Not available / text

This dissertation is focused on thermal transport at nanometer scale point and line constrictions and in nanowires with sawtooth surface roughness. To better understand thermal transport at a point contact such as that at the tip-sample junction of a scanning probe microscope, a Non Equilibrium Molecular Dynamics (NEMD) method is employed to calculate the temperature distribution and thermal resistance of a nanoscale point constriction formed between two silicon substrates. The simulation reveals surface reconstruction at the two free silicon surfaces and at the constriction. The radius of the heated zone in the cold substrate approaches a limit of about 20 times the average nearest-neighbor distance of boron doping atoms when the constriction radius (a) is reduced below the inter-dopant distance. The phonon mean free path at the constriction is suppressed by diffuse phonon-surface scattering and phonon-impurity scattering. The MD thermal resistance is close to the ballistic resistance when a is larger than 1 nm, suggesting that surface reconstruction does not reduce the phonon transmission coefficient significantly. When a is 0.5 nm and comparable to the dominant phonon wavelength, however, the NEMD result is considerably lower than the calculated ballistic resistance because bulk phonon dispersion and bulk potential are not longer accurate. The MD thermal resistance of the constriction increases slightly with increasing doping concentration due to the increase in the diffusive resistance. The NEMD method is further employed to calculate the temperature distribution and thermal resistance at nanoscale line constrictions formed between two silicone substrates. Similar to the nano point constriction, the thermal resistance at the nano line constriction is dominated by the ballistic resistance for constriction width in the range of 1 nm to 12 nm. An additional question that this dissertation seeks to answer is whether one can engineer the surface roughness on a nanowire to facilitate phonon backscattering so as to reduce the thermal conductivity below the diffuse surface limit. Monte Carlo simulation is used to show that phonon backscattering can occur at sawtooth surfaces of a silicon nanowire, suppressing the thermal conductivity below the diffuse surface limit. Asymmetric sawtooth nanowire surfaces can further cause phonon rectification, making the axial thermal conductance of the nanowire direction dependent. The phonon backscattering and rectification effects can be employed to enhance the thermoelectric figure of merit of nanowires. / text

Al-Zn-Mg-Cu (7xxx series) aluminium alloys are widely used for aircraft structures. It is difficult to obtain a combination of optimal strength and stress corrosion cracking (SCC) resistance for these alloys. It appears that SCC resistance of these alloys is related to grain boundary precipitate morphology. One technique to control the grain boundary precipitate morphology is to introduce a controlled cooling procedure referred to as High Temperature Pre-precipitation (HTPP) treatment following the solution heat treatment. There is need for a detailed study of the effect of HTPP on the properties of commercial Al-Zn-Mg-Cu alloys using different intermediate temperatures. In this thesis research, the results of ten HTPP processes applied to 7075 and 7050 commercial 7xxx series alloys are presented in terms of hardness, electrical conductivity, corrosion resistance, TEM analysis of grain boundary precipitate morphology and EDS analysis of solute concentration profile at the grain boundary. Results indicate that subsequent to HTPP processing, the 7050 alloy can be precipitation aged to a higher hardness compared to 7075; this result is associated with the modification of 7050 alloy by zirconium versus chromium in 7075 alloy. HTPP heat treatment achieves better SCC resistance compared to standard T6 temper. However, it does not appear that HTPP can achieve a combination of hardness, electrical conductivity and corrosion resistance superior to standard T6 and T7X tempers. / October 2014

