L'objectif de la thèse présentée ici est l'optimisation de matériaux carbonésnanoporeux au moyen de la “conception de matériaux virtuels”. En ce qui concerne cette échelle de travail (~ 10nm), la Nanotomographie FIB-SEM est la seule technique d'imagerie donnant accès à une information sur la géométrie tridimensionnelle. Cependant, pour l'optimisation du comportement, l'espace des pores doit être reconstruit à partir des données tirées des images obtenues. Jusqu'à présent ce problème n'était pas résolu. Pour pouvoir le maîtriser, on a développé une simulation d'images FIB-SEM. Les images FIB-SEM simulées peuvent être utilisées pour la vérification et la validation des algorithmes de segmentation. En utilisant les données d'image simulées, un nouvel algorithme pour la reconstruction de l'espace des pores à partir des données FIB-SEM a été développé.Deux études de cas avec des carbones nanoporeux utilisés pour le stockage d'énergie sont présentées, en utilisant les nouvelles techniques pour la caractérisation et l'optimisation des électrodes Li-ion de type EDLC'S (« electric double-layer capacitors », soit supercondensateurs). L'espace des pores reconstruit est modélisé géométriquement à l'aide de la géométrie stochastique. Enfin, on a simulé les propriétés électriques des matériaux enutilisant des structures modélisées et simulées. / The aim of the work presented here is to optimize nanoporous carbon materials by means of 'virtual material design'. On this length scale (~ 10nm) Focused Ion Beam – Scanning Electron Microscopy Nanotomography (FIB-SEM) is the only imaging technique providing three dimensional geometric information. Yet, for the optimization, the pore space of the materials must be reconstructed from the resulting image data, which was a generally unsolved problem so far.To overcome this problem, a simulation method for FIB-SEM images was developed. The resulting synthetic FIB-SEM images could then be used to test and validate segmentation algorithms. Using simulated image data, a new algorithm for the morphological segmentation of the highly porous structures from FIB-SEM data was developed, enabling the reconstruction of the three dimensional pore space from FIB-SEM images.Two case studies with nanoporous carbons used for energy storage are presented, using the new techniques for the characterization and optimization of electrodes of Li-ion batteries and electric double layer capacitors (EDLC's), respectively. The reconstructed pore space is modeled geometrically by means of stochastic geometry. Finally, the electrical properties of the materials were simulated using both imaged real and modeled structures.

Dans de nombreux pays en développement, la qualité médiocre de l'eau constitue une menace majeure pour la santé humaine. Par ailleurs, le manque d'accès à l'eau potable et à l'assainissement sont un frein majeur au développement. La Fleuve Rouge est le deuxième plus grand fleuve au Vietnam et constitue la principale source d'eau pour la population du Nord-Vietnam. Cette thèse présente les résultats des observations et de la modélisation des bactéries indicatrices de la contamination fécales (BICF) et du carbone organique (CO) dans la Fleuve Rouge. Le modèle Seneque/RIVERSTRAHLER utilisant l’ensemble des données recueillies a permis d'étudier la dynamique et la répartition saisonnière des BICF et du CO dans la Fleuve Rouge et ses affluents. Un scénario, basé sur l’évolution démographique et les changements d’usage des terres prévus à l'horizon 2050, a montré une augmentation limitée des nombres des BICF par rapport à la situation actuelle. Ceci est particulièrement le cas pour la ville d’Hanoi même si la population devrait tripler d'ici 2050. Les apports en CO et la respiration hétérotrophe résultant du CO abouti à un système qui est une forte source en CO2 pour l’atmosphère. Les résultats du modèle reflètent également l'importance des différents usages des terres, le débit et la prédominance des sources diffuses relatifs aux sources ponctuelles sur les BIFC et CO dans le Fleuve Rouge. Cette thèse fournit de nouvelles informations sur les teneurs en BICF et CO dans la Fleuve Rouge ainsi qu’une base de discussion pour les décideurs sur la gestion future des eaux usées rejetés dans ce Fleuve. / In many developing countries, poor water quality poses a major threat to human health and the lack of access to clean drinking water and adequate sanitation continues is a major brake on development. The Red River is the second largest river in Vietnam and constitutes the main water source for the population of North Vietnam. This thesis presents the results from observations and modeling of both faecal indicator bacteria (FIB) and organic carbon (OC) in the Red River system, North Vietnam. The objective of this work was to measure FIB numbers and OC concentrations in this system and then to model these parameters in order to investigate scenarios for 2050 when population in the area is estimated to have doubled. The dataset was then modeled using the Seneque/Riverstrahler model in order to investigate the dynamics and seasonal distribution of FIB and OC in the Red River and its upstream tributaries. A scenario, based on the predicted changes in future demographics and land use in the Red River system for the 2050 horizon, showed only a limited increase of FIB numbers compared with the present situation. This was particularly the case in Hanoi even though the population is expected to triple by 2050. The OC inputs and the resulting heterotrophic respiration of this OC resulted in a system that was a strong CO2 source. The model results also reflected the importance of land use, discharge and the dominance of non-point sources over point sources for FIB and OC in the Red River. This thesis provides some new information on FIB in the Red River as well as providing a base for discussion with decision makers on the future management of wastewater in the Red River.

