Magister Scientiae - MSc / In this work, an electrochemical method based on a cyt c biosensor has been developed, for the detection of selected arsenic and cyanide compounds. Boron Doped Diamond (BDD) electrode was used as a transducer, onto which cyt c was immobilised and used for direct determination of Prussian blue, potassium cyanide and arsenic trioxide by inhibition mechanism. The sensitivity as calculated from cyclic voltammetry (CV) and square wave voltammetry (SWV), for each analyte in phosphate buffer (pH= 7) was found to be (1.087- 4.488 ×10-9 M) and the detection limits ranging from 0.0043- 9.1 μM. These values represent a big improvement over the current Environmental Protection Agency (EPA) and World Health Organisation (WHO) guidelines. / South Africa

Es werden ab-initio Rechnungen des Supermagnetwiderstands-Effektes von Fe/Cr-Multilagen vorgestellt. Die Elektronenstruktur wurde im Rahmen einer LCAO-Superzellen-Rechnung bestimmt. Als Störung der idealen Schichtstruktur wurden Cr-Defekte in Fe angenommen, die durch spinabhängige Relaxationszeiten beschrieben werden. Die elektrischen Transportkoeffizienten wurden durch Lösung der linearisierten Boltzmann-Gleichung in Relaxationszeitnäherung unter Verwendung des Mott-schen Zweistrommodells berechnet. Bei den betrachteten Systemen variierte die Dicke der Fe-Schicht zwischen 3 und 9 Monolagen, die der Cr-Schicht zwischen 1 und 13 Monolagen. In Abhängigkeit von der Fe- bzw. Cr-Schichtdicke ergeben sich in Übereinstimmung mit den Experimenten charakteristische Oszillationen des Supermagnetwiderstandes. Es wird der Einfluß der Spinanisotropie der Streuung auf den Effekt untersucht. Insbesondere kann gezeigt werden, daß der Effekt auch für spinunabhängige Streuung existiert. / Ab-initio calculations of the Giant Magnetoresistance (GMR) for Fe/Cr multilayers are presented. The electronic structure of the Fe/Cr superlattice is calculated within an optimized LCAO scheme using the local spin density approximation. The scattering of the electrons by Cr impurities in an Fe environment is taken into account by spin dependent relaxation times. The transport is described quasiclassically by solving the linearized Boltzmann equation in relaxation time approximation. In agreement with experiments characteristic oscillations of the GMR are obtained in dependence on the Cr and Fe layer thickness. It can be shown, that the GMR can be reduced or increased by the spin anisotropy of the scattering, but the phenomenon still exists for spin-independent scattering.

Kohlenstoffnanoröhrchen (engl. carbon nanotube, CNT) sind vielversprechende Kandidaten für den Ersatz von Kupferleitbahnen die bei weiterer Strukturverkleinerung von integrierten Schaltkreisen notwendig wird. In dieser Arbeit wird mit Hilfe von ab-initio Simulationen auf Basis der Dichtefunktionaltheorie die elektronische Struktur von halbleitenden CNTs beispielhaft anhand des (8,4)-CNTs untersucht. Nach Besetzung des CNT mit Metallatomen, hier Kobalt, zeigen sich massive Änderungen der Bandstruktur. Es reichen bereits überraschend kleine Mengen des Metalls aus, um einen starken Effekt zu erreichen. Die Änderungen der elektronischen Struktur sind stark abhängig von der genauen Position der Metallatome relativ zum Kohlenstoffgerüst der CNTs, der Einfluss der mechanischen Verformung des CNTs als Reaktion auf die Anlagerung ist hingegen sehr gering. Die relevanten Bänder der Kobaltatome liegen leicht unterhalt der Fermi-Energie und sorgen bei der Integration in die Bandstruktur des CNTs für die Schließung der Bandlücke und somit für die Transformation eines vorher halbleitenden CNTs in ein leitendes. Diese Transformation konnte auch mit Simulationsrechnungen zum Elektronentransport bestätigt werden. Ferner wurden bei weiteren Rechnungen eine ausgeprägte Spinabhängigkeit der Bandstruktur ermittelt, welche noch weiterer Untersuchung bedarf.

