Multi walled carbon nanotubes (MWCNT) grown in highly ordered porous alumina templates were incorporated into a resistive gas sensor design and were evaluated for their sensitivities. The material characteristics and electrical properties of the nanotubes were analyzed. A study was undertaken to elucidate the effect of UV light on desorption characteristics and the dependence of sensitivity on (i) thickness of amorphous carbon layers and (ii) flow rates of analyte gases. These sensors were highly responsive to both oxidizing and reducing gases with steady state sensitivities of 5% and 10% for 100ppm of NH3 and NO2 respectively, at room temperature. As part of a comparative study, thick films of MWCNTs grown on Si/SiO2 substrates were integrated into various nano-composite based sensors and were evaluated for their response. Steady state sensitivities as high as 10% and 11% were achieved for 100ppm of NH3 and NO2 respectively, at room temperature. MWCNTs were characterized for their electrical properties by I–V measurements at room temperatures. A typical I-V curve with an ohmic behavior was observed for a device with high work function metals (example: Au, Pt); Schottky behavior was observed for devices with metal contacts having low work functions (example: Al, Cu).

Ce mémoire décrit les recherches récentes que j'ai effectuées de 1998 à ce jour. De 1998 à 2004, mes efforts principaux ont eu pour objet au CRHEA le développement de la croissance par épitaxie en phase vapeur par décomposition d'organométalliques (EPVOM) des matériaux GaN et AlGaN sur saphir avec des perspectives d'application aux photodétecteurs ultraviolets et aux transistors à effet de champ, dans un cadre de recherche coopérative intense qui a été soutenue en permanence par des ressources propres apportées sur une base de contrats européens et nationaux. Le mémoire, qui ne prétend pas être exhaustif, est focalisé sur les développements que j'ai effectués autour des matériaux GaN et AlGaN pour les applications opto-électroniques aux photodétecteurs ultraviolets. L'élaboration du diamant en couche mince, au moyen de la technique de croissance en phase vapeur assistée par plasma microonde, a ensuite constitué l'objet principal de mon activité de recherche ces quatre dernières années au CNRS LEPES, puis à l'Institut Néel. Un accent particulier a été mis sur le développement d'applications technologiques novatrices propres à valoriser le potentiel du diamant dopé pour les composants, dans le cadre de projets coopératifs nationaux qui s'ouvraient, notamment, vers l'électronique de puissance, l'électrochimie pour applications environnementales et les bio-capteurs. Une sélection de sujets est donc là aussi présente dans ce mémoire, dont l'objectif est avant tout de refléter les résultats et les orientations générales représentant le mieux mes sujets présents et futurs.

Réalisées au début du processus de fabrication des circuits intégrés, les tranchées d'isolation permettent d'éviter les fuites de courant latérales qui pourraient avoir lieu entre les transistors. Les tranchées sont remplies par un film d'oxyde de silicium réalisé par des procédés de dépôt chimiques en phase vapeur (aussi appelés CVD). Le remplissage des tranchées est couramment réalisé par un procédé CVD à pression sub-atmosphérique (SACVD TEOS/O3). Cependant, la capacité de remplissage de ce procédé pour les nœuds technologiques CMOS 28 nm et inférieurs est dégradée à cause de profils trop verticaux dans les tranchées. Cela induit la formation de cavités dans l'oxyde et entraine des courts-circuits. Afin de pallier ce problème, une nouvelle stratégie de remplissage en trois étapes est proposée pour la technologie CMOS 14 nm. Dans la première étape, un film mince d'oxyde est déposé dans les tranchées. Puis, dans la deuxième étape, les flancs du film sont gravés à l'aide d'un procédé de gravure innovant, basé sur un plasma délocalisé de NF3/NH3, permettant de créer une pente favorable au remplissage final réalisé au cours de la troisième étape. Le développement de cette nouvelle stratégie de remplissage s'est déroulé selon plusieurs axes. Tout d'abord, le procédé de dépôt a été caractérisé afin de sélectionner les conditions optimales pour la première étape de la stratégie. Puis, le procédé de gravure innovant a été caractérisé en détail. L'influence des paramètres de gravure a été étudiée sur pleine plaque et sur plaques avec motifs afin de comprendre les mécanismes de gravure et de changement de pente dans les tranchées. Enfin, dans un troisième temps, la stratégie de remplissage a été développée et intégrée pour la technologie CMOS 14 nm. Nous montrons ainsi qu'il est possible de contrôler le changement de pente avec les conditions de gravure et que cette stratégie permet un remplissage des tranchées d'isolation sans cavités.