The integrated use of Electromagnetic Ground Conductivity, Ground Electrical Resistivity and Seismic Refraction geophysics methods was made in Alia valley, Eritrea for the aim of developing a methodology best suited for ground water exploration in hard rock areas with limited professional and financial resources. A total area of 25 square kilometer was covered with the geophysical surveys. The effective use of information from wells and geological information from outcrops and existing literature helped to create a preliminary conceptual hydrogeologic model that in turn provided a general picture of the research site in terms of its groundwater potential and related factors. The optimum configuration of the geophysical methods and their interpretation was researched by the use of synthetic mathematical models and experimental surveys in areas of known hydrogeological characteristics like lithology and depth of water table. Two approximately parallel electromagnetic ground conductivity profile lines crossed the survey area in approximately north-south direction to assess the variation in the electrical conductivity of the major geological structures. Vertical electrical sounding (VES) surveys were conducted close to existing wells with lithological information and at some selected sites. Survey sites for the two dimensional electrical resistivity imaging and the seismic refraction surveys were selected based on the results from the electromagnetic ground conductivity surveys. The formal geophysical surveys results were correlated with nearby boreholes and with each other. The responses of the different geophysical methods for each lithological layer were recognized. In addition, the location and characteristics of the major geological structures of the area were studies based on the information from the geophysical surveys and other available information. At the end of the research, parts of the research area with better groundwater potential were identified. As a result of the research, an efficient and cost effective geophysical approach was developed for groundwater exploration in hard rock areas of Eritrea and similar places of the world. Recommendations were made on the wider and effective use of the approach with due consideration for the limited financial, human resource and material capacities available for ground water exploration in most countries of Africa and other countries of the world.

Kyoto University (京都大学) / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第18983号 / 工博第4025号 / 新制||工||1620 / 31934 / 京都大学大学院工学研究科材料工学専攻 / (主査)教授 田中 功, 教授 宇田 哲也, 教授 白井 泰治 / 学位規則第4条第1項該当

As silicon-based transistor technology continues to scale ever downward, anticipation of the fundamental limitations of ultimately-scaled devices has driven research into alternative device technologies as well as new materials for interconnects and packaging. Additionally, as power dissipation becomes an increasingly important challenge in highly miniaturized devices, both the implementation and verification of high mobility, high thermal conductivity materials, such as low dimensional carbon nanomaterials, and the experimental investigation of heat transfer in the nanoscale regime are requisite to continued progress. This work furthers the current understanding of structure-property relationships in low dimensional carbon nanomaterials, specifically carbon nanotubes (CNTs) and graphene, through use of combined thermal conductance and transmission electron microscopy (TEM) measurements on the same individual nanomaterials suspended between two micro-resistance thermometers. Through the development of a method to measure thermal contact resistance, the intrinsic thermal conductivity, [kappa], of multi-walled (MW) CNTs is found to correlate with TEM observed defect density, linking phonon-defect scattering to the low [kappa] in these chemical vapor deposition (CVD) synthesized nanomaterials. For single- (S) and double- (D) walled (W) CNTs, the [kappa] is found to be limited by thermal contact resistance for the as-grown samples but still four times higher than that for bulk Si. Additionally, through the use of a combined thermal transport-TEM study, the [kappa] of bi-layer graphene is correlated with both crystal structure and surface conditions. Theoretical modeling of the [kappa] temperature dependence allows for the determination that phonon scattering mechanisms in suspended bi-layer graphene with a thin polymeric coating are similar to those for the case of graphene supported on SiO₂. Furthermore, a method is developed to investigate heat transfer through a nanoscale point contact formed between a sharp silicon tip and a silicon substrate in an ultra high vacuum (UHV) atomic force microscope (AFM). A contact mechanics model of the interface, combined with a heat transport model considering solid-solid conduction and near-field thermal radiation leads to the conclusion that the thermal resistance of the nanoscale point contact is dominated by solid-solid conduction. / text

