Objectives: 1 To correlate carbon nanotube (CNT) concentrations measured by Method 5040 relative to particle count concentrations; 2 to correlate CNT concentrations measured by Method 5040 relative to black carbon concentrations measured with an aethalometer; 3 to compare elemental carbon (EC) concentrations measured by Method 5040 among various CNT types and purities. Methods: CNT samples were collected using 25 mm quartz fiber filters and analyzed for EC by Method 5040. An aethalometer was simultaneously used to measure black carbon concentrations. Samples sent for EC analysis included various CNT types (multi-walled, single-walled) and purities (high, low). Levels of EC concentration were subjected to a two-way analysis of variance having two levels of CNT type and two levels of purity. Results: No correlation was established between CNT count and EC concentration, but a correlation was found between CNT volumetric and total carbon (TC) concentration. A significant correlation between black carbon and TC concentration was found. Method 5040 was found to have a positive bias for TC, and the aethalometer was found to have a positive bias for black carbon. Lastly, this study found that CNT type had no effect on EC concentration, but purity did have a significant effect on EC concentration. Conclusions: Samples analyzed by Method 5040 were found to have 6 - 19% EC content, and thus surprisingly high amounts of organic carbon. It is reasoned that significant amounts of impurities were introduced to CNT samples while travelling through the experimental apparatus. When TC concentrations were plotted against black carbon concentrations a significant relationship was found and the bias of Method 5040 and the aethalometer cancelled out. Future research is needed to investigate the aethalometer as a surrogate for Method 5040. Until then, those conducting CNT exposure assessments should use a 25 mm cassette and increase the volume sampled to achieve a reporting limit lower than the NIOSH recommended CNT REL of 7 µg/m3.

Un nanotube de carbone est une molécule tubulaire dont les propriétés électroniques et quantiques sont tout à fait remarquables. Lorsqu'il est utilisé en tant que canal de conduction d'un transistor à effet de champ, il est possible de détecter électriquement la présence de charges stockées à proximité de celui-ci, permettant ainsi la création d'une mémoire non-volatile ultime. Dans cette thèse, nous présentons les travaux réalisés sur des transistors à nanotubes (CNTFETs) utilisés pour la détection de charges, le tout imagé par microscopie à force de Kelvin (KFM). Le calibrage de la sonde KFM sur des CNTFETs y est egalement présenté. Les mesures de transport sont ainsi couplées à la cartographie des potentiels de surface du nanodispositif. Les charges électriques sont injectées à proximité d'un nanotube de carbone à l'aide d'une pointe métalisée d'un microscope à force atomique (AFM) et directement stockées dans la surface de SiO2. Les mesures électriques du CNTFET montrent un effet de grille inverse à celui attendu par le signe des charges injectées. L'explication est donnée par la détection KFM qui permet l'observation de charges stockées dans l'environnement du nanotube et de signe opposé à celles injectées. Dans une dernière partie, une étude phénoménologique est effectuée sur l'apparition de résonances périodiques dans les caractéristiques de transfert des nanotubes. Par la connaissance du bras de levier du CNTFET déterminé par le KFM, ces résonances sont quantitativement évaluées à l'énergie des phonons optiques longitudinaux des nanotubes de carbone et du SiO2. Une statistique de type Franck Condon en considérant la présence de N sites diffuseurs est appliquée sur ces résonances et permettent, dans une première approximation, d'évaluer l'intéraction électron-phonon de notre dispositif.

