Diplomová práce nastiňuje problémy spojené s výrobou a analýzou tenkých vrstev DLC:H. Tyto vrstvy jsou ve středu zájmu mnoha vědeckých pracovníků již po několik desetiletí. V současné době existuje mnoho technik pro přípravu a analýzu. Příprava DLC vrstev má zásadní vliv na jejich vlastnosti a možnosti použití. Je zde mnoho kritérií jak vrstvy posuzovat. V této práci jsou studovány vlastnosti DLC:H vrstev připravených na substrát krystalického křemíku metodou RF-PECVD a následně jsou studovány mechanické, tribologické a optické vlastnosti. Jsou zde využity techniky jako XPS, Ramanova spektroskopie, reflektometrie, měření tvrdosti a adheze. Část práce se zabývá modelováním DLC z prvních principů. Pro tento účel je využito prvoprincipiálního programu Abinit který je šířen pod GPL. Je studována otázka přípravy vstupních dat s ohledem na konvergenci výsledků. Pozornost je také věnována výpočtu vibračních spekter ve středu Brillouinovy zóny ( bod) a celkové hustotě elektronových stavů clusteru DLC v supercele tvaru krychle. Tyto výsledky mohou být porovnány s experimentálně získanými daty z Ramanovy spektroskopie, respektive z XPS spektra valenčního pásu

The thermal conductivity and electrical resistivity of Zr, ZrC, and ZrN were calculated using first-principles density functional theory (DFT) and the Boltzmann transport equation. The electron-phonon scattering was modeled via the self-energy relaxation time approximation (SERTA), and the phonon-phonon scattering via the analogous single-mode relaxation time approximation (SMRTA). The results obtained from Abinit's electron-phonon coupling code EPH is in good agreement with experimental reference data for Zr and ZrN. Notably, the calculated electrical resistivity of ZrC was found to be significantly lower than the available reference data, likely due to deviations from a perfect Zr/C stoichiometric ratio in the experimental samples. Additionally, it was observed that the calculated lattice thermal conductivity was overestimated at low temperatures, possibly attributed to the neglect of electron-phonon scattering that otherwise appears in metallic systems. / Värmeledningsförmågan och den elektriska resistiviteten för Zr, ZrC och ZrN beräknades med hjälp av täthetsfunktionalteori (DFT) och Boltzmanns transportekvation. Elektron-fononspridningen modellerades via 'self-energy relaxation time approximation' (SERTA), och fonon-fononspridningen via den motsvarande 'single-mode relaxation time approximation' (SMRTA). Resultaten från Abinits elektron-fononkopplingskod EPH stämmer väl överens med experimentella referensdata för Zr och ZrN. Den beräknade elektriska resistiviteten för ZrC visade sig emellertid vara betydligt lägre än all tillgänglig referensdata, troligtvis på grund av avvikelser från ett perfekt Zr/C-stökiometriskt förhållande i de experimentella proverna. Dessutom observerades att det beräknade fononbidraget till värmeledningsförmågan överskattades vid låga temperaturer, vilket möjligen beror på försummelsen av elektron-fononspridning som annars framträder i metalliska system.

Le sujet de ce mémoire est l’étude ab initio des nanotubes de carbone. Premièrement, une introduction du sujet est présentée. Elle porte sur l’historique, la structure géométrique et électronique et les applications possibles des nanotubes de carbone. En deuxième lieu, la stabilité énergétique des nanotubes de carbones double parois ainsi que leur structure électronique sont étudiées. On trouve entre autres que le changement d’hybridation provoque une chute de l’énergie du dernier niveau occupé pour les petits nanotubes. Troisièmement, nous présenterons une étude sur la dépendance en diamètre et en métallicité du greffage d’unité bromophényle sur la surface des nanotubes. La principale conclusion est qu’il est plus facile de fonctionnaliser les nanotubes de petit diamètre puisque ceux-ci ont déjà une partie d’hybridation sp3 dans leur structure électronique. Finalement, le dernier chapitre aborde la combustion des nanotubes par le dioxyde de carbone. On constate que cette combustion ne peut pas débuter sur une surface intacte, ni par un pontage d’oxygène dû à la grande quantité d’énergie requise. La réaction privilégiée est alors la combustion par les extrémités du nanotube. Nous proposons une dynamique de réaction qui contient une sélectivité en diamètre. / The subject of this master’s thesis is the ab initio study of carbon nanotubes. First, an introduction to the subject is presented. It covers the history, the geometric and electronic structure and potential applications of carbon nanotubes. Second, the energy stability of double-walled carbon nanotubes and their electronic structure are studied. It is found that the change of hybridization causes a lowering in the energy of the highest occupied molecular orbital’s level for small nanotubes. Thirdly, a study of the diameter and metallicity dependence for the bromophenyl bonding energy on the carbon nanotubes is presented. The main conclusion is that it is easier to functionalize the nanotubes of small diameter since they already have some sp3 hybridization in their electronic structure. Finally, the last chapter discusses the burning of carbon nanotubes with carbon dioxide. It is found that combustion can not begin on a pristine surface or by a oxygen bridge due to the large amount of energy required. The favored reaction is then burning the ends of nanotubes. We suggest a path of reaction for which a diameter selectivity is apparent.