Kyoto University (京都大学) / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第17561号 / 工博第3720号 / 新制||工||1567(附属図書館) / 30327 / 京都大学大学院工学研究科航空宇宙工学専攻 / (主査)教授 吉田 英生, 教授 江口 浩一, 准教授 鈴木 基史 / 学位規則第4条第1項該当

Quantum dots (QDs) are a semiconductor nanostructure in which a small island of one type of semiconductor material is contained within a larger bulk of a different one. These structure are interesting for a wide range of applications, including highly efficient LASERs, high-density novel memory devices, quantum computing and more. In order to understand the nature of QDs, electrical characterisation techniques such as capacitance-voltage (CV) profiling and deep-level transient spectroscopy (DLTS) are used to probe the nature of the carrier capture and emission processes. This is limited, however, by the nature of QD formation which results in a spread of sizes which directly affects the energy structure of the QDs. In this work, I sought to overcome this by using Si substrates patterned with a focused ion beam (FIB) to grow an array of identically-sized Ge dots. Although I was ultimately unsuccessful, I feel this approach has great merit for future applications.In addition, this thesis describes several unusual characteristics observed in InAs QDs in a GaAs bulk (grown by molecular beam epitaxy-MBE). Using conventional and Laplace DLTS, I have been able to isolate a single emission transient. I further show an inverted relation between the emission rate and the temperature under high field (emissions increase at lower temperatures). I attribute this to a rapid capture to and emission from excited states in the QD. In addition, I examine a metastable charging effect that results from the application of a sustained reverse bias and decreases the apparent emission rate from the dots. I believe this to be the result of a GaAs defect with a metastable state which acts as a screen, inhibiting emission from the dots due to an accumulation of charge in the metastable state. These unusual characteristics of QDs require further intensive work to fully understand. In this work I have sought to describe the phenomena fully and to provide hypotheses as to their origin.

In this thesis we study the interaction of helium, neon, argon and gallium ions with graphene. The graphene structure is contaminated with gallium ions during the graphene processing by focused gallium beam (FIB). The graphene properties are affected, e.g. reducing the electrical conductivity. The aim of this thesis is to verify the effect of selected ion beams on the graphene structure and select suitable ion beam for sputtering. Furthermore, the modification of standard heating stage used in LEIS instrument (Qtac 100) was designed and implemented. The LEIS instrument is connected to the complex UHV system for deposition and analysis of nanostructures – SPECS. This modification allows analysis of selected nanoparticles on suitable substrate at the elevated temperature.

This thesis is dealing with application of Correlative Probe and Electron Microscopy. All measurements were carried out by atomic force microscope LiteScope which is designed especially to be combined with electron microscopes. Advantages of Correlative AFM/SEM Microscopy are demonstrated on selected samples from field of nanotechnology and material science. Application of the correlative imaging was proposed and then realized particularly in case of low-dimensional structures and thin films. Further, this thesis deals with the possibility of combining Correlative AFM/SEM Microscopy with other integrated techniques of an electron microscope such as Focused Ion Beam and Energy Dispersive X-rays Spectroscopy.

Das Einbringen von Dotierstoffen in das Substratmaterial ist einer der wichtigsten Teilprozesse in der Halbleiterindustrie. Größe, Lage und Konzentration elektrisch aktiver Dotiergebiete bestimmen wesentlich die Eigenschaften der mikroelektronischen Basisbauelemente und damit die Funktionalität der Endprodukte. Die kontinuierliche Verkleinerung dieser Bauelemente zieht steigende Anforderungen an die Präzision bei ihrer Herstellung nach sich. Analyseverfahren, mit denen die genannten Kenngrößen gemessen werden können, sind aus diesem Grund von hoher Bedeutung. Elektronenholographie ist eine dafür prinzipiell geeignete Messmethode, da sie eine zweidimensionale Vermessung der durch die Dotanden veränderten Potentialstruktur des Halbleiters in der geforderten Ortsauflösung von wenigen nm erlaubt. Ein Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Optimierung der für die holographische Untersuchung wichtigen Parameter. Zu diesem Zweck werden sowohl präparative Aspekte wie geeignete Probendicke und Struktur der Proben als auch messtechnische Aspekte wie kohärente Beleuchtung und TEM-Parameter diskutiert. Während sich der Hauptteil der Arbeit mit den dabei gewonnenen wissenschaftlichen Erkenntnissen befasst, werden im Anhang die bei Präparation und Messung wichtigen Details ausführlich beschrieben. Ein wesentliches Problem bei der elektronenholographischen Messung stellt die Präparation der Objekte für die Untersuchung im TEM dar. Die einzige sinnvolle Möglichkeit für eine industrielle Anwendung ist die Zielpräparation mit dem fokussierten Ionenstrahl („FIB“), da keine andere Methode vergleichbar effizient arbeitet. Leider wird bei dieser Art von Präparation die Probe von der Oberfläche bis in eine gewisse Tiefe sowohl strukturell als auch elektrisch verändert. Diese Artefakte beeinflussen das Ergebnis der hochsensiblen holographischen Messung. Um die gewonnenen Daten dennoch verlässlich quantitativ auswerten zu können, muss klar zwischen ursprünglichen Objekteigenschaften und präparativ induzierten Schädigungen unterschieden werden. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden durch die FIB-Präparation hervorgerufene Schädigungen der Probe systematisch analysiert. Mit Hilfe von SIMS konnte die Tiefenverteilung des beim Ionenschneiden eingedrungenen Fremdmaterials gemessen werden. Es wurden Querschnitte von FIB-Proben durch konventionelle, holographische sowie holographisch-tomographische Abbildung im TEM an einer eigens dafür entwickelten nadelförmigen Probengeometrie untersucht. Dabei wurden die entstandenen strukturellen und elektrischen Veränderungen beobachtet und quantitativ charakterisiert. Der Einsatz von Tomographie erlaubte schließlich die Messung der Potentialverteilung im Inneren der Nadeln ohne eine Verfälschung durch Projektionseffekte. Es wurde gezeigt, dass die über die Schädigungen gewonnenen Erkenntnisse für eine Korrektur der holographischen Daten genutzt werden können. Dazu wurden entsprechende Untersuchungen an verschiedenen Bauelementen aus der Halbleiterindustrie durchgeführt. Die korrigierten Ergebnisse wurden dabei stets mit den theoretischen Erwartungen verglichen.

