Thesis (M.S. in Physics)--United States Naval Postgraduate School, California. / Includes bibliographical references (p. 23). 9

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In the quest for reliable, repeatable and stable field electron emission that has commercial potential, whilst many attempts have been made, none yet has been truly distinguishable as being successful. Whilst I do not claim within this thesis to have uncovered the secret to success, fundamental issues have been addressed that concern the future directions towards achieving its full potential. An exhaustive comparison is made across the diverse range of materials that have, over the past 40-50 years, been postulated and indeed tested as field emitters. This has not previously been attempted. The materials are assessed according to the important metrics of turn on voltage, Eon, and maximum current density, Jmax, where low Eon and high Jmax are seen as desirable. The nano-carbons, carbon nanotubes (CNTs), in particular, perform well in both these metrics. No dependency was seen between the material work function and its performance as an emitter, which might have been suggested by the Fowler Nordheim equations. To address the issues underlying the definition of the local enhancement factor, β, a number of variations of surface geometry using CNTs were fabricated. The field emission of these emitters was measured using two different approaches. The first is a Scanning Electrode Field Emission Microscope, SAFEM, which maps the emission at individual locations across the surface of the emitter, and the parallel plate that is more commonly encountered in field emission measurements. Finally, an observed hysteretic behaviour in CNT field emission was explored. The field emitters were subjected to a number of tests. These included; in-situ residual gas analysis of the gas species in the emitter environment, a stability study in which the emitters were exposed to a continuing voltage loop for 50 cycles, differing applied voltage times to analyse the effects on the emitted current, and varying maximums of applied field in a search for hysteresis onset information. These studies revealed the candidate in causing the hysteresis is likely to be water vapour that adsorbs on the CNT surface. A six step model if the emission process was made that details how and when the hysteresis is caused.

L'étape clé pour intégrer des nanotubes de carbone à une échelle industrielle demeure un meilleur contrôle de leur croissance et notamment le contrôle sélectif de leurs chiralités en lien avec leurs propriétés électroniques. Ce travail a pour but de s'intéresser à la synthèse in-situ et à la caractérisation de nanotubes de carbone individuels par émission de champ pour mieux comprendre les mécanismes de nucléation et de croissance qui conditionnent sa chiralité. Nous avons développé un microscope à émission de champ couplé à un réacteur CVD (Chemical Vapor Deposition) pour observer directement la croissance catalytique de nanotubes de carbone individuels sur des pointes émettrices. Nous avons ainsi découvert que les nanotubes tournent souvent axialement pendant leur croissance, soutenant ainsi un modèle de « dislocation de vis ». L’analyse détaillée des résultats obtenus montre que nous observons directement la croissance atome par atome d'un nanotube monofeuillet individuel avec ajout d’un dimère de carbone à la fois à sa base. Parallèlement, des échantillons ont été caractérisés en détail sous émission de champ. Nous avons établi un protocole de collage de nanotubes individuels à l’apex d’une pointe métallique sous microscopies optique et électronique à balayage à l’aide d’un nanomanipulateur. Leur dépendance en température à très bas courant a été mise en évidence avec un compteur d’électrons afin d'identifier les différents domaines d'émission électronique. L'analyse des distributions énergétiques a fait apparaître un phénomène de chauffage induit qui peut mener à des températures de l’ordre de 2000 K à l’extrémité du nanotube lorsqu’il est soumis à un fort champ. / The key issue for realizing the potential of carbon nanotubes has always been, and still remains, a better control of their growth and in particular the selective control of their chirality related to their electronic properties. This work aims to address the in-situ synthesis and characterization of individual carbon nanotubes by field emission to better understand the mechanisms of nucleation and growth that determine their chirality. We have developed a field emission microscope coupled to a CVD reactor (Chemical Vapor Deposition) to observe directly the catalytic growth of individual carbon nanotubes on metallic tips. We found that nanotubes often turn axially during growth, thereby supporting a model of "screw dislocation". Detailed analysis of results shows that we directly observe the atom by atom growth of one individual single wall nanotube with addition of a carbon dimer to the base. In parallel, certain samples were characterized by in-depth field emission studies. For this we established a protocol of bonding individual nanotubes at the apexes of metal tips under optical and scanning electron microscopies using a nanomanipulator. Their temperature dependence at very low current has been demonstrated with an electron counter to identify the various fields of electron emission. Analysis of energy distributions revealed an induced heating phenomenon that can lead to temperatures of about 2000 K at the end of the nanotube subjected to strong fields that create high current emission.

Le travail de thèse propose d’éclaircir les dynamiques qui régissent les réactions d’hydrogénation du dioxyde d’azote (NO2) se déroulant à la surface de catalyseurs modèles de platine, de rhodium et de leur alliage Pt-Rh. Une meilleure compréhension de la réaction catalytique en conditions réactionnelles permettrait, à terme, un meilleur contrôle de la réaction. De manière similaire, le comportement du catalyseur permettrait d’orienter la synthèse de catalyseurs afin d’en augmenter la sélectivité et/ou activité. La structure de ces catalyseurs ainsi que l’analyse des processus sont effectuées à l’échelle nanométrique grâce à l’utilisation de microscopies à effet de champ :la microscopie ionique à effet de champ (FIM) et la microscopie d’émission d’électrons par effet de champ (FEM). La réaction NO2+H2 étudiée à 390 K sur le platine permet de mettre en évidence la présence de différents domaines réactionnels :dynamique monostable, oscillations périodiques auto-entretenues, oscillations périodiques bimodales, ainsi que des oscillations bruitées. Malgré la présence importante de fluctuations à l’échelle du nanomètre, les traitements de signaux mettent en évidence une importante robustesse qui se traduit par un temps de corrélation qui s’étend sur plusieurs centaines de périodes. Les données donnent matière à la reconstruction de l’attracteur dynamique consistant en un cycle limite. La pression d’hydrogène est le paramètre de contrôle qui est varié de sorte à provoquer l’apparition d’oscillations selon une bifurcation de type homocline dans ce cas-ci. Des mesures à haute-vitesse d’acquisition démontrent que l’ignition des différentes faces réactives s’effectue de manière désynchronisée, et la vitesse de propagation est de l’ordre de ~2 μm/s. Au sein d’une seule face, à l’échelle du nanomètre, des propagations de fronts d’ondes chimiques peuvent également être observées à une vitesse de ~2 μm/s, en accord avec les vitesses analysées lors d’expériences menées à l’échelle du micromètre et du millimètre. Sur base des observations, un mécanisme réactionnel de production d’H2O a été proposé. La réaction sur le rhodium à 450 K engendre également des oscillations périodiques qui diffèrent par une robustesse plus faible et par l’apparition d’un cycle limite selon une bifurcation de Hopf. Des mesures exploratoires à 500 K font ressortir la présence de chaos dans le système. Finalement, l’alliage Pt-Rh utilisé comme catalyseur permet d’obtenir des oscillations à 425 K de période comprise entre celles observées sur les deux métaux purs. L’ensemble des expériences et des résultats obtenus à l’échelle du nanomètre permet pour la première fois de valider la théorie des systèmes dynamiques à une telle échelle. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished