High performance/small package electronics create difficult thermal issues for integrated circuits. Challenges exist at material interfaces due to interfacial contact resistances. Multiwall carbon nanotube (MWCNT) arrays are considered to be excellent candidates for use as thermal interface materials (TIMs) due to outstanding thermal/mechanical properties. In this work, MWCNT array TIMs are analyzed in aluminum and carbon fiber composites via flash diffusivity analysis. The effect of TIM thickness, areal/bulk density, surface cleanliness, and volumetric packing fraction; along with the effect of substrate finish and interfacial contact pressure on thermal performance are analyzed. Trends show the best TIMs possess low thickness, high bulk density and packing fraction, and clean surfaces. Pressure dramatically increases thermal performance after establishing contact, with diminishing returns from additional pressure. Diffusivities approaching 40 mm2/s and 0.65 mm2/s are recorded for aluminum and composite systems. Oxygen plasma etching and high temperature annealing (“Graphitizing”) are investigated as methods to remove amorphous carbon from array surfaces. Graphitized TIMs report diffusivity improvements up to 53.8%. Three methods of incorporating MWCNTs into composites are attempted for thermal/mechanical property enhancement. Conductance calculations show increasing diffusivity without increasing thickness enhances thermal performance in composites. MWCNTs for mechanical property enhancement produce no change, or detrimental effects.

Dans ce travail, nous exposons une méthode basée sur la détection localisée en couplage capacitif de la composante électrique du signal RMN via des micro/nano sondes spécifiquement développées. Dans la première étape de ce travail nous avons utilisé des NEMS à base de nanotube de carbone pour réaliser une détection du signal RMN à l'échelle nanométrique. En effet, grâce à un couplage électromécanique, nous avons caractérisé ces systèmes en émission de champ, déterminé expérimentalement leur fréquence de résonance et montré qu'ils sont capables de détecter un signal radiofréquence. Pour utiliser ces dispositifs en RMN, l'adaptation du champ statique B0 de l'aimant pour atteindre la valeur de la fréquence de Larmor d'un atome est nécessaire. L'excitation locale autour de ces systèmes permettra une caractérisation complète et fiable. Pour mettre en place cette excitation localisée, nous avons choisi, dans la deuxième étape de cette thèse, une sonde locale de champ électromagnétique à l'échelle micrométrique. D'abord, nous présentons des simulations autour de la microsonde, décrivant la propagation des champs électrique et magnétique injectée par la microsonde. Nous avons caractérisé la microsonde en mode collection. Nous montrons une décroissance de l'intensité du signal RMN, en fonction de la distance. Nous avons observé et modélisé démontrant ainsi que La microsonde est capable de détecter localement un signal RMN tandis que la bobine capte de façon globale. Nous présentons les premières expériences de l'utilisation de la microsonde en mode émission. Ces mesures nous fournissent un modèle qui décrit une excitation inhomogène, dûe à l'émission locale de la puissance (décroissance exponentielle de la puissance), proche de la microsonde. Une distribution des angles de basculement est répartie d'une façon inhomogène induisant une distribution des intensités du signal RMN autour de la microsonde. À la fin de cette thèse, nous avons réalisé deux expériences comme applications directes suite des études sur la caractérisation de la microsonde. La première consiste à imager un volume d'eau placé dans un bain d'huile de silicone. L'image est obtenue en déplaçant mécaniquement la microsonde et en réalisant pour chaque point une mesure de spectroscopie localisée. Dans la deuxième expérience, la microsonde est utilisée pour injecter dans ce volume d'eau des impulsions électromagnétiques et détecte à la suite le signal RMN. Notre étude sur la caractérisation de l'émission locale par une microsonde et la détection du signal radiofréquence par un NEMS à base de NTC, nous permet de proposer un nouveau type de dispositifs capable de détecter un signal RMN.