L'évolution de la microélectronique est rythmée par l'augmentation constante du nombre de transistors intégrés dans chaque circuit grâce à la miniaturisation des dispositifs. Face à des coûts de fabrication et de développement de plus en plus élevés d'une part et à l'apparition de phénomènes parasites de plus en plus importants dans les dispositifs miniaturisés d'autre part, l'industrie se tourne progressivement vers l'intégration tridimensionnelle où les circuits sont empilés. La phase suivante de cette évolution pourra consister en la fabrication de circuits eux-mêmes tridimensionnels avec des composants répartis sur plusieurs niveaux. Dans ce contexte, la croissance catalysée de nanofils par CVD permet d'obtenir des structures cristallines en silicium sans relation d'épitaxie et de dimensions nanométriques sans photolithographie agressive. Nous avons utilisé ces propriétés pour la réalisation de démonstrateurs de capacités MOS et MIM ultra-denses de respectivement 22 µF/cm² et de 9 µF/cm² grâce à l'importante surface déployée par une assemblée de nanofils. Ces valeurs correspondent à des gains en surface appotée par les nanofils de 27,5 et de 16 pour les capacités MOS et MIM. Nous présentons dans ce travail de thèse, le dimensionnement, la fabrication et la caractérisation de ces dispositifs, depuis la croissance des nanofils jusqu'à l'obtention du démonstrateur complet. Nous nous sommes également intéressés aux principales briques technologiques de la fabrication de transistors verticaux à base de nanofils pour les niveaux d'interconnexion. Nous avons pour cela mis au point une technologie de croissance guidée de nanofils et étudié les qualités d'interface de l'empilement d'une grille déposé à basse température sur les nanofils. Cette étude s'appuie sur la comparaison des propriétés électriques de capacités MOS à base de nanofils obtenus par croissance catalysée avec les mêmes nanostructures obtenues par épitaxie sélective. Les nanofils catalysés présentent une très bonne qualité d'interface avec un empilement à base d'alumine et de nitrure de titane. Les technologies mises au point dans cette thèse ouvrent de nouvelles opportunités pour l'intégration tridimensionnelle au sein d'une même puce.

Les propriétés physiques et chimiques exceptionnelles du matériau diamant ont suscité l'intérêt des chercheurs pour le développement d'applications industrielles, comme par exemple dans les domaines de la dissipation thermique ou de l'électronique de puissance. En particulier, les propriétés mécaniques remarquables de ce matériau peuvent être exploitées avantageusement pour la conception de résonateurs MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems). Même si certains dispositifs MEMS à base de diamant avaient été décrits dans la littérature, les propriétés mécaniques de ce matériau n'avaient jamais été associées à ses propriétés chimiques pour la réalisation de transducteurs chimiques ou biochimiques à base de résonateurs MEMS. Ainsi, l'objectif cette thèse a été de démontrer l'intérêt de ce matériau innovant pour la fabrication de ces capteurs. Les MEMS offrent la possibilité de faire de la détection en temps réel de manière directe (sans marqueur), rapide et sensible, sur de faibles quantités d'analytes. De plus ils permettent d'adresser des cibles non électro-actives qui ne peuvent pas être détectées par des capteurs électrochimiques. Dans cette étude, nous avons développé dans un premier temps des procédés de micro-structuration spécifiques du diamant. Ces procédés entièrement compatibles avec des techniques de salle blanche ont permis d'aboutir à la réalisation de nombreux transducteurs à base de micro-leviers en diamant sur des substrats en silicium de 4 pouces. De plus les approches développées permettent d'éviter la gravure fastidieuse du matériau diamant. Leur caractérisation mécanique en régime dynamique a permis de caractériser le module d'Young E du matériau diamant synthétisé en fonction des conditions de croissance. Dans le meilleur cas une valeur de E très élevée de l'ordre de 1100 GPa a été obtenue, ce qui est très proche de la valeur du diamant monocristallin (1200GPa). Par ailleurs, nous avons pu vérifier que les propriétés de résonance (fréquence de résonance et facteur de qualité) des structures en diamant réalisées étaient supérieures à celles de structures identiques en silicium. En particulier, cela rend ces résonateurs plus aptes à être exploités en milieux liquides. Nous avons montré que dans de tels milieux les micro-leviers en diamant étaient très peu sensibles à une variation massique. En revanche leur sensibilité à une variation de masse volumique du liquide est de l'ordre de 3Hz.kg-1.m3 et donc significative. Par ailleurs, en fonctionnalisant des micro-leviers en diamant par de l'acide caproïque, nous avons mis en évidence que des variations de densité de