This Ph.D. thesis focuses on the high-frequency electrical capabilities of the carbon-nanotube, field-effect transistor (CNFET). The thesis can be categorized into three stages, leading up to an assessment of the RF capabilities of realistic array-based CNFETs. In the first stage, the high-frequency and time-dependent behavior of ballistic CNFETs is examined by numerically solving the time-dependent Boltzmann transport equation (BTE) self-consistently with the Poisson equation. The RF admittance matrix, which contains the transistor’s y-parameters, is extracted. At frequencies below the transistor’s unity-current-gain frequency fT, the y-parameters are shown to agree with those predicted from a quasi-static equivalent circuit, provided that the partitioning factor for the device charge is properly extracted. It is also shown that a resonance behavior exists in the transistor’s y-parameters. In the second stage, non-quasi-static effects in ballistic CNFETs are examined by analytically developing a transmission-line model from the BTE and Poisson equation. This model includes nonclassical transistor elements, such as the "quantum capacitance" and "kinetic inductance," and it is shown to represent the intrinsic (contact-independent) transistor’s behavior at high frequencies, including a correct prediction of the resonances in the y-parameters. Moreover, it is shown that the kinetic inductance can be represented using lumped elements in the transistor’s small-signal equivalent circuit, and it is demonstrated that the resulting circuit is capable of modeling intrinsic CNFET behavior to frequencies beyond fT. In the last stage, by building upon the first two stages, a comprehensive study is performed to assess the RF performance potential of array-based CNFETs. First, phonon scattering is incorporated into the time-dependent BTE to study the impacts of collisions on different aspects of intrinsic CNFET operation, including the intrinsic fT and the small-signal equivalent circuit. These results are then further extended by adding the effects of extrinsic (contact-dependent) parasitics and then examining the behavior of key RF figures of merit, such as the extrinsic fT, the attainable power gain, and the unity-power-gain frequency. The results are compared to those of state-of-the-art high-frequency transistors and to the next generation of RF CMOS, and they provide an indication of the potential advantages of array-based CNFETs for RF applications. / Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) and Nanosystems

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.

Dans cette thèse, nous avons étudié plusieurs structures carbonées par microscopie et à effet tunnel et microscopie à force atomique à l'air et à température ambiante. La première section concerne l'étude du graphite HOPG, utilisé comme substrat au cours de nos mesures. Nous montrons et expliquons la résolution atomique sur le graphite puis l'étudions par spectroscopie à effet tunnel. Les courbes sont ensuite comparées avec la densité d'états calculée du graphite. Une figure de Moiré est aussi analysée en détail. Elle est obtenue par la rotation d'un feuillet graphitique dans l'empilement ABAB. La résolution atomique est obtenue à la fois sur la superstructure et sur la couche supérieure du graphite. Une analyse théorique est effectuée et permet d'attribuer les zones de densité d'états différentes dans l'image STM à des empilement graphitiques variés. Une étude de l'influence de la variation de la tension de polarisation sur l'image STM est aussi effectuée. Elle révèle qu'à très faible tension, l'interaction entre la pointe et l'échantillon est prépondérante. Elle donne lieu à une structure d'ordre six dans les images STM, témoin de la différence de compressibilités entre les empilements stables et intermédiaires. Un joint entre deux grains graphitiques a aussi été mesuré en détail. La résolution atomique présente une superstructure comprenant des cercles de plus haute densité d'états disposés de manière périodique. Plusieurs modèles théoriques sont élaborés de manière à rendre compte de l'image expérimentale. Les deux premiers prennent en considération des défauts de Stone-Wales dans le réseau hexagonal non déformé. Le troisième modélise un joint entre deux grains d'orientations différentes grâce à l'adjonction de pentagones et heptagones. Pour chaque structure, une image STM théorique est calculée et comparée aux mesures expérimentales. Ils montrent que la signature STM des pentagones est un cercle de plus haute densité d'états et indiquent la probable présence de pentagones le long de la ligne formant la jonction entre les grains graphitiques. Le dernier modèle reproduit assez fidèlement l'image mesurée. Le chapitre suivant présente les résultats obtenus par microscopie à force atomique et microscopie électronique (SEM) sur des nanotubes de carbone multifeuillets hélicoïdaux. Nous expliquons d'abord la méthode de préparation des substrats. Ensuite, nous analysons un nanotube hélicoïdal de très faible pas par microscopie électronique. Cette technique nous permet de mesurer l'hélice. Ensuite, le même nanotube est observé par microscopie à force atomique. Une image à trois dimension de l'hélice est réalisée et comparée avec les mesures SEM. On remarque que la hauteur de l'hélice ne correspond pas à son diamètre. Plusieurs hypothèses sont envisagées pour expliquer cela. Nous en concluons que c'est la contamination dans la chambre du microscope électronique qui est à l'origine de cette différence. Des mesures de modulation de force ainsi qu'une tentative de microscopie à effet tunnel sur un nanotube hélicoïdal sont aussi présentées. Enfin, des nanotubes monofeuillets ont été observés par microscopie et spectroscopie à effet tunnel. La résolution atomique a été obtenue sur plusieurs tubules différents et leur indices (m,n) déterminés. De plus, la résolution atomique sur la totalité des tubules formant une corde a été réalisée. Elle prouve qu'à l'intérieur d'une même corde, la chiralité des tubes varie. Nous avons continué cette recherche par l'étude de l'extrémité d'un nanotube monofeuillet. La résolution atomique a aussi été réalisée. Elle montre une capsule de type hémisphérique. Deux pentagones formant la capsule ont également été mis à jour. Enfin, des mesures de spectroscopie à effet tunnel réalisées sur une corde de nanotube résolue atomiquement sont discutées.

