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Consistent charge or defect control in oxide grown on silicon carbide (SiC) continues to be difficult to achieve and directly impacts the electrical performance of SiC-based metal oxide semiconductor (MOS) devices. This research applied non-contact Corona-Kelvin metrology to investigate the charge transport in oxides grown on n-type 4H-SiC epitaxial substrates. The cost and engineering science impact of this metrology are significant as device fabrication is avoided leading to quick determination of electrical characteristics from as-grown oxide films. Non-contact current-voltage (I-V) measurements of oxide on SiC were first demonstrated within this work and revealed that Fowler-Nordheim (F-N) current emission was the dominant conduction mechanism at high electric fields. Oxides on SiC were grown at atmospheric pressure (thermal oxides) or at a reduced pressure (afterglow oxides) ambient and examined using non-contact charge-voltage (Q-V), capacitance-voltage (C-V), equivalent oxide thickness (EOT), and I-V methods. The F-N conduction model was modified to address charge trapping and effective barrier effects obtained from experimental oxide films. Trap densities determined with this metrology were used to show that the F-N model including their density and position was adequate for thermal oxides on SiC but not for afterglow films. Data from the latter films required further modification of the theory to include a chemical effect of the oxide growth process on the effective conduction band offset or barrier. This work showed that afterglow chemistry was able to vary the effective conduction band offset from 2.9 eV, typical of thermal oxidation of SiC, up to 3.2 eV. Stress induced leakage current (SILC), an excess above the F-N base current resulting from prolonged current through the dielectric films, was also investigated. Multiple point SILC testing was used to identify statistical effects of process variations and defects in as-grown oxide films on SiC. These results open the possibility to improve oxide manufacture on SiC using methods common in the silicon IC industry. This work demonstrated the first non-contact F-N current determination in oxides on SiC and showed both charge trapping and chemical dependencies of as-grown films. Future studies may extend the findings of this work to further improve this important dielectric-semiconductor system.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第23897号 / 工博第4984号 / 新制||工||1778(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科材料工学専攻 / (主査)教授 杉村 博之, 教授 山田 啓文, 教授 邑瀬 邦明 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

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The major Hot-Mix Asphalt (HMA) input for mechanistic-empirical (M-E) flexible pavement design is the dynamic complex modulus obtained from either the uniaxial or triaxial compressive dynamic modulus test. Furthermore, as part of the performance-based mix design process, the triaxial dynamic modulus has been selected to predict rutting and fatigue cracking, and the Indirect Tension (IDT) creep compliance test to predict low-temperature thermal cracking. The creep compliance and dynamic modulus are measured responses (viscoelastic functions) of viscoelastic materials under transient and cyclic loading, respectively. Under the assumptions of linearity, linear viscoelastic functions are equivalent. Moreover, these properties should be the same whether they are obtained from a uniaxial compressive or IDT test. For this dissertation, we tested the applicability of linear viscoelastic (LVE) theory to HMA mixes and determined whether HMA need to be modeled as a bimodular material to analyze IDT creep compliance test results. The need to model HMA as a bimodular material is a result of a number of studies that suggest that HMA tensile and compressive properties are different. A testing program was developed to experimentally measure the uniaxial compression, and IDT creep compliance, and the uniaxial compression dynamic modulus for different HMA mixes. The uniaxial compressive creep compliance and dynamic modulus master curves are constructed and the shift factors obtained from each test are compared. Interconversion between the creep compliance and dynamic modulus experimental results confirm the applicability of LVE theory for the HMA mixes investigated. Based on the applicability of LVE theory, a methodology to determine HMA LVE properties from the combined creep compliance and dynamic modulus test results was developed. As a practical application that is relevant to the M-E flexible pavement design procedure, LVE theory was used and compared to proposed approximate methods to perform the conversion of testing frequency to loading time. Specifically, dynamic modulus results were converted to relaxation modulus, creep compliance, and resilient modulus. Finally, the HMA IDT creep compliance test results at low and intermediate temperature (<20oC) were successfully analyzed using a HMA bimodular material model based on the Ambartsumyan model. The difference between the compressive modulus and the modulus calculated from the IDT test using Hondros' stress distribution is calculated. In addition, a method to determine the compressive-to-tensile modulus ratio using uniaxial compressive and IDT test results is illustrated for one of the tested HMA mixes. / Ph. D.

Axisymmetric and swirling jets are generic flows that characterize many natural and man-made flows. These include cylindrical shear layer/mixing layer flows, aircraft jets and wakes, shedding of leading edge and wing tip vortices, tornadoes, astrophysical plasma flows and flows in mechanical devices such as supersonic combustion chambers and cyclone separators. These and other applications have resulted in a high level of interest in the stability of axisymmetric and swirling jets. To date, the majority of studies on stability of axisymmetric and swirling jets have been completed under the assumption of steady flow in both axial and azimuthal (swirl) directions. Yet, flows such as the ones mentioned above can have an inherent unsteadiness. Moreover, such unsteadiness can be used to control stability and thus flow characteristics in axisymmetric and swirling jets. In this work effects of periodic variations on the temporal stability of axisymmetric and swirling jets is examined. The unsteadiness is introduced in the former as a periodic variation of the axial velocity component of the flow, and in the latter as a periodic variation of the azimuthal (swirl) velocity component of the flow. The temporal linear hydrodynamic stability of both steady inviscid axisymmetric and swirling jets is reviewed. An analytical dispersion relation is obtained in both cases and solved numerically. In the case of the steady axisymmetric jet, growth rate and celerity of unstable axisymmetric and helicalmodes are determined as functions of axial wavenumber. Results show that the inviscid axisymmetric jet is unstable to all values of axisymmetric and helical modes. In the case of the steady swirling jet, growth rate and celerity of axisymmetric modes are determined as functions of the axial wavenumber and swirl number. Results show that the inviscid swirling jet is unstable to all values of axial and azimuthal wavenumber, however, it is shown that increasing the swirl decreases the growth rate and increases the celerity of axisymmetric disturbances. The effects of periodic variations on the stability of a mixing layer is also reviewed. Results show that when the instability time scale is much smaller than the mean time scale a transformation of the time variable may be taken that, when the quasi-steady approach works, will reduce the unsteady field to that of the corresponding steady field in the new time scale. The price paid for this transformation, however, is a modulation of the amplitude and phase of the unsteady modes. Extending the results from the unsteady mixing layer, the stability of a periodically unsteady inviscid axisymmetric jet is considered. An analytical dispersion relation is obtained and results show that for the unsteady inviscid axisymmetric jet, the quasi-steady approach works. Following this, the stability of a periodically unsteady swirling jet is considered and an analytical dispersion relation is obtained. It is shown that for the unsteady inviscid swirling jet, the quasi-steady approach does not work. Resulting modulations of unsteady modes are shown via a numerical solution to the unsteady dispersion relation. In both cases, using established results for unsteady mixing layers, these results are substantiated analytically by showing that the unsteady axisymmetric jet can be reduced the the exact equational form of the steady axisymmetric jet in a new time scale, whereas the unsteady swirling jet cannot. / Master of Science