charges à la surface des micro-leviers pouvaient induire des variations de fréquence de résonance de plusieurs dizaines de Hz dans le cas de structures vibrant à quelques kHz. Ceci a permis de mettre en évidence la grande sensibilité de nos transducteurs en diamant à des interactions moléculaires. Dans ce contexte nous avons pu réaliser un capteur d'ADN permettant la reconnaissance spécifique en temps réel de brins d'ADN cibles de 24 paires de bases sans marqueur. En parallèle de ces travaux, des structures d'actionnement et de lecture ont été intégrées et évalué sur des dispositifs résonants à base de diamant. Ceci a permis de les interfacer à un premier prototype de système d'acquisition électronique portable dédié réalisé au cours de cette thèse

INTRODUCTION AND AIM The prevalence of cardiovascular disease (CVD) has increased significantly in the black South African population in recent years. Early in the development of CVD, atherosclerotic plaques form in the vessel wall. When this plaque becomes unstable and ruptures, the coagulation cascade is activated and a blood clot forms. The function of this clot is to stop bleeding. However, it cannot remain in the vasculature indefinitely and has to be lysed again. The ability of the body to lyse clots can be measured with global fibrinolytic potential (GFP) assays and expressed as lysis time. Increased clot lysis time (CLT) has been shown to be significantly associated with various CVD risk factors and CVD events in Caucasian populations while very little information is available for other ethnicities. In this study we investigated plasma GFP and its relation to CVD risk factors in a large black African population. We also determined the effect of three polymorphisms in the promoter area of the plasminogen activator inhibitor-1 (PAI-1) gene on PAI-1act (activity) levels (a main determinant of CLT) and CLT, together with gene-environment interactions and the effect of urbanisation on these interactions. PARTICIPANTS AND METHODS Apparently healthy men and women between the ages of 35 and 65 years were recruited to take part in the South African arm of the Prospective Urban and Rural Epidemiology (PURE) study. Approximately 1000 rural and 1000 urban black African individuals participated. Data and samples were collected during a 12-week collection period in 2005 for cross-sectional analysis. RESULTS Increased PAI-1act levels, body mass index (BMI), glycosylated haemoglobin (HbA1c), triglycerides, fibrinogen concentration, C-reactive protein, female sex, positive HIV-status and the metabolic syndrome were all associated with prolonged CLTs, while increased habitual alcohol consumption was associated with shorter iv CLTs. Urban-rural differences for CLT existed in women only. This is likely due to the larger extent of rural-urban differences in other CVD risk factors observed in women compared to what was observed in men. Of the CVD risk factors measured, PAI-1 explained the largest proportion of the variance in CLT (27%). Owing to the important role PAI-1act plays in CLT, we investigated three polymorphisms in the PAI-1 gene promoter area (the 4G/5G polymorphism, the novel SNP C428T and SNP G429A (previously identified)), and the influence of these polymorphisms on PAI-1act levels and CLT. The frequency of the 5G allele was high (0.85) in comparison with previously reported literature. PAI-1act increased significantly across genotypes in the urban (5G/5G: 3.84 U/ml; 4G/5G: 4.85 U/ml; 4G/4G: 5.96 U/ml p=0.009) but not the rural subgroup, while CLT did not differ. We found significant interactions between the 4G/5G polymorphism and BMI, waist circumference and triglycerides in determining PAI-1act, and between the 4G/5G polymorphism and fibrinogen and fibrinogen gamma prime in determining CLT. Direct relationships with PAI-1act or CLT were not found for the C428T and G429A polymorphisms; they did, however, influence associations of other environmental factors with PAI-1act and CLT. Several of these interactions differed significantly between rural and urban subgroups, particularly in individuals harbouring the mutant alleles. CONCLUSION CLT associated with many of the same CVD risk factors described in the literature for Caucasian populations, but also with other risk factors. Rural-urban differences in CLT are dependent on the association of CLT with other CVD risk factors in the rural-urban setting. Genetic polymorphisms of the PAI-1 gene did not directly influence CLT, despite influencing PAI-1act. The main contributor to PAI-1act variance, however, was (central) obesity. The effect of the 4G/5G polymorphism on PAI-1act, as well as gene–environment interactions for the C428T and G429A genotypes in determining PAI-1act and CLT, were significantly influenced by urbanisation. / Thesis (PhD (Nutrition))--North-West University, Potchefstroom Campus, 2013.