Ce manuscrit présente une description théorique des propriétés de transport exceptionnelles des liquides dans les nanotubes de carbone (CNT). La perméabilité de ces canaux dépasse largement ce qui est prévu par les équations de l'hydrodynamique et la condition limite de non-glissement. Au cours des dernières années, plusieurs groupes ont effectué des expériences d'écoulement de liquides dans des membranes de CNT. Une perméabilité très supérieure à l'attente classique a été observée. Dans ce contexte, nous avons mené une étude exhaustive du frottement liquide/solide qui apparaît pendant l'écoulement d'un fluide dans un CNT, à l'aide de simulations de dynamique moléculaire. Le coefficient de frottement a été mesuré pour différents systèmes en utilisant plusieurs méthodes indépendantes. Les simulations ont montré que le coefficient de frottement était indépendant du confinement, mais qu'il dépendait considérablement de la courbure de la paroi. Pour l'eau dans un CNT, le coefficient de frottement diminue avec le rayon du tube. Nous avons ensuite établi une expression approchée du coefficient de frottement, qui le relie à des propriétés microscopiques de l'interface entre le liquide et la paroi. Cette expression reproduit la dépendance du coefficient de frottement avec la courbure, et permet de l'expliquer à partir des trois paramètres statiques suivants : la densité surfacique de l'eau, la rugosité de la paroi et la commensurabilité entre les structures de la paroi et de la première couche d'eau à l'interface. En résumé, notre étude a permis une compréhension détaillée du frottement de l'eau dans les CNT, qui explique l'origine de sa valeur extrêmement basse.

Les travaux de cette thèse ont porté sur les micro-bolomètres (détecteurs infrarouges non refroidis) qui fonctionnent selon le principe suivant : le rayonnement infrarouge incident provoque l'échauffement d'une membrane suspendue dont la résistivité électrique dépend de la température. Deux voies ont été explorées pour les améliorer, grâce aux nanotechnologies. D'une part, les propriétés optiques et électroniques (transport et bruit) des films de nanotube de carbone ont été étudiées afin d'évaluer le potentiel de ce nouveau matériau comme thermistor. Pour ce faire des procédés technologiques en salle blanche, des caractérisations et des modèles théoriques ont été mis au point. Après avoir obtenu les figures de mérite adaptées, cette étude a conclu au manque de potentiel de ce matériau pour une application aux micro-bolomètres. D'autre part, nous avons étudié des résonateurs sub-longueur d'onde basés sur des cavités métal-isolant-métal permettant d'obtenir des absorbants totaux, et omnidirectionnels. Un modèle analytique permettant de les décrire et de les concevoir rapidement a été mis au point. La combinaison de ces résonateurs à l'échelle sub-longueur d'onde a permis de mettre en évidence un phénomène de tri de photon et la possibilité de concevoir des absorbants large bande. Nous avons ainsi proposé (et breveté) l'utilisation de ces antennes comme absorbants pour les micro-bolomètres. En effet leur capacité à focaliser le champ dans des volumes sub-longueur d'onde permet d'introduire une rupture conceptuelle pour la conception de bolomètres à hautes performances.

<p>An electrolytic cell was designed and constructed for the preparation of TiO2 nanotubes. Conditions of anodic oxidation were established to reproducibly prepare TiO2 nanotubes of average length 35-50 &mu / m vertically orientated relative to the plain of a pure titanium metal sheet. A non-aqueous solution of ethylene glycol containing small percentage of ammonium fluoride was used as the electrolyte with an applied voltage of 60 V. The morphology and dimensions of the nanotube arrays were studied by scanning (SEM) and transmission (TEM) electron microscopy. The effect of calcination under different conditions of temperature and atmosphere (nitrogen, argon and air) were assessed by both X-ray diffraction (XRD) and cyclic voltammetry (CV). Cyclic voltammetry studies were made possible by construction of a specially designed titanium electrode upon which the nanotubes were prepared. CV studies established a positive correlation between crystallinity and conductivity of the nanotubes. Doping of the nanotubes with nitrogen and carbon was established by elemental analysis, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and Rutherford back scattering (RBS). The effect of nonmetal doping on the band gap of the TiO2 nanotubes was investigated by diffuse reflectance spectroscopy (DRS).</p>

