question, nous avons mesuré la viscosité du silicium amorphe et du silicium amorphe hydrogéné sous l’effet d’un faisceau d’ions. Nous montrons que la variation de la viscosité dans les deux matériaux est différente : le silicium amorphe hydrogéné a une viscosité constante en fonction de la fluence des ions alors que le silicium amorphe pur a une viscosité qui augmente de façon linéaire. Pour de faibles fluences, la viscosité du silicium hydrogéné est plus grande que la viscosité sans hydrogène. La présence d’hydrogène diminue également l’amplitude de la variation logarithmique de la contrainte observée lors de la relaxation à la température de la pièce.

Étude de la formation et de l'évolution de nanostructures par méthodes Monte Carlo

Cette thèse, composée de quatre articles scientifiques, porte sur les méthodes numériques atomistiques et leur application à des systèmes semi-conducteurs nanostructurés. Nous introduisons les méthodes accélérées conçues pour traiter les événements activés, faisant un survol des développements du domaine. Suit notre premier article, qui traite en détail de la technique d'activation-relaxation cinétique (ART-cinétique), un algorithme Monte Carlo cinétique hors-réseau autodidacte basé sur la technique de l'activation-relaxation nouveau (ARTn), dont le développement ouvre la voie au traitement exact des interactions élastiques tout en permettant la simulation de matériaux sur des plages de temps pouvant atteindre la seconde. Ce développement algorithmique, combiné à des données expérimentales récentes, ouvre la voie au second article. On y explique le relâchement de chaleur par le silicium cristallin suite à son implantation ionique avec des ions de Si à 3 keV. Grâce à nos simulations par ART-cinétique et l'analyse de données obtenues par nanocalorimétrie, nous montrons que la relaxation est décrite par un nouveau modèle en deux temps: "réinitialiser et relaxer" ("Replenish-and-Relax"). Ce modèle, assez général, peut potentiellement expliquer la relaxation dans d'autres matériaux désordonnés. Par la suite, nous poussons l'analyse plus loin. Le troisième article offre une analyse poussée des mécanismes atomistiques responsables de la relaxation lors du recuit. Nous montrons que les interactions élastiques entre des défauts ponctuels et des petits complexes de défauts contrôlent la relaxation, en net contraste avec la littérature qui postule que des "poches amorphes" jouent ce rôle. Nous étudions aussi certains sous-aspects de la croissance de boîtes quantiques de Ge sur Si (001). En effet, après une courte mise en contexte et une introduction méthodologique supplémentaire, le quatrième article décrit la structure de la couche de mouillage lors du dépôt de Ge sur Si (001) à l'aide d'une implémentation QM/MM du code BigDFT-ART. Nous caractérisons la structure de la reconstruction 2xN de la surface et abaissons le seuil de la température nécessaire pour la diffusion du Ge en sous-couche prédit théoriquement par plus de 100 K.

Anisotropy of spin relaxation of water protons in cartilage and tendon

Transverse spin relaxation rates of water protons in articular cartilage and tendon depend on the orientation of the tissue relative to the applied static magnetic field. This complicates the interpretation of magnetic resonance images of these tissues. At the same time, relaxation data can provide information about their organisation and microstructure. We present a theoretical analysis of the anisotropy of spin relaxation of water protons observed in fully hydrated cartilage. We demonstrate that the anisotropy of transverse relaxation is due almost entirely to intramolecular dipolar coupling modulated by a specific mode of slow molecular motion: the diffusion of water molecules in the hydration shell of a collagen fibre around the fibre, such that the molecular director remains perpendicular to the fibre. The theoretical anisotropy arising from this mechanism follows the “magic-angle” dependence observed in magnetic-resonance measurements of cartilage and tendon and is in good agreement with the available experimental results. We discuss the implications of the theoretical findings for MRI of ordered collagenous tissues.

Investigation of 'off-line‘ relaxation phenomena in oil filled transformers

Power transformers are one of the most important and costly equipment in power generation, transmission and distribution systems. Current average age of transformers in Australia is around 25 years and there is a strong economical tendency to use them up to 50 years or more. As the transformers operate, they get degraded due to different loading and environmental operating stressed conditions. In today‘s competitive energy market with the penetration of distributed energy sources, the transformers are stressed more with minimum required maintenance. The modern asset management program tries to increase the usage life time of power transformers with prognostic techniques using condition indicators. In the case of oil filled transformers, condition monitoring methods based on dissolved gas analysis, polarization studies, partial discharge studies, frequency response analysis studies to check the mechanical integrity, IR heat monitoring and other vibration monitoring techniques are in use. In the current research program, studies have been initiated to identify the degradation of insulating materials by the electrical relaxation technique known as dielectrometry. Aging leads to main degradation products like moisture and other oxidized products due to fluctuating thermal and electrical loading. By applying repetitive low frequency high voltage sine wave perturbations in the range of 100 to 200 V peak across available terminals of power transformer, the conductive and polarization parameters of insulation aging are identified. An in-house novel digital instrument is developed to record the low leakage response of repetitive polarization currents in three terminals configuration. The technique is tested with known three transformers of rating 5 kVA or more. The effects of stressing polarization voltage level, polarizing wave shapes and various terminal configurations provide characteristic aging relaxation information. By using different analyses, sensitive parameters of aging are identified and it is presented in this thesis.