Τα σύνθετα υλικά αναπτύχθηκαν με σκοπό τη δημιουργία προϊόντων με εξειδικευμένο συνδυασμό ιδιοτήτων. Τα υλικά αυτά επιτρέπουν την εξοικονόμηση υλικών και χρηματικών πόρων, μέσω της αντικατάστασης μέρους των πολύτιμων φυσικών πρώτων υλών με άλλες φθηνότερες, διατηρώντας όμως στο τελικό προϊόν τις ιδιότητες των αντικατασταθέντων συστατικών. Τα σύνθετα υλικά είναι μίγματα δύο ή και περισσότερων συστατικών, τα οποία διαφέρουν στη μορφή ή και στη σύνθεση, συνήθως δεν διαλύονται το ένα στο άλλο και είναι δυνατόν να εντοπιστεί διεπιφάνεια μεταξύ των συστατικών τους. Τα σύνθετα υλικά αποτελούνται από τη μητρική και την ενισχυτική φάση. Η μήτρα περικλείει τα εγκλείσματα και αποτελεί τη φάση του συστήματος, η οποία δίνει την εξωτερική μορφή του σύνθετου υλικού. Επίσης, ενεργεί ως περιβάλλον και ως συνδετική ύλη για τα εγκλείσματα και συνήθως καθορίζει την αντοχή του σύνθετου υλικού. Τα εγκλείσματα αποτελούν τα δομικά στοιχεία του σύνθετου υλικού και καθορίζουν την εσωτερική του δομή. Για την καλύτερη δυνατή συνεργασία μήτρας-εγκλείσματος επιβάλλεται η πλήρης επαφή τους, όπως και η ανάπτυξη μεταξύ τους ενός ισχυρού δεσμού συνοχής. Στην παρούσα εργασία ως ενισχυτική φάση χρησιμοποιήθηκε το TiO2. Η μελέτη του παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον λόγω των οπτικών και ηλεκτρονικών ιδιοτήτων του. Το TiO2 είναι ένας ημιαγωγός ευρέως χάσματος και μπορεί να κρυσταλλωθεί σε τρεις διαφορετικές δομές: ρουτίλιο, ανατάσης και βρουκίτης (rutile, anatase και brookite). Ως προπολυμερές για την παρασκευή των δοκιμίων, χρησιμοποιήθηκε η εποξειδική ρητίνη. Η συγκεκριμένη ρητίνη είναι ένα τυπικό μονωτικό πολυμερές χαμηλού ιξώδους, της οποίας η διηλεκτρική σταθερά καθώς και η αγωγιμότητα δεν διαφέρουν σημαντικά από τις αντίστοιχες τιμές για το TiO2. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι ο ηλεκτρικός χαρακτηρισμός σύνθετων συστημάτων πολυμερικής μήτρας-κεραμικού TiO2. Παρασκευάστηκαν σύνθετα υλικά συγκέντρωσης 10 phr, 30 phr και 50 phr σε TiO2. Για τον ηλεκτρικό χαρακτηρισμό των σύνθετων αυτών, εφαρμόστηκε η τεχνική της διηλεκτρικής φασματοσκοπίας ευρέως φάσματος (BDS-Broadband Dielectric Spectroscopy). Με τη διηλεκτρική φασματοσκοπία είναι δυνατόν να μετρηθεί το πραγματικό και το φανταστικό μέρος της διηλεκτρικής σταθεράς, της εμπέδησης, της αγωγιμότητας όπως και άλλα μεγέθη, ως συνάρτηση της συχνότητας, της εφαρμοζόμενης τάσης και της θερμοκρασίας. Στην εργασία αυτή, για τη λήψη των μετρήσεων διηλεκτρικής απόκρισης, χρησιμοποιήθηκε η γέφυρα εναλλασσόμενου Alpha-N της εταιρείας Novocontrol. Ως κυψελίδα μετρήσεων χρησιμοποιήθηκε η BDS 1200 της ίδιας εταιρείας. Για κάθε εξεταζόμενο δείγμα έλαβαν χώρα ισόθερμες σαρώσεις συχνοτήτων. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στην περιοχή συχνοτήτων από 0.1Hz ως 1MHz και σε εύρος θερμοκρασιών από -1000 C ως 1500 C. Το θερμοκρασιακό βήμα μεταξύ των διαδοχικών σαρώσεων συχνοτήτων είναι 100 C. Η θερμοκρασία ελέγχεται από το σύστημα Quatro με ακρίβεια 0.10 C. Όλη η διάταξη είναι συνδεδεμένη με ηλεκτρονικό υπολογιστή για ταυτόχρονο έλεγχο και αποθήκευση των δεδομένων. Για λόγους σύγκρισης εκτός από τα σύνθετα, μετρήθηκαν και δείγματα καθαρής ρητίνης. Τα φαινόμενα διηλεκτρικής χαλάρωσης που καταγράφονται περιλαμβάνουν συνεισφορές τόσο από την πολυμερική μήτρα όσο και από την ενισχυτική φάση. Στην περιοχή των χαμηλών θερμοκρασιών ανιχνεύονται, τόσο στα δείγματα καθαρής ρητίνης όσο και στα σύνθετα, οι διεργασίες της β- και γ-χαλάρωσης. Οι διεργασίες αυτές αποδίδονται σε περιορισμένες τοπικές κινήσεις τμημάτων της πολυμερικής αλυσίδας (γ-χαλάρωση) και σε επαναπροσανατολισμό πλευρικών τμημάτων της πολυμερικής αλυσίδας (β-χαλάρωση). Στην περιοχή των υψηλών θερμοκρασιών καταγράφονται τρεις επιπρόσθετες διεργασίες χαλάρωσης. Στην περιοχή χαμηλών συχνοτήτων, εμφανίζεται το φαινόμενο Maxwell-Wagner-Sillars (ενδοεπιφανειακή πόλωση), το οποίο οφείλεται στη συσσώρευση φορτίων χώρου στην ενδοεπιφάνεια μήτρας-εγκλείσματος. Όπως αναμένεται η διεργασία αυτή δεν εμφανίζεται στο δείγμα καθαρής ρητίνης. Λόγω της μικρής ετερογένειας μεταξύ των δύο φάσεων το φαινόμενο είναι ασθενές και γίνεται ισχυρότερο με την αύξηση της συγκέντρωσης σε TiO2. Στην περιοχή των ενδιάμεσων συχνοτήτων εμφανίζεται, τόσο στα δείγματα καθαρής ρητίνης όσο και στα σύνθετα, η διεργασία της α-χαλάρωσης, η οποία σχετίζεται με την υαλώδη μετάβαση της πολυμερικής μήτρας. Η δυναμική της α-χαλάρωσης δεν επηρεάζεται από την αύξηση της συγκέντρωσης σε πληρωτικό μέσο. Στην περιοχή των υψηλών συχνοτήτων και μόνο στα σύνθετα εμφανίζεται η διεργασία IDE (Intermediate Dipolar Effect), η οποία αποδίδεται στην παρουσία της ενισχυτικής φάσης. Αυτή η διεργασία εμφανίζεται σαφέστερα στα σύνθετα συγκέντρωσης 30 phr και 50 phr, δηλαδή επηρεάζεται ισχυρά από τη συγκέντρωση σε TiO2. Σε όλες τις συγκεντρώσεις οι διεργασίες MWS και IDE παρουσιάζουν εξάρτηση από τη θερμοκρασία, η οποία ακολουθεί την εξίσωση Arrhenius, ενώ η εξάρτηση της α-χαλάρωσης από τη θερμοκρασία περιγράφεται από την εξίσωση Vogel-Fulcher-Tamann (VTF). Για όλες τις διεργασίες χαλάρωσης στις υψηλές θερμοκρασίες, υπολογίζονται οι χρόνοι χαλάρωσης και οι αντίστοιχες ενέργειες ενεργοποίησης. Η μεταβολή του πραγματικού μέρους της ηλεκτρικής αγωγιμότητας εναλλασσόμενου , στην περιοχή υψηλών θερμοκρασιών, συναρτήσει της συχνότητας εμφανίζει τρεις περιοχές. Στην περιοχή υψηλών συχνοτήτων, η μεταβολή της ηλεκτρικής αγωγιμότητας εναλλασσόμενου συναρτήσει της συχνότητας ακολουθεί τον νόμο της Παγκόσμιας Διηλεκτρικής Απόκρισης. Στην περιοχή αυτή παρατηρείται ασθενής εξάρτηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας από τη θερμοκρασία. Η μεταβολή της ηλεκτρικής αγωγιμότητας στην ενδιάμεση περιοχή συχνοτήτων, συνδέεται με την εμφάνιση των μηχανισμών MWS και α-χαλάρωση. Στην περιοχή χαμηλών συχνοτήτων, η ηλεκτρική αγωγιμότητα είναι ανεξάρτητη της συχνότητας και περιγράφει την αγωγιμότητα συνεχούς των υλικών. Η είναι η τιμή της αγωγιμότητας στα 0.1Hz. Η αγωγιμότητα συνεχούς αυξάνεται αυξανομένης της θερμοκρασίας, για όλα τα εξεταζόμενα δείγματα και ακολουθεί την εξίσωση Vogel-Fulcher-Tamann (VTF). / Polymer matrix – ceramic TiO2 composites were prepared, in different filler concentrations, and their electrical properties were examined by means of Broadband Dielectric Spectroscopy (BDS), over a wide temperature range (-100C to 150C) and in the frequency range of 10-1Hz–1MHz. The relaxation phenomena recorded include contributions from both the polymeric matrix and the presence of the reinforcing phase. The results are discussed using the electric modulus formalism, with temperature and filler’s concentration as parameters. Pure matrix exhibits tree distinct relaxation processes attributed, with ascending relaxation rate, to glass/rubber (-mode) transition, and local motions of polar side groups and small segments of the polymer chain. Two additional modes have been detected in the TiO2 reinforced systems. The relaxation mechanism present at low frequencies and high temperatures is attributed to interfacial polarization or Maxwell – Wagner – Sillars phenomenon and corresponds to the slowest observed mode. Finally, the second process recorded in the intermediate frequency range, between -mode and polar side groups-mode, is possibly related to order/disorder transition of the ceramic TiO2.