Les nanotubes de carbone (NTC) possèdent des propriétés électriques pouvant répondre aux futures demandes de la microélectronique. Toutefois, des méthodes d'intégration de ces nano-objets dans des systèmes complexes doivent être développées. Le but de ces travaux de thèse était le développement d'un procédé permettant de déposer sélectivement des NTC doubles parois de manière orientée, et ce, à l'échelle d'un wafer de silicium. Un certain nombre de méthodes ont été développées. L'utilisation d'une pulvérisation de suspension de NTC couplée à différentes méthodes de microstructuration a permis de réaliser, à de grandes échelles, des dépôts de tapis de NTC microstructurés à des résolutions de l'ordre du micron. Bien que ne répondant pas à tous les critères requis pour la microélectronique ces techniques de dépôt ont pu trouver une application dans le domaine de l'ingénierie tissulaire. Ces travaux ont donné lieu à un dépôt de brevet. Afin d'améliorer les méthodes de synthèse de nos échantillons de NTC conducteurs, une technique de caractérisation grande échelle des caractéristiques électriques de NTC a été mise en œuvre. En effet, l'impossibilité d'obtenir une information statistique sur les propriétés des NTC présents dans un échantillon entravait les possibilités d'optimisation. La technique développée se base sur l'étude de la réponse d'un ensemble de NTC soumis à une forte rampe de tension. La destruction successive des NTC permet de mesurer les propriétés de nano-objets individuels et ainsi de rapidement tirer des données statistiques. Finalement, une technique originale basée sur la manipulation de NTC par des champs électriques et des forces capillaires a été développée. Le contrôle des forces capillaires permet de concentrer des NTC dans une cavité où ces derniers seront piégés et alignés par un champ électrique. Cette technique a permis non seulement d'obtenir des connexions en NTC denses et très conductrices mais également de réaliser dive rs dispositifs fonctionnels tels que des nano-résonateurs ou encore des capteurs.

The current technological age is embodied by a constant push for increased performance and efficiency of electronic devices. This push is particularly observable for technologies that comprise free electron sources, which are used in various technologies including electronic displays, x-ray sources, telecommunication equipment, and spacecraft propulsion. Performance of these systems can be increased by reducing weight and power consumption, but is often limited by a bulky electron source with a high energy demand. Carbon nanotubes (CNTs) show favorable properties for field electron emission (FE) and performance as electron sources. This dissertation details the developments of a uniquely designed Spindt type CNT field emission array (CFEA), from initial concept to working prototype, to specifically prevent electrical shorting of the gate. The CFEA is patent pending in the United States. Process development enabled fabrication of a CFEA with a yield of up to 82%. Furthermore, a novel oxygen plasma etch process was developed to reverse shorting after CNT synthesis. CFEA testing demonstrates FE with a current density of up to 293 μA/cm² at the anode and 1.68 mA/cm² at the gate, with lifetimes in excess of 100 hours. A detailed analysis of eighty tested CFEAs revealed three distinct types of damage. Surprisingly, about half of the damaged chips are not electrically shorted, indicating that the CFEAs are very robust. Potential applications of this technology as cathodes for spacecraft electric propulsion were explored. Exposure to an operating electric propulsion thruster showed no significant effect or damage to the CFEAs, marking the first experimental study of CNT field emitters in an electric propulsion environment. A second effort in spacecraft propulsion is a collaboration with the Air Force Institute of Technology (AFIT). CFEAs are the payload on an AFIT developed Cube Satellite, called ALICE, to test electron emission in the space environment. ALICE has passed flight tests and is awaiting launch scheduled for 5 December 2013.

<p>The role of the surroundings, or <italic> environment </italic>, is essential in understanding funda- mental quantum-mechanical concepts, such as quantum measurement and quantum entanglement. It is thought that a dissipative environment may be responsible for certain types of quantum (i.e. zero-temperature) phase transitions. We observe such a quantum phase transition in a very basic system: a resonant level coupled to a dissipative environment. Specifically, the resonant level is formed by a quantized state in a carbon nanotube, and the dissipative environment is realized in resistive leads; and we study the shape of the resonant peak by measuring the nanotube electronic conductance.</p><p>In sequential tunneling regime, we find the height of the single-electron conductance peaks increases as the temperature is lowered, although it scales more weakly than the conventional T<super>-1</super>. Moreover, the observed scaling signals a close connec- tion between fluctuations that influence tunneling phenomenon and macroscopic models of the electromagnetic environment.</p><p>In the resonant tunneling regime (temperature smaller than the intrinsic level width), we characterize the resonant conductance peak, with the expectation that the width and height of the resonant peak, both dependent on the tunneling rate, will be suppressed. The observed behavior crucially depends on the ratio of the coupling between the resonant level and the two contacts. In asymmetric barriers the peak width approaches saturation, while the peak height starts to decrease.</p><p>Overall, the peak height shows a non-monotonic temperature dependence. In sym- metric barriers case, the peak width shrinks and we find a regime where the unitary conductance limit is reached in the incoherent resonant tunneling. We interpret this behavior as a manifestation of a quantum phase transition.</p><p>Finally, our setup emulates tunneling in a Luttinger liquid (LL), an interacting one-dimensional electron system, that is distinct from the conventional Fermi liquids formed by electrons in two and three dimensions. Some of the most spectacular properties of LL are revealed in the process of electron tunneling: as a function of the applied bias or temperature the tunneling current demonstrates a non-trivial power-law suppression. Our setup allows us to address many prediction of resonant tunneling in a LL, which have not been experimentally tested yet.</p> / Dissertation