Ce travail de thèse se divise en deux grandes parties concernant les nanotubes de nitrure de bore d'une part et de carbone d'autre part. La première partie concerne la synthèse, la purification et la fonctionnalisation chimique des nanotubes de nitrure de bore. Les nanotubes de nitrure de bore sont des analogues structuraux des nanotubes de carbone formés de l'enroulement d'un ou plusieurs feuillets de nitrure de bore hexagonal. Des nanotubes de nitrure de bore monofeuillets sont synthétisés à l'ONERA par ablation LASER continue d'une cible de nitrure de bore hexagonal (hBN). Les échantillons issus de la synthèse contiennent des nanotubes monofeuillets et des coques de nitrure de bore, mais sont aussi contaminés par des fragments de hBN et de l'acide borique. Des améliorations de la synthèse ont permis d'abord de limiter ces sous-produits. Un procédé de purification des échantillons a ensuite été développé pour disposer d'échantillons enrichis en nanotubes. Ce procédé est constitué uniquement d'étapes douces de centrifugation et de filtration n'affectant pas la structure des tubes. Les échantillons de nanotubes purifiés ont ensuite été utilisés pour étudier leur fonctionnalisation chimique. Plusieurs voies de fonctionnalisation ont été envisagées au cours de ce travail. Deux voies efficaces de fonctionnalisation non covalente des nanotubes de nitrure de bore monofeuillets purifiés ont été développées. Ces deux voies impliquent des molécules chimiques possédant une affinité marquée pour le réseau de nitrure de bore. Ainsi, l'utilisation de quinuclidines et de borazines greffées par des chaînes alkyles a permis la solubilisation de nanotubes de nitrure de bore monofeuillets en milieu organique. Les méthodes de purification et de fonctionnalisation chimique développées sur les nanotubes monofeuillets ont été appliquées avec succès à diff´erents types de nanotubes. La sensibilité des atomes de 10B aux neutrons thermiques a enfin servi de point de départ à l'étude de l'effet de l'irradiation neutrons sur le hBN et des possibilités de fonctionnalisation covalente du réseau de nitrure de bore qui en découlent. La seconde partie de ce travail de thèse concerne la séparation des nanotubes de carbone en fonction de leurs propriétés morphologiques ou électroniques. L'irradiation micro-ondes d'échantillons de nanotubes de carbone a d'abord permis d'une part l'abaissement de la puissance nécessaire à l'allumage de plasmas de gaz rare à pression atmosphérique en présence de nanotubes et d'autre part l'enrichissement des échantillons de nanotubes de carbone après traitement en nanotubes de grand diamètre. Une seconde stratégie a enfin été envisagée pour solubiliser sélectivement des nanotubes de propriétés électroniques données (métalliques ou semi-conducteurs). Cette voie implique une interaction sélective entre un type de tubes et des micelles de fullérènes fonctionnalisés et a donné lieu au développement de molécules amphiphiles comportant des fullérènes.

Cette thèse a pour objet l'étude expérimentale des propriétés électroniques et mécaniques des nanotubes de carbone multifeuillets. Cela nécessite de trouver des méthodes pour mesurer le courant dans les feuillets internes ou encore sonder les propriétés électroniques/mécaniques interfeuillets. L'accès à ces informations reste cependant difficile car les électrodes ne sont en contact direct qu'avec le feuillet externe. Dans le régime linéaire, à basse tension, des mesures de résistance quatre points montrent qu'essentiellement deux feuillets participent à la conduction, et donnent accès à la première mesure de la conductance interfeuillet. A haute tension, une technique permettant d'enlever un à un les différents feuillets met en évidence qu'une majorité de feuillets transportent, selon leur géométrie, un courant de saturation compris entre 10 et 60 microampères. Ceci montre une faible variation du nombre de modes transportant du courant, en bon accord avec un mécanisme tunnel Zener entre sous-bandes non croisées. Enfin, cette technique est utilisée afin de mesurer le frottement mécanique entre deux feuillets en rotation. Pour cela, un nouveau type de nano-système électromécanique a été fabriqué, représentant une première étape pour la réalisation d'un nano-moteur.