Density functional theory has been used to investigate cathode materials for rechargeable batteries, carbon nanotube interactions with catalyst particles and transition metal catalyzed hydrogen release in magnesium hydride nanoclusters. An effort has been made to the understand structural and electrochemical properties of lithium iron silicate (Li2FeSiO4) and its manganese-doped analogue. Starting from the X-ray measurements, the crystal structure of Li2FeSiO4 was refined, and several metastable phases of partially delithiated Li2FeSiO4 were identified. There are signs that manganese doping leads to structural instability and that lithium extraction beyond 50% capacity only occurs at impractically high potentials in the new material. The chemical interaction energies of single-walled carbon nanotubes and nanoclusters were calculated. It is found that the interaction needs to be strong enough to compete with the energy gained by detaching the nanotubes and forming closed ends with carbon caps. This represents a new criterion for determining catalyst metal suitability. The stability of isolated carbon nanotube fragments were also studied, and it is argued that chirality selection during growth is best achieved by exploiting the much wider energy span of open-ended carbon nanotube fragments. Magnesium hydride nanoclusters were doped with transition metals Ti, V, Fe, and Ni. The resulting changes in hydrogen desorption energies from the surface were calculated, and the associated changes in the cluster structures reveal that the transition metals not only lower the desorption energy of hydrogen, but also seem to work as proposed in the gateway hypothesis of transition metal catalysis.

The recent breakthroughs in genomics and molecular diagnostics will not be reflected in health-care systems unless the biogenetic or other nucleic acid-based tests are transferred from the laboratory to clinical market. Developments in microfabrication techniques brought lab-on-a-chip (LOC) into being the best candidate for conducting sample preparation for such clinical devices, or point-of-care testing set-ups. Sample preparation procedure consists of several stages including cell transportation, separation, cell lysis and nucleic acid purification and detection. LOC, as a subset of Microelectromechanical systems (MEMS), refers to a tiny, compact, portable, automated and easy-to-use microchip capable of performing the sample-preparation stages together. Complexity in micro-fabrications and inconsistency of the stages oppose integration of them into one chip. Among the variety of mechanisms utilized in LOC for cell lysis, electrical methods have the highest potential to be integrated with other microchip-based mechanisms. There are, however, major limitations in electrical cell lysis methods: the difficulty and high-cost fabrication of microfluidic chips and the high voltage requirements for cell lysis. Addressing these limitations, the focus of this thesis is on realization of cell lysis microchips suitable for LOC applications. We have developed a new methodology of fabricating microfluidic chips with electrical functionality. Traditional lithography of microchannel with electrode, needed for making electro-microfluidic chips, is considerably complicated. We have combined several easy-to-implement techniques to realize electro-microchannel with laser-ablated polyimide. The current techniques for etching polyimide are by excimer lasers in bulky set-ups and with involvement of toxic gas. We present a method of ablating microfluidic channels in polyimide using a 30W CO2 laser. Although this technique has poorer resolution, this approach is more cost effective, safer and easier to handle. We have verified the performance of the fabricated electro-microfluidic chips on electroporation of mammalian cells. Electrical cell lysis mechanisms need an operational voltage that is relatively high compared to other cell manipulation techniques, especially for lysing bacteria. Microelectro-devices have dealt with this limitation mostly by reducing the inter-distance of electrodes. The technique has been realized in tiny flow-through microchips with built-in electrodes in a distance of a few micrometers which is in the scale of cell size. In addition to the low throughput of such devices, high probability of blocking cells in such tiny channels is a serious challenge. We have developed a cell lysis device featured with aligned carbon nanotube (CNT) to reduce the high voltage requirement and to improve the throughput. The vertically aligned CNT on an electrode inside a MEMS device provides highly strengthened electric field near the tip. The concept of strengthened electric field by means of CNT has been applied in field electron emission but not in cell lysis. The results show that the incorporation of CNT in lysing bacteria reduces the required operational voltage and improves throughput. This achievement is a significant progress toward integration of cell lysis in a low-voltage, high-throughput LOC. We further developed the proposed fabrication methodology of micro-electro-fluidic chips, described earlier, to perform electroporation of single mammalian cell. We have advanced the method of embedding CNT in microchannel so that on-chip fluorescent microscopy is also feasible. The results verify the enhancement of electroporation by incorporating CNT into electrical cell lysis. In addition, a novel methodology of making CNT-embedded microfluidic devices has been presented. The embedding methodology is an opening toward fabrication of a CNT-featured LOC for other applications.

This report discuss the developement of a MATLAB-based tool for the analysis ofsurface area coverage of carbon nanotube networks from atomic force microscopyimages. The tool was compared with a manual method and the conclusion was that ithas, at least, the same accuracy as the manual mehtod, and it needs much less time forthe analysis. The tool couldn’t analyze images of carbon nanotube networks if theimages were to noisy or the networks to dense. The tool can help in the research ofthin-film transistors with carbon nanotube networks as the semiconducting channelmaterial.

In this work, carbon nanotubes were deposited onto the insulative glass fibre surface to form a semiconductive network. Utilizing the unique properties of CNTs network, a multifunctional composite interphase could be achieved. The interfacial adhesion strength was improved by CNTs distributed in the interphase. The semiconductive interphase have been used as a chemical/phaysical sensor, strain sensor and microswitch.