INTRODUCTION AND AIM The prevalence of cardiovascular disease (CVD) has increased significantly in the black South African population in recent years. Early in the development of CVD, atherosclerotic plaques form in the vessel wall. When this plaque becomes unstable and ruptures, the coagulation cascade is activated and a blood clot forms. The function of this clot is to stop bleeding. However, it cannot remain in the vasculature indefinitely and has to be lysed again. The ability of the body to lyse clots can be measured with global fibrinolytic potential (GFP) assays and expressed as lysis time. Increased clot lysis time (CLT) has been shown to be significantly associated with various CVD risk factors and CVD events in Caucasian populations while very little information is available for other ethnicities. In this study we investigated plasma GFP and its relation to CVD risk factors in a large black African population. We also determined the effect of three polymorphisms in the promoter area of the plasminogen activator inhibitor-1 (PAI-1) gene on PAI-1act (activity) levels (a main determinant of CLT) and CLT, together with gene-environment interactions and the effect of urbanisation on these interactions. PARTICIPANTS AND METHODS Apparently healthy men and women between the ages of 35 and 65 years were recruited to take part in the South African arm of the Prospective Urban and Rural Epidemiology (PURE) study. Approximately 1000 rural and 1000 urban black African individuals participated. Data and samples were collected during a 12-week collection period in 2005 for cross-sectional analysis. RESULTS Increased PAI-1act levels, body mass index (BMI), glycosylated haemoglobin (HbA1c), triglycerides, fibrinogen concentration, C-reactive protein, female sex, positive HIV-status and the metabolic syndrome were all associated with prolonged CLTs, while increased habitual alcohol consumption was associated with shorter iv CLTs. Urban-rural differences for CLT existed in women only. This is likely due to the larger extent of rural-urban differences in other CVD risk factors observed in women compared to what was observed in men. Of the CVD risk factors measured, PAI-1 explained the largest proportion of the variance in CLT (27%). Owing to the important role PAI-1act plays in CLT, we investigated three polymorphisms in the PAI-1 gene promoter area (the 4G/5G polymorphism, the novel SNP C428T and SNP G429A (previously identified)), and the influence of these polymorphisms on PAI-1act levels and CLT. The frequency of the 5G allele was high (0.85) in comparison with previously reported literature. PAI-1act increased significantly across genotypes in the urban (5G/5G: 3.84 U/ml; 4G/5G: 4.85 U/ml; 4G/4G: 5.96 U/ml p=0.009) but not the rural subgroup, while CLT did not differ. We found significant interactions between the 4G/5G polymorphism and BMI, waist circumference and triglycerides in determining PAI-1act, and between the 4G/5G polymorphism and fibrinogen and fibrinogen gamma prime in determining CLT. Direct relationships with PAI-1act or CLT were not found for the C428T and G429A polymorphisms; they did, however, influence associations of other environmental factors with PAI-1act and CLT. Several of these interactions differed significantly between rural and urban subgroups, particularly in individuals harbouring the mutant alleles. CONCLUSION CLT associated with many of the same CVD risk factors described in the literature for Caucasian populations, but also with other risk factors. Rural-urban differences in CLT are dependent on the association of CLT with other CVD risk factors in the rural-urban setting. Genetic polymorphisms of the PAI-1 gene did not directly influence CLT, despite influencing PAI-1act. The main contributor to PAI-1act variance, however, was (central) obesity. The effect of the 4G/5G polymorphism on PAI-1act, as well as gene–environment interactions for the C428T and G429A genotypes in determining PAI-1act and CLT, were significantly influenced by urbanisation. / Thesis (PhD (Nutrition))--North-West University, Potchefstroom Campus, 2013.