With more and more integration of analog and RF circuits in scaled CMOS technologies, process variation is playing a critical role which makes it difficult to achieve all the performance specifications across all the process corners. Moreover, at scaled technology nodes, due to lower voltage and current handling capabilities of the devices, they suffer from reliability issues that reduce the overall lifetime of the system. Finally, traditional static style of designing analog and RF circuits does not result in optimal performance of the system. A new design paradigm is emerging toward digitally assisted analog and RF circuits and systems aiming to leverage digital correction and calibration techniques to detect and compensate for the manufacturing imperfections and improve the analog and RF performance offering a high level of integration. The objective of the proposed research is to design digital friendly and performance tunable adaptive analog/RF circuits and systems with digital enhancement techniques for higher performance, better process variation tolerance, and more reliable operation and developing strategy for testing the proposed adaptive systems. An adaptation framework is developed for process variation tolerant RF systems which has two parts – optimized test stimulus driven diagnosis of individual modules and power optimal system level tuning. Another direct tuning approach is developed and demonstrated on a carbon nanotube based analog circuit. An adaptive switched mode power amplifier is designed which is more digital-intensive in nature and has higher efficiency, improved reliability and better process resiliency. Finally, a testing strategy for adaptive RF systems is shown which reduces test time and test cost compared to traditional testing.

La spintronique moléculaire et la photocatalyse sont deux domaines en constante évolution. Le premier s'attache à exploiter la possibilité de coupler deux phénomènes physiques, à savoir le transport d'un flux de porteurs de charges et le spin de l'électron, tandis que le second se concentre sur l'exaltation des propriétés chimiques de transfert d'électrons d'une espèce donnée grâce au phénomène physique d'irradiation lumineuse. Depuis quelques années, les nanotubes de carbone ont suscité un grand intérêt à la fois en tant que composant pour la spintronique moléculaire, en raison de leur grande cohérence de spin, et en tant que support idéal pour la catalyse moléculaire, grâce à leurs exceptionnelles propriétés électroniques de surface. Au cours de ce travail de thèse, nous nous sommes attachés à concevoir des complexes inorganiques possédant des propriétés physiques, (magnétiques ou optiques) et des propriétés chimiques (permettant leur assemblage non-covalent sur des nanotubes de carbone monoparoi) de manière à former des adduits complexes inorganiques-nanotubes aux propriétés exploitables en spintronique moléculaire et en photocatalyse. Les propriétés des complexes synthétisés ont été extensivement caractérisées (Chapitre 2), et les plus prometteurs de ces composés ont été assemblés avec succès sur les nanotubes de carbone (Chapitre 3), comme en attestent les mesures spectroscopiques réalisées. Enfin, les deux domaines d'applications concernés par nos travaux faisant intervenir des phénomènes de transport électronique, des études spécifiques sur des dispositifs électriques de type transistor à effet de champ dont le canal de conduction est constitué de nanotubes de carbone ont été réalisées (Chapitre 4). Celles-ci mettent à chaque fois en évidence l'existence d'une communication électronique entre les complexes inorganique et les nanotubes de carbone sur lesquels ils sont assemblés au sein des dispositifs. Bien qu'au final un couplage entre les propriétés magnétiques des complexes synthétisés et les propriétés de transport des nanotubes n'ait pas pu être mis en évidence, de nombreux phénomènes inattendus et extrêmement intéressants tels que des effets ambipolaires, des transferts de charge ou des ruptures de liaisons ont été observés. Par contre, un fort couplage opto-électronique a pu être obtenu entre un complexe et le flux de porteurs de charge des dispositifs, ce qui s'avère être de très bon augure pour des futures applications en photocatalyse.