In our pursuit of ever smaller transistors, with greater computational throughput, many questions arise about how material properties change with size, and how these properties may be modelled more accurately. Metallic nanocontacts, especially those for which magnetic properties are important, are of great interest due to their potential spintronic applications. Yet, serious challenges remain from the standpoint of theoretical and computational modelling, particularly with respect to the coupling of the spin and lattice degrees of freedom in ferromagnetic nanocontacts in emerging spintronic technologies. In this thesis, an extended method is developed, and applied for the first time, to model the interplay between magnetism and atomic structure in transition metal nanocontacts. The dynamic evolution of the model contacts emulates the experimental approaches used in scanning tunnelling microscopy and mechanically controllable break junctions, and is realised in this work by classical molecular dynamics and, for the first time, spin-lattice dynamics. The electronic structure of the model contacts is calculated via plane-wave and local-atomic orbital density functional theory, at the scalar- and vector-relativistic level of sophistication. The effects of scalar-relativistic and/or spin-orbit coupling on a number of emergent properties exhibited by transition metal nanocontacts, in experimental measurements of conductance, are elucidated by non-equilibrium Green’s Function quantum transport calculations. The impact of relativistic effects during contact formation in non-magnetic gold is quantified, and it is found that scalar-relativistic effects enhance the force of attraction between gold atoms much more than between between atoms which do not have significant relativistic effects, such as silver atoms. The role of non-collinear magnetism in the electronic transport of iron and nickel nanocontacts is clarified, and it is found that the most-likely conductance values reported for these metals, at first- and lastcontact, are determined by geometrical factors, such as the degree of covalent bonding in iron, and the preference of a certain crystallographic orientation in nickel. / Physics / Ph. D. (Physics)

Les changements climatiques sont susceptibles d’affecter la croissance, le développement et la régénération des pessières noires de la forêt boréale. Les échecs de régénération dans les pessières à mousses (PM) de l’ouest du Québec causent des trouées dans la mosaïque forestière dense et augmentent la proportion de pessières à lichens (PL) dans le paysage. Les objectifs de l’étude sont de déterminer si les caractéristiques contrastantes des PM et des PL engendrent différents taux de photosynthèse maximale (Amax) chez les épinettes noires sur un gradient latitudinal ou saisonnier. Ensuite, l’étude tentera de déterminer si le Amax des individus reflète leurs capacités physiologiques par leur taux de carboxylation maximal (Vcmax) et de transport des électrons maximal (Jmax) extraits de courbes de réponse au CO2. Les taux de Vcmax et Jmax sont différents entre les PM et les PL car l’acquisition de ces nutriments semble différente. La latitude influence les valeurs de Vcmax et Jmax, mais l’effet serait causé par les caractéristiques floristiques et la composition du sol des placettes plutôt que par la latitude. Les capacités physiologiques ne se reflètent pas dans les valeurs de Amax, autant pour le type de peuplement que la latitude, car Amax serait limité par la concentration en CO2 qui ne permet pas la saturation de l’enzyme rubisco. Malgré l’absence de différence entre le Amax des PM et des PL, l’augmentation de la concentration en CO2 et de la température risque de créer un écart de Amax entre les types de peuplement, considérant leurs capacités physiologiques différentes. / Climate change is likely to affect the growth, development and regeneration of black spruce stands across the boreal forest. Regeneration failures cause gaps in the dense black spruce-feathermoss (BSFM) mosaic increasing the landscape proportion of open lichen-woodland (LW). The aims of the study are to determine whether the contrasting characteristics of BSFM and LW induce different light-saturated maximum photosynthesis (Amax) in black spruce trees across a latitudinal or seasonal gradient. Then the study will attempt to determine if Amax is likely to reflect their physiological capacities based on their maximum carboxylation rate (Vcmax) and maximum electron transport rate (Jmax) derived from CO2 response curves. Vcmax and Jmax are different between BSFM and LW mainly because nutrient acquisition seems different between stand types. Latitude affects values of Vcmax and Jmax, but the effect could be explained by soil and vegetation composition between experimental plots rather than by latitude. Physiological capacities do not match Amax values for stand type and latitude because Amax would be limited by CO2 concentration which does not allow saturation of rubisco. Despite the lack of difference between the Amax of BSFM and LW stands, future increase in CO2 concentration and temperature could induce a gap between their respective photosynthesis rates because of their different physiological capacities.