This thesis analyzes the chemical vapour deposition (CVD) growth of vertically aligned carbon nanotube (CNT) forests in order to understand how CNT forests grow, why they stop growing, and how to control the properties of the synthesized CNTs. In situ kinetics data of the growth of CNT forests are gathered by in situ optical microscopy. The overall morphology of the forests and the characteristics of the individual CNTs in the forests are investigated using scanning electron microscopy and Raman spectroscopy. The in situ data show that forest growth and termination are activated processes (with activation energies on the order of 1 eV), suggesting a possible chemical origin. The activation energy changes at a critical temperature for ethanol CVD (approximately 870°C). These activation energies and critical temperature are also seen in the temperature dependence of several important characteristics of the CNTs, including the defect density as determined by Raman spectroscopy. This observation is seen across several CVD processes and suggests a mechanism of defect healing. The CNT diameter also depends on the growth temperature. In this thesis, a thermodynamic model is proposed. This model predicts a temperature and pressure dependence of the CNT diameter from the thermodynamics of the synthesis reaction and the effect of strain on the enthalpy of formation of CNTs. The forest morphology suggests significant interaction between the constituent CNTs. These interactions may play a role in termination. The morphology, in particular a microscale rippling feature that is capable of diffracting light, suggest a non-uniform growth rate across the forest. A gas phase diffusion model predicts a non-uniform distribution of the source gas. This gas phase diffusion is suggested as a possible explanation for the non-uniform growth rate. The gas phase diffusion is important because growth by acetylene CVD is found to be very efficient (approximately 30% of the acetylene is converted to CNTs). It is seen that multiple mechanisms are active during CNT growth. The results of this thesis provide insight into both the basic understanding of the microscopic processes involved in CVD growth and how to control the properties of the synthesized CNTs.

Atmosphärendruckplasmen sind aufgrund ihrer vergleichsweise einfachen Anlagentechnik, potentiell geringen Betriebs- und Investitionskosten sowie ihrer Flexibilität bezüglich Substratgröße seit vielen Jahren von großem Interesse. Die Nutzung von Plasmaquellen mit hoher Precursoranregungseffizienz und ausgedehnter Beschichtungszone ist in diesem Zusammenhang besonders vorteilhaft. In der vorliegenden Arbeit wird deshalb erstmals eine neuartige Langlichtbogenplasmaquelle vom Typ LARGE (Long Arc Generator) zur plasmagestützten Synthese von Schichten bei AP (Atmosphärendruck) eingesetzt. Bei der Remoteaktivierung des Precursors erweisen sich insbesondere sauerstoff- sowie stickstoffhaltige Plasmagase als geeignet, um einen signifikanten Anteil der Plasmaenergie in den Remotebereich zu transferieren. Die entwickelte bogenbasierten PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) unter Atmosphärendruckbedingungen ist durch die Erzeugung hochenergetischer Plasmen gekennzeichnet, der Precursor wird stark fragmentiert und ursprüngliche Bindungen des Precursormoleküls werden vollkommen aufgebrochen. Die Ergebnisse der Gasphasencharakterisierung mittels optischer Emissions- sowie Infrarotspektroskopie lassen beim Prozess der Precursorfragmentierung im Remoteplasma auf eine zentrale Bedeutung metastabiler sowie dissoziierter Spezies schließen. Weiterhin sind hohe Plasmaleistungen, Molekulargasanteile im Plasmagas und große Plasmagasflüsse für eine wirkungsvolle Remoteaktivierung des Precursors von Vorteil. Einen wichtigen Aspekt des Verfahrens stellt darüber hinaus die Möglichkeit der Synthese sauerstofffreier Schichtmaterialien dar. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl der genutzte Atmosphärendruckreaktoraufbau mit seinem Gasschleusenkonzept, als auch die Gasreinheit des verwendeten Prozessgases zu keiner nennenswerten Einlagerung von Sauerstoff in die Schicht führt. Die Schichthärte synthetisierter Siliziumnitrid-Schichten lässt sich ohne zusätzliche Substratheizung durch Prozessparameteroptimierung bis auf eine Härte von 17 GPa steigern. Die dynamische Abscheiderate ist mit 39 nm∙mm/s ebenfalls für eine technische Anwendung ausreichend hoch. Eine eingehende Analyse aller Daten legt den Schluss nahe, dass das Schichtwachstum bei der Atmosphärendruck Remote-PECVD häufig kinetisch gehemmt ist und nicht im thermodynamischen Gleichgewicht stattfindet. Der Wachstumsprozess ist in diesem Fall durch das Phänomen des DLG (Diffusion Limited Growth) gekennzeichnet. Homogennukleation bzw. Gasphasennukleation spielt anders als bislang angenommen auch bei Atmosphärendruckbedingungen keine bzw. eine nur untergeordnete Rolle und ist damit nicht limitierend für die erzielbare mechanische und chemische Stabilität der gebildeten Schichten. Mit steigender Diffusionslimitierung des Schichtbildungsvorganges wird eine Zunahme der Schichtrauheit beobachtet, daraus und aus dem Zuwachs an strained sowie dangling Bonds in der Schicht resultiert eine gesteigerte Affinität der synthetisierten Schichten gegenüber Sauerstoff. Als Schlüsselparameter bezüglich Schichtmorphologie sowie Topographie wird der DLG-Quotient angesehen, welcher das Verhältnis aus Oberflächendiffusionskoeffizient und Auftreffrate schichtbildender Spezies auf dem Substrat darstellt. Damit wurden im Rahmen dieser Arbeit die entscheidenden und verfahrenslimitierenden Aspekte identifiziert und die Grundlage für die weitere Optimierung dieses und anderer Remote-AP-PECVD-Verfahren geschaffen. In ähnlicher Weise wie dies auch durch die Bereitstellung einer verbesserten thermischen Aktivierung des Diffusionsprozesses schichtbildender Spezies auf der Substratoberfläche geschieht, lässt sich mit Hilfe eines niedrigen Stickingkoeffizienten eine Diffusionslimitierung des Schichtbildungsvorgangs bei AP-PECVD unterdrücken. In diesem Zusammenhang besitzt insbesondere Ammoniak im Remotegas einen günstigen Einfluss auf die entstehende Schichtmorphologie und Konformalität der Beschichtung.

In the production of boron fibers using CVD technique, boron deposition and dichloroborane formation reactions take place in a reactor. Boron deposition reaction occurs at the surface while formation of dichloroborane is the result of both gas phase and surface reactions. A CSTR type of reactor was designed and constructed from stainless steel to investigate the gas phase reaction kinetics and kinetic parameters of boron fibers produced from the reaction of boron trichloride and hydrogen gases in a CVD reactor. The gases were heated by passing through the two pipes which were located into the ceramic furnace and they were mixed in the CSTR. The effluent gas mixture of the reactor was quenched by passing through a heat exchanger. An FT-IR spectrophotometer was connected to the heat exchanger outlet stream to perform on-line chemical analysis of the effluent gas mixture. Experiments were carried out at atmospheric pressure and a reactor temperature range of 300-600 &ordm / C with different inlet reactant concentrations. The analysis of the FT-IR spectra indicated that the gas phase reaction and the surface reaction started at reactor temperatures above 170 &ordm / C and 500&ordm / C, respectively. It was concluded that reaction rate of the product increased with an increase in the inlet concentration of both reactants (BCl3 and H2) and with an increase in the reactor temperature. The gas phase reaction rate was expressed in terms of a th and b th orders with respect to the inlet concentrations of BCl3 and H2. The activation energy of the gas phase reaction, a and b were found to be 30.156 , 0.54 and 0.64, respectively. The correlation coefficient was 0.9969.