Age-related loss of brain volume and T2 relaxation time in youth with type 1 diabetes

OBJECTIVE: Childhood-onset type 1 diabetes is associated with neurocognitive deficits, but there is limited evidence to date regarding associated neuroanatomical brain changes and their relationship to illness variables such as age at disease onset. This report examines age-related changes in volume and T2 relaxation time (a fundamental parameter of magnetic resonance imaging that reflects tissue health) across the whole brain. RESEARCH DESIGN AND METHODS: Type 1 diabetes, N = 79 (mean age 20.32 ± 4.24 years), and healthy control participants, N = 50 (mean age 20.53 ± 3.60 years). There were no substantial group differences on socioeconomic status, sex ratio, or intelligence quotient. RESULTS: Regression analyses revealed a negative correlation between age and brain changes, with decreasing gray matter volume and T2 relaxation time with age in multiple brain regions in the type 1 diabetes group. In comparison, the age-related decline in the control group was small. Examination of the interaction of group and age confirmed a group difference (type 1 diabetes vs. control) in the relationship between age and brain volume/T2 relaxation time. CONCLUSIONS: We demonstrated an interaction between age and group in predicting brain volumes and T2 relaxation time such that there was a decline in these outcomes in type 1 diabetic participants that was much less evident in control subjects. Findings suggest the neurodevelopmental pathways of youth with type 1 diabetes have diverged from those of their healthy peers by late adolescence and early adulthood but the explanation for this phenomenon remains to be clarified.

133Cs relaxation times in rat tissues

133Cs relaxation-time studies of tissues from rats into which cesium has been incorporated by dietary loading have been carried out in vivo and in vitro. Whereas tissue T1 values are on the order of seconds, T2 values are as low as a few tens of milliseconds, 133Cs tissue relaxation times are analogous to those of 39K in the same tissues, but are more readily measured because of the greater sensitivity of 133Cs compared with 39K, T1 and T2 data of excised tissue at two resonance frequencies (65.60 and 39.37 MHz) and temperatures (302 and 278 K) have been analyzed in terms of a general description of spin- relaxation. The results are consistent with most of the cesium ions being in a free state, undergoing fast exchange with bound ions having long correlation times located in one or more intracellular compartments,

NMR measurement of 39K detectability and relaxation constants in rat tissue

Differences in the NMR detectability of 39K in various excised rat tissues (liver, brain, kidney, muscle, and testes) have been observed. The lowest NMR detectability occurs for liver (61 ± 3% of potassium as measured by flame photometry) and highest for erythrocytes (100 ± 7%). These differences in detectability correlate with differences in the measured 39K NMR relaxation constants in the same tissues. 39K detectabilities were also found to correlate inversely with the mitochondrial content of the tissues. Mitochondria prepared from liver showed greatly reduced 39K NMR detectability when compared with the tissue from which it was derived, 31.6 ± 9% of potassium measured by flame photometry compared to 61 ± 3%. The detectability of potassium in mitochondria was too low to enable the measurement of relaxation constants. This study indicates that differences in tissue structure, particularly mitochondrial content are important in determining 39K detectability and measured relaxation rates.

NMR relaxation behavior and quadrupole coupling constants of 39K and 23Na ions in glycerol. Comparisons with 39K tissue data

The quadrupole coupling constants (qcc) for39K and23Na ions in glycerol have been calculated from linewidths measured as a function of temperature (which in turn results in changes in solution viscosity). The qcc of39K in glycerol is found to be 1.7 MHz, and that of23Na is 1.6 MHz. The relaxation behavior of39K and23Na ions in glycerol shows magnetic field and temperature dependence consistent with the equations for transverse relaxation more commonly used to describe the reorientation of nuclei in a molecular framework with intramolecular field gradients. It is shown, however, that τc is not simply proportional to the ratio of viscosity/temperature (ηT). The 39K qcc in glycerol and the value of 1.3 MHz estimated for this nucleus in aqueous solution are much greater than values of 0.075 to 0.12 MHz calculated from T2 measurements of39K in freshly excised rat tissues. This indicates that, in biological samples, processes such as exchange of potassium between intracellular compartments or diffusion of ions through locally ordered regions play a significant role in determining the effective quadrupole coupling constant and correlation time governing39K relaxation. T1 and T2 measurements of rat muscle at two magnetic fields also indicate that a more complex correlation function may be required to describe the relaxation of39K in tissue. Similar results and conclusions are found for23Na.