Polyacrylonitrile (PAN)/carbon nanotube (CNT) composite fibers were made using various processing methods such as conventional solution spinning, gel spinning, and bi-component gel spinning. The detailed characterization exhibited that the smaller and longer CNT will reinforce polymer matrix mostly in tensile strength and modulus, respectively. Gel spinning combined with CNT also showed the promising potential of PAN/CNT composite fiber as precursor fiber of the next generation carbon fiber. High resolution transmission electron microscopy showed the highly ordered PAN crystal layer on the CNT, which attributed to the enhanced physical properties. The subsequent carbonization study revealed that carbonized PAN/CNT fibers have at least 50% higher tensile strength and modulus as compared to those of carbonized PAN fibers. Electrical conductivity of CNT containing carbon fiber was also 50% higher than that of carbonized PAN fiber. In order to have carbon fiber with high tensile strength, the smaller diameter precursor fiber is preferable. Bi-component gel spinning produced 1-2 µm precursor fiber, resulting in ~1 µm carbon fiber. The tensile strength of the carbonized bi-component fiber (islands fibers) is as high as 6 GPa with tensile modulus of ~500 GPa. Further processing optimization may lead to the next generation carbon fiber.

The graphitic nature, continuous structure, and high mechanical properties of carbon nanotubes (CNTs) make them good candidate for reinforcing polymer fiber. The different types of CNTs including single-wall carbon nanotubes (SWNTs), few-wall carbon nanotubes (FWNTs), and multi-wall carbon nanotubes (MWNTs), and carbon nanofibers (CNFs) differ in terms of their diameter and number of graphitic walls. The desire has been to increase the concentration of CNTs as much as possible to make next generation multi-functional materials. The work in this thesis is mainly focused on MWNT and CNF reinforced polyacrylonitrile (PAN) composite fibers, and SWNT, FWNT, and MWNT reinforced poly(etherketone) (PEK) composite fibers. To the best of our knowledge, this is the first study to report the spinning of 20% MWNT or 30% CNF reinforced polymer fiber spun using conventional fiber spinning. Also, this is the first study to report the PEK/CNT composite fibers. The fibers were characterized for their thermal, tensile, mechanical, and dynamic mechanical properties. The fiber structure and morphology was studied using WAXD and SEM. The effect of two-stage heat drawing, sonication time for CNF dispersion, fiber drying temperature, and molecular weight of PAN was also studied. Other challenges associated with processing high concentrations of solutions for making composite fibers have been identified and reported. The effect of CNT diameter and concentration on fiber spinnability and electrical conductivity of composite fiber have also been studied. This work suggests that CNT diameter controls the maximum possible concentration of CNTs in a composite fiber. The results show that by properly choosing the type of CNT, length of CNTs, dispersion of CNTs, fiber spinning method, fiber draw ratio, and type of polymer, one can get electrically conducting fibers with wide range of conductivities for different applications. The PEK based control and composite fibers possess high thermal stability with almost no weight loss up to 500 degree C and negligible thermal shrinkage up to 200 degree C. The PEK based fibers showed high toughness which surpassed many of the high-performance fibers like Kevlar(R) and Zylon(R). The 10% FWNT containing fiber is unique in terms of high electrical conductivity and high toughness. The CNT based fibers may be used as structural material, fire-barrier/protection textile, electrode for electrochemical capacitor or fuel cells, and as a template for directional growth of tissues.

This report details work toward the fabrication of a single-electron transistor created from a single-walled carbon nanotube (SWNT). Specifically discussed is a method for growing carbon nanotubes (CNTs) via carbon vapor deposition (CVD). The growth is catalyzed by a solution of 0.02g Fe(NO3)3·9H2O, 0.005g MoO2(acac)2, and 0.015g of alumina particles in 15mL methanol. SWNT diameter ranges from 0.6 to 3.0 nm. Also discussed is a method to control nanotube growth location by patterning samples with small islands of catalyst. A novel “maskless” photolithographic process is used to focus light from a lightweight commercial digital projector through a microscope. Catalyst islands created by this method are approximately 400 μm2 in area.