In dieser Arbeit werden die lokalen elektronischen Eigenschaften sowie der Ladungstransport bis auf atomare Längenskalen von epitaktischem Graphen auf der SiC(0001)-Oberfläche charakterisiert. Dazu wird neben den etablierten Rastersondenverfahren erstmals bei 6 K und unter UHV-Bedingungen die Methode der Rastertunnelpotentiometrie (STP) eingesetzt.  Hierzu wurden epitaktisch gewachsene Graphenproben auf der 6H-Si(0001)-Oberfläche unter UHV-Bedingungen durch resistives Heizen präpariert und anschließend elektrisch kontaktiert. Mit Hilfe des Rasterkraftmikroskopie und niederenergetischen Elektronenbeugung wird die Morphologie der Proben untersucht. Es können heterogene Proben mit einer Bedeckung von einlagigem und zweilagigem Graphen präpariert werden, die eine direkte vergleichende Untersuchung mit dem Rastertunnelmikroskop ermöglichen. Ergänzend wird zur Bestimmung der Lagenanzahl der gebildeten Graphenschichten die Differenz des Oberflächenpotentials von ein- und zweilagigem Graphen an Atmosphäre durch die Raster-Kelvin-Mikroskopie (KPFM) ermittelt.  Für Transportexperimente und zukünftige Anwendungen spielt der Kontaktwiderstand zwischen epitaktisch gewachsenem Graphen und den kontaktierenden Elektroden eine entscheidende Rolle. Es wird erstmals demonstriert, wie durch räumlich aufgelöste Messungen mit Hilfe der Raster-Kelvin-Mikroskopie am Gold-Graphen-Interface auf semi-isolierendem SiC(0001) eine obere Grenze des Kontaktwiderstandes von ρ_c=1×10^(-6) Ωcm² abgeschätzt werden kann.  Die Untersuchung der epitaktisch gewachsenen Graphenproben mit der Methode der Rastertunnelmikroskopie (STM) ermöglichen die eindeutige Identifizierung von ein- und zweilagigem Graphen und deren hexagonale atomare Struktur, die über mehrere 100 nm² keine Punktdefekte zeigen. Die unter der Graphenschicht liegende Zwischenschicht zeigt eine stark ungeordnete quasiperiodische Struktur mit zahlreichen Trimeren, die ebenso bei einer Bedeckung der Zwischenschicht mit ein- und zweilagigem Graphen abgebildet werden können. Einlagiges Graphen ist auf atomaren Längenskalen elektronisch stark inhomogen. Es können im Energiebereich von E_F±100 mV zahlreiche lokalisierte, räumlich variierende Zustände identifiziert werden, die selbst bei der Fermienergie auf Längenskalen von 5 nm² zu Variationen in der Zustandsdichte führen. Auf zweilagigem Graphen fallen Variationen in der lokalen Zustandsdichte geringer aus.  Um den für den elektronischen Transport relevanten Energiebereich bei E_F zu spektroskopieren, wird die Thermospannung im Tunnelkontakt ausgenutzt, welche sich mit der STP-Methode bestimmen lässt. Diese liefert neue Einblicke in die elektronische Struktur der Graphenoberfläche bei E_F. Die räumliche Variation der Thermospannung bei abgeschätzten Temperaturdifferenzen von einigen 10 bis 100 K zwischen Spitze und Probe liegt bei einigen 10 bis 100 µV sowohl auf atomarer Skala als auch zwischen ein- und zweilagigem Graphen und ist sehr empfindlich auf die atomaren Eigenschaften der eingesetzten STM-Spitze. Die hohe laterale und energetische Auflösung des Verfahrens ermöglicht die Analyse von Streuprozessen wie der Intra- und Intervalley-Streuung und zeigt im Gegensatz zu bisherigen Annahmen, dass auch noch zweilagiges Graphen elektronisch von der Zwischenschicht beeinflusst wird.  Die starke elektronische Inhomogenität der Proben bei der Fermienergie spiegelt sich auch in den Transportexperimenten mit dem STP-Verfahren wider. Es zeigen sich signifikante Spannungsabfälle auf ein- und zweilagigen Graphenflächen und an lokalisierten Defekten wie Übergängen zwischen einlagigen Graphenflächen und Übergängen zwischen ein- und zweilagigen Graphenflächen. Der Potentialverlauf kann gut durch ein klassisches ohmsches Transportmodell mit spezifischen Widerständen beschrieben werden. Die quantitative Analyse liefert spezifische Widerstände der einzelnen Defekte, die in der Größenordnung bisheriger Transportuntersuchungen liegen. Dabei zeigt sich, dass ein- und zweilagiges epitaktisches Graphen nahezu identische Mobilitäten von ~1000 cm²/Vs bzw. mittlere freie Weglängen von ~40 nm bei 6 K aufweisen. Diese Werte liegen weit unter den theoretisch erwarteten einer defektfreien Graphenoberfläche. Im Zuge der Transportmessungen wird ebenso der Einfluss der Thermospannung im Tunnelkontakt untersucht. Für Ladungstransportmessungen stellt sie einen zunächst unerwünschten Nebeneffekt dar, da die Variationen in der Thermospannung in derselben Größenordnung wie die Variationen im lokalen elektrochemischen Potential im Fall der durchgeführten Transportexperimente sind. Dies kann zu Fehlinterpretationen bei der Bestimmung von Spannungsabfällen führen. Jedoch wird im Rahmen der experimentellen Auflösung gezeigt, dass sich die Thermospannung rein additiv verhält und für Messungen des lokalen elektrochemischen Potentials mit entgegensetzten Stromrichtungen eliminieren lässt.  