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In dieser Arbeit untersuchen wir die ultraschnelle Dynamik von Ladungsträgern und kohärenten Intersubbandpolarisationen in quasi-zweidimensionalen Halbleiternanostrukturen und Halbleiterbauelementen. Insbesondere werden n-Typ modulationsdotierte multiple Quantentöpfe und Quantenkaskadenlaserstrukturen basierend auf dem Materialsystem GaAs/AlGaAs mit der Methode der ultraschnellen Spektroskopie im mittleren Infrarot (3-20 mu) studiert. Ein neuartiger experimenteller Aufbau ist entwickelt worden, der zum ersten Mal das phasen- und amplitudenkontrollierte Formen von ultraschnellen Feldtransienten im mittelinfraroten Spektralbereich erlaubt. Wir untersuchen die Möglichkeit der kohärenten Kontrolle von Intersubbandübergängen. Amplituden- und phasenkonntrollierte Feldtransienten im mittleren Infrarot, die mit unserer neuen Laserquelle erzeugt werden, induzieren resonante Intersubbandanregungen in n-Typ modulationsdotierten GaAs/AlGaAs Quantentöpfen. Die transmittierten elektrischen Feldtransienten werden mit Hilfe des ultraschnellen elektro-optischen Abtastverfahrens gemessen. Unter Anwendung zweier phasengekoppelter Mittinfarotpulse variabler relativer Phase zeigen wir erstmalig die kohärente Kontrolle an linearen Intersubbandpolarisationen mit Dephasierungszeiten unterhalb einer Pikosekunde. Eine Sättigung von mehr als 0.2 wird bei einer Mittinfrarotpulsenergie von nur 1 pJ erreicht. Es wird erstmalig ein direktes, zeitaufgelöstes Experiment an elektrisch betriebenen Quantenkaskadenstrukturen vorgestellt. Diese Untersuchung ermöglicht den Einblick in die Dynamik des Elektronentransports, der mit stationären Methoden nicht meßbar ist. Der ultraschnelle Quantentransport der Elektronen vom Injektor durch die Injektionsbarriere in das obere Lasersubband wird in Femtosekunden-Mittinfrarot-Anreg-Abtast-Experimenten untersucht. Auf diese Weise beobachten wir die ultraschnelle Sättigung und die nachfolgende Wiederherstellung des elektrisch induzierten Gains. Wir beobachten ausgeprägte Gainoszillationen bei angelegtem Vorwärtsstrom und an spektralen Positionen am Gainmaximum. Dies ist ein direkter Beweis für eine kohärente Wellenpaketspropagation vom Injektor in das obere Lasersubband mittels resonantem Tunneln trotz der hohen Ladungsträgerdichte in Quantenkaskadenlasern. Nach der Sättigung ist der elektrisch induzierte Gain bei niedrigen Gitter- und Ladungsträgertemperaturen innerhalb einer Pikosekunde vollständig wiederhergestellt. / In this thesis we investigate the ultrafast dynamics of carriers and coherent intersubband polarizations in quasi-two-dimensional semiconductor nanostructures and devices. In particular, we study n-type modulation doped multiple quantum wells and quantum cascade laser structures based on the GaAs/AlGaAs material system using ultrafast spectroscopy in the mid-infrared spectral range (3-20 mu). A novel experimental setup is developed allowing for the first time the controlled phase and amplitude shaping of ultrafast field transients in the mid-infrared wavelength range. We study the feasibility of coherent nonlinear control of intersubband polarizations. Amplitude and phase-controlled mid-infrared field transients from our new laser source induce resonant intersubband excitations in n-type modulation doped GaAs/AlGaAs quantum wells. The transmitted electric field transients are directly measured by ultrafast electro-optic sampling. We demonstrate for the first time coherent control of linear intersubband polarizations with subpicosecond dephasing times by applying two phase-locked pulses with variable relative phase. A saturation of the intersubband excitation by more than 0.2 is achieved with mid-infrared pulses of only 1 pJ pulse energy. We present for the first time a direct time-resolved experimental study on electrically driven quantum cascade laser structures. These studies provide insight into the dynamics of electron transport, which can not be obtained by stationary measurements. The ultrafast quantum transport of electrons from the injector through the injection barrier into the upper laser subband is investigated in femtosecond mid-infrared pump-probe experiments. In this way we directly monitor the ultrafast saturation and subsequent recovery of electrically induced gain. For forward bias and spectral positions around the gain maximum we observe pronounced gain oscillations. This gives direct evidence for a coherent wave packet motion from the injector into the upper laser subband via resonant tunneling even at the high electron density present in a quantum cascade laser structure. After saturation the electrically induced gain is completely recovered within 1 ps at low lattice and carrier temperatures.