Hydraulic conductivity of variably-saturated soils is critical to understanding processes at the land surface. Yet measuring it over an area comparable to the resolution of land-surface models is fraught because of its strong spatial and temporal variations, which render point measurements nearly useless. We derived unsaturated hydraulic conductivity at the horizontal scale of hectometers and the vertical scale of decimeters by analyzing trends in soil moisture measured using the cosmic-ray neutron method. The resulting effective hydraulic conductivity remains close to its value at saturation over approximately half of the saturation range and then plummets. It agrees with the aggregate of 36 point measurements near saturation, but becomes progressively higher at lower water contents; the difference is potentially reconcilable by upscaling of point measurements. This study shows the feasibility of the cosmic-ray method, highlights the importance of measurement scale, and provides a route toward better understanding of land-surface processes.

The effects of controlled environment strategies on the yield and quality of cherry tomato fruit production were studied between April, 2003 and September, 2004 at The University of Arizona Campus Agriculture Center; Tucson, AZ. Two cultivars of cherry tomato (Lycopersicon esculentum Mill. var. cerasiforme) planted at 2.2 plants m-2 were grown hydroponically in coconut coir and drip fertigated with a low EC (2.4 dS m-1), high EC (4.5 dS m-1), mid day relief of high EC (2.4 dS m-1 or 4.5 dS m-1 over a 24 h period) or night time super high EC treatment (12 dS m-1). From April to October, 2003, the effects of mid day relief of high EC on cherry tomato fruit yield and quality were determined. From February through September, 2004 the effects of super high EC treatment, horizontal air flow (HAF) fan operation and/or delayed fertigation on cherry tomato fruit cracking were studied.

Air permeability (ka) is a viable alternative to water- and texture-based methods to rapidly map saturated hydraulic conductivity (Ksat). The ability to measure this important hydraulic property without the use of more cumbersome and time-consuming methods may provide a practical approach to generate more complete data to describe hydrologic conditions. This study presents the development of an air permeameter which is suitable for desert soils. The Soil Corer Air Permeameter (SCAP) is compatible with a standard soil corer and employs digital components to measure flowrates under low-pressure gradients to improve accuracy, ease of use, and portability. SCAP allows for the extraction of undisturbed soil samples for laboratory analysis, providing direct comparisons of ka with other soil physical and hydraulic properties. The applicability of a regression equation to estimate Ksat from field-measured ka using SCAP was examined in unburned and burned soils. Ex situ field ka and laboratory Ksat measurements were compared and air to water permeability (ka/kw) ratios were calculated to determine structural changes due to water saturation. The study also characterized changes in permeability due to fire in woodland-chaparral and coniferous soils. For soils that could be extracted with minimal structural changes, results show ka and Ksat measurements for unburned and burned soils were within the 95% confidence intervals of a ka-Ksat regression developed for agricultural soils. However, correlations for in situ ka measurements in some burned soils showed a decrease in accuracy and may be attributed to soil anisotropy. A three-dimensional steady-state finite element air flow model was developed using FEMLAB 3.0A to consider the effects of anisotropy on in situ ka measurements. Results show that anisotropic conditions can introduce an error as high as a factor of 2 especially for air permeameters with high diameter to height (D/H) ratios, however, the error is much smaller than the anisotropy ratio. If anisotropy is important to characterize, it was shown that paired measurements of in situ and ex situ ka can be used to infer the anisotropy ratio.