Le sujet de ce mémoire est l’étude ab initio des nanotubes de carbone. Premièrement, une introduction du sujet est présentée. Elle porte sur l’historique, la structure géométrique et électronique et les applications possibles des nanotubes de carbone. En deuxième lieu, la stabilité énergétique des nanotubes de carbones double parois ainsi que leur structure électronique sont étudiées. On trouve entre autres que le changement d’hybridation provoque une chute de l’énergie du dernier niveau occupé pour les petits nanotubes. Troisièmement, nous présenterons une étude sur la dépendance en diamètre et en métallicité du greffage d’unité bromophényle sur la surface des nanotubes. La principale conclusion est qu’il est plus facile de fonctionnaliser les nanotubes de petit diamètre puisque ceux-ci ont déjà une partie d’hybridation sp3 dans leur structure électronique. Finalement, le dernier chapitre aborde la combustion des nanotubes par le dioxyde de carbone. On constate que cette combustion ne peut pas débuter sur une surface intacte, ni par un pontage d’oxygène dû à la grande quantité d’énergie requise. La réaction privilégiée est alors la combustion par les extrémités du nanotube. Nous proposons une dynamique de réaction qui contient une sélectivité en diamètre. / The subject of this master’s thesis is the ab initio study of carbon nanotubes. First, an introduction to the subject is presented. It covers the history, the geometric and electronic structure and potential applications of carbon nanotubes. Second, the energy stability of double-walled carbon nanotubes and their electronic structure are studied. It is found that the change of hybridization causes a lowering in the energy of the highest occupied molecular orbital’s level for small nanotubes. Thirdly, a study of the diameter and metallicity dependence for the bromophenyl bonding energy on the carbon nanotubes is presented. The main conclusion is that it is easier to functionalize the nanotubes of small diameter since they already have some sp3 hybridization in their electronic structure. Finally, the last chapter discusses the burning of carbon nanotubes with carbon dioxide. It is found that combustion can not begin on a pristine surface or by a oxygen bridge due to the large amount of energy required. The favored reaction is then burning the ends of nanotubes. We suggest a path of reaction for which a diameter selectivity is apparent.

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The constant monitoring of a computer is one of the essentials to be up-to-date about its state. This may seem trivial if one is sitting right in front of it but when monitoring a computer from a certain distance it is not as simple anymore. It gets even more difficult if a large number of computers need to be monitored. Because the process of monitoring always causes some load on the network and the monitored computer itself, it is important to keep these influences as low as possible. Especially for a high-performance cluster that was built from a lot of computers, it is necessary that the monitoring approach works as efficiently as possible and does not influence the actual operations of the supercomputer. Thus, the main goals of this work were, first of all, analyses to ensure the scalability of the monitoring solution for a large computer cluster as well as to prove the functionality of it in practise. To achieve this, a classification of monitoring activities in terms of the overall operation of a large computer system was accomplished first. Thereafter, methods and solutions were presented which are suitable for a general scenario to execute the process of monitoring as efficient and scalable as possible. During the course of this work, conclusions from the operation of an existing cluster for the operation of a new, more powerful system were drawn to ensure its functionality as good as possible. Consequently, a selection of applications from an existing pool of solutions was made to find one that is most suitable for the monitoring of the new cluster. The selection took place considering the special situation of the system like the usage of InfiniBand as the network interconnect. Further on, an additional software was developed which can read and process the different status information of the InfiniBand ports, unaffected by the vendor of the hardware. This functionality, which so far had not been available in free monitoring applications, was exemplarily realised for the chosen monitoring software. Finally, the influence of monitoring activities on the actual tasks of the cluster was of interest. To examine the influence on the CPU and the network, the self-developed plugin as well as a selection of typical monitoring values were used exemplarily. It could be proven that no impact on the productive application for typical monitoring intervals can be expected and only for atypically short intervals a minor influence could be determined. / Die ständige Überwachung eines Computers gehört zu den essentiellen Dingen, die zu tun sind um immer auf dem Laufenden zu sein, wie der aktuelle Zustand des Rechners ist. Dies ist trivial, wenn man direkt davor sitzt, aber wenn man einen Computer aus der Ferne beobachten soll ist dies schon nicht mehr so einfach möglich. Schwieriger wird es dann, wenn es eine große Anzahl an Rechnern zu überwachen gilt. Da der Vorgang der Überwachung auch immer etwas Netzwerklast und Last auf dem zu überwachenden Rechner selber verursacht, ist es wichtig diese Einflüsse so gering wie möglich zu halten. Gerade dann, wenn man viele Computer zu einem leistungsfähigen Cluster zusammen geschalten hat ist es notwendig, dass diese Überwachungslösung möglichst effizient funktioniert und die eigentliche Arbeit des Supercomputers nicht stört. Die Hauptziele dieser Arbeit sind deshalb Analysen zur Sicherstellung der Skalierbarkeit der Überwachungslösung für einen großen Computer Cluster, sowie der praktische Nachweis der Funktionalität dieser. Dazu wurde zuerst eine Einordnung des Monitorings in den Gesamtbetrieb eines großen Computersystems vorgenommen. Danach wurden Methoden und Lösungen aufgezeigt, welche in einem allgemeinen Szenario geeignet sind, um den ganzheitlichen Vorgang der Überwachung möglichst effizient und skalierbar durchzuführen. Im weiteren Verlauf wurde darauf eingegangen welche Lehren aus dem Betrieb eines vorhandenen Clusters für den Betrieb eines neuen, leistungsfähigeren Systems gezogen werden können um dessen Funktion möglichst gut gewährleisten zu können. Darauf aufbauend wurde eine Auswahl getroffen, welche Anwendung aus einer Menge existierende Lösungen heraus, zur Überwachung des neuen Clusters besonders geeignet ist. Dies fand unter Berücksichtigung der spezielle Situation, zum Beispiel der Verwendung von InfiniBand als Verbindungsnetzwerk, statt. Im Zuge dessen wurde eine zusätzliche Software entwickelt, welche die verschiedensten Statusinformationen der InfiniBand Anschlüsse auslesen und verarbeiten kann, unabhängig vom Hersteller der Hardware. Diese Funktionalität, welche im Bereich der freien Überwachungsanwendungen bisher ansonsten noch nicht verfügbar war, wurde beispielhaft für die gewählte Monitoring Software umgesetzt. Letztlich war der Einfluss der Überwachungsaktivitäten auf die eigentlichen Anwendungen des Clusters von Interesse. Dazu wurden exemplarisch das selbst entwickelte Plugin sowie eine Auswahl an typischen Überwachungswerten benutzt, um den Einfluss auf die CPU und das Netzwerk zu untersuchen. Dabei wurde gezeigt, dass für typische Überwachungsintervalle keine Einschränkungen der eigentlichen Anwendung zu erwarten sind und dass überhaupt nur für untypisch kurze Intervalle ein geringer Einfluss festzustellen war.

The constant monitoring of a computer is one of the essentials to be up-to-date about its state. This may seem trivial if one is sitting right in front of it but when monitoring a computer from a certain distance it is not as simple anymore. It gets even more difficult if a large number of computers need to be monitored. Because the process of monitoring always causes some load on the network and the monitored computer itself, it is important to keep these influences as low as possible. Especially for a high-performance cluster that was built from a lot of computers, it is necessary that the monitoring approach works as efficiently as possible and does not influence the actual operations of the supercomputer. Thus, the main goals of this work were, first of all, analyses to ensure the scalability of the monitoring solution for a large computer cluster as well as to prove the functionality of it in practise. To achieve this, a classification of monitoring activities in terms of the overall operation of a large computer system was accomplished first. Thereafter, methods and solutions were presented which are suitable for a general scenario to execute the process of monitoring as efficient and scalable as possible. During the course of this work, conclusions from the operation of an existing cluster for the operation of a new, more powerful system were drawn to ensure its functionality as good as possible. Consequently, a selection of applications from an existing pool of solutions was made to find one that is most suitable for the monitoring of the new cluster. The selection took place considering the special situation of the system like the usage of InfiniBand as the network interconnect. Further on, an additional software was developed which can read and process the different status information of the InfiniBand ports, unaffected by the vendor of the hardware. This functionality, which so far had not been available in free monitoring applications, was exemplarily realised for the chosen monitoring software. Finally, the influence of monitoring activities on the actual tasks of the cluster was of interest. To examine the influence on the CPU and the network, the self-developed plugin as well as a selection of typical monitoring values were used exemplarily. It could be proven that no impact on the productive application for typical monitoring intervals can be expected and only for atypically short intervals a minor influence could be determined. / Die ständige Überwachung eines Computers gehört zu den essentiellen Dingen, die zu tun sind um immer auf dem Laufenden zu sein, wie der aktuelle Zustand des Rechners ist. Dies ist trivial, wenn man direkt davor sitzt, aber wenn man einen Computer aus der Ferne beobachten soll ist dies schon nicht mehr so einfach möglich. Schwieriger wird es dann, wenn es eine große Anzahl an Rechnern zu überwachen gilt. Da der Vorgang der Überwachung auch immer etwas Netzwerklast und Last auf dem zu überwachenden Rechner selber verursacht, ist es wichtig diese Einflüsse so gering wie möglich zu halten. Gerade dann, wenn man viele Computer zu einem leistungsfähigen Cluster zusammen geschalten hat ist es notwendig, dass diese Überwachungslösung möglichst effizient funktioniert und die eigentliche Arbeit des Supercomputers nicht stört. Die Hauptziele dieser Arbeit sind deshalb Analysen zur Sicherstellung der Skalierbarkeit der Überwachungslösung für einen großen Computer Cluster, sowie der praktische Nachweis der Funktionalität dieser. Dazu wurde zuerst eine Einordnung des Monitorings in den Gesamtbetrieb eines großen Computersystems vorgenommen. Danach wurden Methoden und Lösungen aufgezeigt, welche in einem allgemeinen Szenario geeignet sind, um den ganzheitlichen Vorgang der Überwachung möglichst effizient und skalierbar durchzuführen. Im weiteren Verlauf wurde darauf eingegangen welche Lehren aus dem Betrieb eines vorhandenen Clusters für den Betrieb eines neuen, leistungsfähigeren Systems gezogen werden können um dessen Funktion möglichst gut gewährleisten zu können. Darauf aufbauend wurde eine Auswahl getroffen, welche Anwendung aus einer Menge existierende Lösungen heraus, zur Überwachung des neuen Clusters besonders geeignet ist. Dies fand unter Berücksichtigung der spezielle Situation, zum Beispiel der Verwendung von InfiniBand als Verbindungsnetzwerk, statt. Im Zuge dessen wurde eine zusätzliche Software entwickelt, welche die verschiedensten Statusinformationen der InfiniBand Anschlüsse auslesen und verarbeiten kann, unabhängig vom Hersteller der Hardware. Diese Funktionalität, welche im Bereich der freien Überwachungsanwendungen bisher ansonsten noch nicht verfügbar war, wurde beispielhaft für die gewählte Monitoring Software umgesetzt. Letztlich war der Einfluss der Überwachungsaktivitäten auf die eigentlichen Anwendungen des Clusters von Interesse. Dazu wurden exemplarisch das selbst entwickelte Plugin sowie eine Auswahl an typischen Überwachungswerten benutzt, um den Einfluss auf die CPU und das Netzwerk zu untersuchen. Dabei wurde gezeigt, dass für typische Überwachungsintervalle keine Einschränkungen der eigentlichen Anwendung zu erwarten sind und dass überhaupt nur für untypisch kurze Intervalle ein geringer Einfluss festzustellen war.