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Ce travail a porté sur la caractérisation et la quantification en 3D de la répartition de charges de différents types (nanoparticules, nanotubes, etc.) dans des matrices polymères. Nous nous focalisons sur les techniques de tomographie en microscopie électronique. Une approche multiple en tomographie électronique a été réalisée : la tomographie en FIB/MEB (faisceau d’ions focalisé/microscope électronique à balayage), la tomographie en MEB et la tomographie en MET (microscope électronique en transmission). Les nanocomposites polymère sont généralement élaborés aux fins d’améliorer les propriétés physiques (mécanique, électrique, etc.) du matériau polymère constituant la matrice, grâce à une addition contrôlée de charges nanométriques. La caractérisation de tels matériaux, et l’établissement de corrélations précises entre la microstructure et les propriétés d’usage, requièrent une approche tri-dimensionnelle. En raison de la taille nanométrique des charges, la microscopie électronique est incontournable. Deux systèmes de nanocomposite polymère ont été étudiés par une approche multiple de tomographie électronique : P(BuA-stat-S)/MWNTs (copolymère statistique poly (styrène-co-acrylate de butyl) renforcé par des nanotubes de carbone multi-parois), et P(BuA-stat-MMA)/SiO2 (copolymère statistique poly(butyl acrylate-co-methyl methacrylate) renforcé par des nanoparticules de silice). Par combinaison de divers techniques, la caractérisation et la quantification des nanocharges ont été possibles. En particulier, la taille, la fraction volumique et la distribution des charges ont été mesurées. Cette étude a ainsi fourni des informations en 3D qui contribuent à mieux comprendre les propriétés des nanocomposites. Une attention particulière a été portée aux artefacts et causes d’erreur possibles durant l’étape de traitement 3D. Nous avons également essayé de comparer les différentes techniques utilisées du point de vue de leurs avantages et inconvénients respectifs, en dégageant des possibilités d’amélioration future. / This work is focused on the characterization and quantification of the 3D distribution of different types of fillers (nanoparticles, nanotubes, etc.) in polymer matrices. We have essentially used tomography techniques in electron microscopy. Multiple approaches to electron tomography were performed: FIB-SEM (focused ion beam/scanning electron microscope) tomography, SEM tomography and TEM (transmission electron microscope) tomography. Polymer nanocomposites are basically synthesized in order to improve the physical properties (mechanical, electric, etc.) of the pure polymer constituting the matrix, by a controlled addition of fillers at the nanoscale. The characterization of such materials and the establishment of accurate correlations between the microstructure and the modified properties require a three-dimensional approach. According to the nanometric size of the fillers, electron microscopy techniques are needed. Two systems of polymer nanocomposites have been studied by multiple electron tomography approaches: P(BuA-stat-S)/MWNTs (statistical copolymer poly(styrene-co-butyl acrylate) reinforced by multi-walled carbon nanotubes) and P(BuA-stat-MMA)/SiO2 (statistical copolymer poly(butyl acrylate-co-methyl methacrylate) reinforced by silica nanoparticles). By combining various techniques, the characterization and the quantification of nanofillers were possible. In particular, statistics about size, distribution and volume fraction of the fillers were measured. This study has then provided 3D information, which contributes to a better understanding of properties of the nanocomposites. Attention has been paid to analyze carefully original data, and artifacts and causes of errors or inaccuracy were considered in the 3D treatments. We also attempted to compare benefits and drawbacks of all techniques employed in this study, and perspectives for future improvements have been proposed.