Des Weiteren wird der Verlauf des elektrochemischen Potentials in der unmittelbaren Umgebung von Übergängen zwischen ein- und zweilagigem sowie einlagigem Graphen untersucht. Die Spannungsabfälle sind auf einen Bereich kleiner λ_F/2 lokalisiert. Im Bezug auf den topographischen Verlauf zeigt sich für den Spannungsabfall am Übergang zwischen ein- und zweilagigem Graphen ein lateraler Versatz hin zum zweilagigen Graphen. Als Ursache wird ein kombinierter Streumechanismus aus einer lokalen Änderung der Dotierung und Fehlanpassung der Wellenfunktionen am Übergang zwischen ein- und zweilagigem Graphen vorgeschlagen.

Le bruit tonal rayonné au bord de fuite des profils à faible nombre de Reynolds est un phénomène observé sur les ailes de drones ou micro-drones qui sont utilisés partout dans la vie quotidienne. La diminution de ce bruit va augmenter la survivabilité et l'efficacité des appareils dans le domaine militaire. De plus, cela va augmenter le champ des applications civiles et minimiser la pollution par le bruit. La réduction efficace du bruit est indispensable et, par conséquent, une compréhension complète du processus de rayonnement du bruit tonal du profil est nécessaire. Malgré le fait que des essais dédiés aient été réalisés depuis les années 70, il reste beaucoup de détails à expliquer. Le travail présenté est dédié à une étude expérimentale et analytique du bruit tonal. C'est une partie de collaboration entre l'Ecole Centrale de Lyon et Embry- Riddle Aeronautical University. Le but est de réaliser une caractérisation exhaustive des paramètres acoustiques et aérodynamiques du bruit tonal de bord de fuite d'un profil et de produire une base de données qui pourra être utilisée pour valider les simulations numériques réalisées dans le futur. Le profil symétrique NACA-0012 ainsi que le profil asymétrique SD7003 ont été testés pour une série d'angles d'incidence (de -10° à 10°) dans la soufflerie anéchoïque à jet ouvert de l'Ecole Centrale de Lyon pour des nombres de Reynolds modérés (0.6x105 < Rec < 2.6x105). Les mesures de pression aux parois et de pression acoustique en champ lointain pour différentes configurations ont permis d'observer une structure en escalier de la signature du bruit, de déterminer quelle face du profil a produit le bruit et de distinguer le rôle de la boucle de rétroaction. Des techniques supplémentaires de post-traitement comme l'analyse temps-fréquence ont montré l'existence de plusieurs régimes (un régime de commutation entre deux états, un régime d'une seul fréquence et un régime à plusieurs fréquences) de l'émission de bruit. L'analyse de bi-cohérence a montré qu'il y a des couplages nonlinéaires entre les fréquences. Une étude par l'anémométrie à fil chaud et par des techniques de visualisation de l'écoulement a montré que la formation d'une bulle de décollement est une condition nécessaire mais pas suffisante pour la génération du bruit. De plus, la localisation de la bulle est aussi importante et elle doit être suffisamment proche du bord de fuite. En outre, l'analyse de stabilité linéaire des résultats de simulations numériques a montré que des ondes de Tollmien-Schlichting sont transformées en ondes de Kelvin-Helmholtz dans la zone du décollement. Une prédiction analytique de l'amplitude des fréquences pures émises dans le champ lointain a été effectuée sur la base du modèle d'Amiet en supposant que le champ de pression pariétal est bidimensionnel. Les mesures de pression proches du bord de fuite du profil ont été prises comme données d'entrée. Les amplitudes prédites sont globalement en accord avec les mesures acoustiques. Après