Cette thèse est consacrée à l'étude de deux aspects de la physique mésoscopique que sont le bruit quantique haute fréquence et l'effet de proximité supraconducteur en se focalisant toutefois sur un système modèle: le nanotube de carbone.Ainsi la première partie de cette thèse est dédiée à la mesure de bruit quantique haute fréquence. Afin de mesurer ces fluctuations nous avons développé un système de détection "on-chip" original dans lequel la source de bruit et le détecteur, une jonction Supraconducteur/Isolant/Supraconducteur, sont couplés par un circuit résonant. Cela nous a permis dans un premier temps de mesurer le bruit à l'équilibre du résonateur. Son bruit comporte une forte asymétrie entre émission et absorption reliée aux fluctuations de point zéro. Une seconde étape a été de mesurer le bruit hors équilibre d'émission du passage tunnel de quasi-particules dans une jonction Josephson. Ce bruit comporte une forte dépendance en fréquence en accord avec les prédictions théoriques et nous a permis de valider le principe de détection. Finalement, nous avons pu mesurer le bruit associé au régime Kondo hors équilibre d'une boîte quantique à nanotube de carbone (énergie caractéristique kBTK avec TK la température Kondo). Ce bruit d'émission à kBTK~hν possède une forte singularité à la tension V=hν/e (ν étant la fréquence de mesure). Cette singularité est reliée aux résonances Kondo dans la densité d'états de la boîte associés aux niveaux de Fermi de chaque réservoir. A plus haute fréquence hν~3kBTK, la singularité disparaît, ce qui est compris par des effets de décohérence induits par la tension.Dans la seconde partie, nous avons développé une technique permettant de mesurer à la fois la relation courant/phase et la caractéristique courant/tension d'un lien faible séparant deux supraconducteurs. Nous avons ainsi caractérisé une jonction à base de nanotube de carbone au travers de laquelle une relation courant-phase modulable par une tension de grille a été observée. Cette relation courant/phase exhibe une forte anharmonicité lorsque le supercourant présente une relativement grande amplitude.

Selon l'ITRS, le transistor à nanotube de carbone est une des alternatives prometteuses au transistor MOS Silicium notamment en termes de taille de composant et d'architectures de circuits innovantes. Cependant, à l'heure actuelle, la maturité des procédés de fabrication de ces technologies ne permet pas de contrôler finement les caractéristiques électriques. C'est pourquoi, nous proposons un modèle compact basé sur les principes physiques qui gouvernent le fonctionnement du transistor à nanotube. Cette modélisation permet de lier les activités technologiques à celles de conception de circuit dans le contexte de prototypage virtuel. Pour peu qu'elle inclut des paramètres reflétant la variation des procédés, il est alors possible d'estimer les erformances potentielles des circuits intégrés. Le transistor à nanotube de carbone à modulation de auteur de barrière (C-CNFET), i.e. " MOS-like ", est modélisé analytiquement en supposant le transport balistique des porteurs dans le canal. Le formalisme de Landauer est utilisé pour décrire le courant modulé par le potentiel du canal calculé de façon auto-cohérente avec la charge associée selon le potentiel appliqué sur la grille. Le modèle du transistor à nanotube de carbone double grille, DG-CNFET est basé sur celui du C-CNFET. Ce transistor est de type N ou P selon la polarisation de la grille supplémentaire. Ce transistor est modélisé de manière similaire pour les 3 régions : la partie interne modulée par la grille centrale, et les accès source et drain modulés par la grille arrière. La charge, plus complexe à calculer que celle du C-CNFET, est résolue analytiquement en considérant différentes plages de polarisation et d'énergie. Le modèle du DG-CNFET a été mis en oeuvre dans le cadre d'architectures de circuits électroniques innovants : une porte logique à 2 entrées comportant 7 transistors CNFET dont 3 DG-CNFET pouvant, selon la polarisation des 3 entrées de configuration, réaliser 8 fonctions logiques différentes.

Cette thèse, effectuée au LPA par Julien Chaste, présente l'analyse dynamique d'un transistor à effet de champ en nanotube de carbone (NT-FET) dans la perspective de mesurer sa résolution de charge δqrms.<br />La quantification des électrons dans le nanotube joue un rôle sur la limitation de la conductance, de la transconductance gm, de la capacité de grille Cg et en particulier sur la limitation de la fréquence de coupure ωt=gm/Cg par l'inductance cinétique du canal.<br />Les deux montages expérimentaux, l'un à 300K et l'autre à 4K, ainsi que la fabrication des NT-FET ont intégré des solutions efficaces au problème de désadaptation d'impédance et ont permis de mesurer la transmission entre 0,1 et 1,6GHz ainsi que gm,Cg et ωt. Des fréquences ωt =50GHz ont même été mesurées.<br />De plus, la coloration du bruit (0,2-0,8GHz) du transistor à 4K a été déterminée. Le bruit mesuré en mode ouvert est d'origine poissonienne (F=1) et montre des effets de saturation dues aux phonons optiques.<br />L'ensemble de ce travail a prouvé que la résolution de charge δqrms du NT-FET est suffisante pour détecter des charges uniques en une nanoseconde

Microbial electrochemical systems (MESs) have attracted much research attention in recent years due to their promising applications in renewable energy generation, bioremediation, and wastewater treatment. In a MES, microorganisms interact with electrodes via electrons, catalyzing oxidation and reduction reactions at the anode and the cathode. The bacterial community of a high power mixed consortium MESs (maximum power density is 6.5W/m��) was analyzed by using denature gradient gel electrophoresis (DGGE) and 16S DNA clone library methods. The bacterial DGGE profiles were relatively complex (more than 10 bands) but only three brightly dominant bands in DGGE results. These results indicated there are three dominant bacterial species in mixed consortium MFCs. The 16S DNA clone library method results revealed that the predominant bacterial species in mixed culture is Geobacter sp (66%), Arcobacter sp and Citrobacter sp. These three bacterial species reached to 88% of total bacterial species. This result is consistent with the DGGE result which showed that three bright bands represented three dominant bacterial species. Exoelectrogenic bacterial strain SX-1 was isolated from a mediator-less microbial fuel cell by conventional plating techniques with ferric citrate as electron acceptor under anaerobic conditions. Phylogenetic analysis of the 16S rDNA sequence revealed that it was related to the members of Citrobacter genus with Citrobacter sp. sdy-48 being the most closely related species. The bacterial strain SX-1 produced electricity from citrate, acetate, glucose, sucrose, glycerol, and lactose in MFCs with the highest current density of 205 mA/m�� generated from citrate. Cyclic voltammetry analysis indicated that membrane associated proteins may play an important role in facilitating electron transfer from the bacteria to the electrode. This is the first study that demonstrates that Citrobacter species can transfer electrons to extracellular electron acceptors. Citrobacter strain SX-1 is capable of generating electricity from a wide range of substrates in MFCs. This finding increases the known diversity of power generating exoelectrogens and provids a new strain to explore the mechanisms of extracellular electron transfer from bacteria to electrode. The wide range of substrate utilization by SX-1 increases the application potential of MFCs in renewable energy generation and waste treatment. Anode properties are critical for the performance of microbial electrolysis cells (MECs). Inexpensive Fe nanoparticle modified graphite disks were used as anodes to preliminarily investigate the effects of nanoparticles on the performance of Shewanella oneidensis MR-1 in MECs. Results demonstrated that average current densities produced with Fe nanoparticle decorated anodes were up to 5.9-fold higher than plain graphite anodes. Whole genome microarray analysis of the gene expression showed that genes encoding biofilm formation were significantly up-regulated as a response to nanoparticle decorated anodes. Increased expression of genes related to nanowires, flavins and c-type cytochromes indicate that enhanced mechanisms of electron transfer to the anode may also have contributed to the observed increases in current density. The majority of the remaining differentially expressed genes were associated with electron transport and anaerobic metabolism demonstrating a systemic response to increased power loads. The carbon nanotube (CNT) is another form of nano materials. Carbon nanotube (CNT) modified graphite disks were used as anodes to investigate the effects of nanostructures on the performance S. oneidensis MR-1 in microbial electrolysis cells (MECs). The current densities produced with CNT decorated anodes were up to 5.6-fold higher than plain graphite anodes. Global transcriptome analysis showed that cytochrome c genes associated with extracellular electron transfer are up-expressed by CNT decorated anodes, which is the leading factor to contribute current increase in CNT decorated anode MECs. The up regulated genes encoded to flavin also contribute to current enhancement in CNT decorated anode MECs. / Graduation date: 2013