l'analyse de tous les résultats la description suivante du processus de rayonnement de sons purs peut être proposée. Les ondes de Tollmien-Schlichting qui se développent initialement dans la couche limite se transforment en ondes de Kelvin-Helmholtz le long de la couche de cisaillement de la bulle de décollement. Au bord de fuite du profil elles sont converties en ondes acoustiques qui forment un couplage fort avec les instabilités de couche limite plus en amont de l'écoulement, pilotant elles-mêmes le déclenchement de ces instabilités. / The tonal trailing-edge noise generated by transitional airfoils is a topic of interest because of its wide area of applications. One of them is the Unmanned Air Vehicles operated at low Reynolds numbers which are widely used in our everyday life and have a lot of perspectives in future. The tonal noise reduction will increase the survivability and effectiveness of the devices in military field. Moreover it will enlarge the range of civil use and minimize noise pollution. The effective noise reduction is needed and therefore the complete understanding of the tonal noise generation process is necessary. Despite the fact that investigation of the trailing-edge noise was started since the seventies there are still a lot of details which should be explained. The present work is dedicated to the experimental and analytical investigation of the tonal noise and is a part of the collaboration project between Ecole Centrale de Lyon and Embry-Riddle Aerospace University. The aim is to conduct an exhaustive experimental characterization of the acoustic and aerodynamic parameters of the trailing-edge noise and to produce a data base which can be used for further numerical simulations conducted at Embry-Riddle Aerospace University. A symmetric NACA-0012 airfoil and a slightly cambered SD7003 airfoil at moderate angles of attack (varied from -10° à 10°) were tested in an open-jet anechoic wind tunnel of Ecole Centrale de Lyon at moderate Reynolds numbers (0.6x105 < Rec < 2.6x105). Measurements of the wall pressure and far-field acoustic pressure in different configurations allowed to observe the ladder-type structure of the noise signature, to determine which side produced tones and to distinguish the role of the acoustic feedback loop. Additional post-processing techniques such as time-frequency analysis showed the existence of several regimes (switching regime between two tones, one-tone regime and multiple-tones regime) of noise emission. The bicoherence analysis showed that there are non-linear relationships between tones. The investigation of the role of the separation area by hot-wire anemometry and flow visualization techniques showed that the separation bubble is a necessary but not a suficient condition for the noise generation. Moreover the location of the bubble is also important and should be close enough to the trailing edge. Furthermore the linear stability analysis of accompanying numerical simulation results showed that the Tollmien-Schlichting waves transform to the Kelvin-Helmholtz waves at the separation area. An analytical prediction of the tone levels in the far-field was done using Amiet's model based on the assumption of perfectly correlated sources along the span. The wall-pressure measurements close to the trailing edge were used as an input data. The comparisons of the predicted levels and measured ones showed a good agreement. After analysis of all results the following description of the tonal noise mechanism is proposed. At some initial point of the airfoil the Tollmien-Schlichting instabilities start. They are traveling downstream and continued to Kelvin-Helmholtz waves along the shear-layer of the separation bubble. These waves reach the trailing edge, scatter from it as acoustic waves, which move upstream. The acoustic waves amplify the boundary layer instabilities at some frequencies for which the phases of both motions match and creates the feedback loop needed to sustain the process.