The structural, electronic, and superconducting properties of one dimensional materials are calculated from first principles, using the density functional theory. Nanotubes and nanowires are important building blocks in nanotechnology, in particular for nanoelectronics. In this manuscript, the growth of carbon nanotubes is studied through the interaction between carbon and the transition metal atoms used as growth catalysts. The accepted model for a new phase of nanotube-like molybdenum disulfide is critically examined using comparisons of energetic stability and types of chemical bonding in different candidate structures which have similar compositions. The epitaxial growth of diamond carbon on (100) iridium is exceptionally favorable. The differences between various substrates used experimentally are studied, and the specificity of Ir is shown. Finally, the characteristics of the electron-phonon interaction in aluminium nanowires are determined. The structural instabilities and the differences in the electron-phonon coupling are calculated for straight monoatomic wires, zigzag wires, and thicker straight wires. The constrained geometry of the wires generates a coupling which can be very strong or almost vanish, depending on the structural details, but which is concentrated in the longitudinal high-frequency phonons.

This research is aimed at synthesizing millimeter-scale carbon nanotube arrays (CNTA) by conventional chemical vapor deposition (CCVD) and water-assisted chemical vapor deposition (WACVD) methods, and exploring their application as catalyst supports for electrochemical supercapacitors. The growth mechanism and growth kinetics of CNTA under different conditions were systematically investigated to understand the relationship among physical characteristics of catalyst particles, growth parameters, and carbon nanotube (CNT) structures within CNTAs. Multiwalled CNT (MWCNT) array growth demonstrates lengthening and thickening stages in CCVD and WACVD. In CCVD, the lengthening and thickening were found to be competitive. By investigating catalyst particles after different pretreatment conditions, it has been found that inter-particle spacing plays a significant role in influencing CNTA height, CNT diameter and wall number. In WACVD, a long linear lengthening stage has been found. CNT wall number remains constant and catalysts preserve the activity in this stage, while MWCNTs thicken substantially and catalysts deactivate following the previously proposed radioactive decay model in the thickening stage of WACVD. Water was also shown to preserve the catalyst activity by significantly inhibiting catalyst-induced and gas phase-induced thickening processes in WACVD. Mn3O4 nanoparticles were successfully deposited and uniformly distributed within millimeter-long CNTAs by dip-casting method from non-aqueous solutions. After modification with Mn3O4 nanoparticles, CNTAs have been changed from hydrophobic to hydrophilic without their alignment and integrity being destroyed. The hydrophilic Mn3O4/CNTA composite electrodes present ideal capacitive behavior with high reversibility. This opens up a new route of utilizing ultra-long CNTAs, based on which a scalable and cost-effective method was developed to fabricate composite electrodes using millimeter-long CNTAs. To improve the performance of the composites, -MnO2 nanorods were anodically pulse-electrodeposited within hydrophilic 0.5 mm-thick Mn3O4 decorated CNTAs. The maximum gravimetric capacitance for the MnO2 nanorods/CNTA composite electrode was found to be 185 F/g, and that for -MnO2 nanorods was determined to be 221 F/g. After electrodeposition, the area-normalized capacitance and volumetric capacitance values were increased by a factor of 3, and an extremely high area-normalized capacitance of 1.80 F/cm2 was also achieved for the MnO2 nanorods/CNTA composite. / Materials Engineering