We present the development of a novel, UHV-compatible device fabrication strategy for the realisation of nano- and atomic-scale devices in silicon by harnessing the atomic-resolution capability of a scanning tunnelling microscope (STM). We develop etched registration markers in the silicon substrate in combination with a custom-designed STM/ molecular beam epitaxy system (MBE) to solve one of the key problems in STM device fabrication ??? connecting devices, fabricated in UHV, to the outside world. Using hydrogen-based STM lithography in combination with phosphine, as a dopant source, and silicon MBE, we then go on to fabricate several planar Si:P devices on one chip, including control devices that demonstrate the efficiency of each stage of the fabrication process. We demonstrate that we can perform four terminal magnetoconductance measurements at cryogenic temperatures after ex-situ alignment of metal contacts to the buried device. Using this process, we demonstrate the lateral confinement of P dopants in a delta-doped plane to a line of width 90nm; and observe the cross-over from 2D to 1D magnetotransport. These measurements enable us to extract the wire width which is in excellent agreement with STM images of the patterned wire. We then create STM-patterned Si:P wires with widths from 90nm to 8nm that show ohmic conduction and low resistivities of 1 to 20 micro Ohm-cm respectively ??? some of the highest conductivity wires reported in silicon. We study the dominant scattering mechanisms in the wires and find that temperature-dependent magnetoconductance can be described by a combination of both 1D weak localisation and 1D electron-electron interaction theories with a potential crossover to strong localisation at lower temperatures. We present results from STM-patterned tunnel junctions with gap sizes of 50nm and 17nm exhibiting clean, non-linear characteristics. We also present preliminary conductance results from a 70nm long and 90nm wide dot between source-drain leads which show evidence of Coulomb blockade behaviour. The thesis demonstrates the viability of using STM lithography to make devices in silicon down to atomic-scale dimensions. In particular, we show the enormous potential of this technology to directly correlate images of the doped regions with ex-situ electrical device characteristics.

Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs) sind vielversprechende Kandidaten für neuartige nanoelektronische Bauelemente, wie zum Beispiel Transistoren für Hochfrequenzanwendungen. Simulationen CNT-basierter Bauelemente sind dabei unverzichtbar, um deren Anwendungspotential und das Verhalten in Schaltungen zu untersuchen. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf einen Methodenvergleich zwischen einem atomistischen Ansatz basierend auf dem Nichtgleichgewichts-Green-Funktionen-Formalismus und einem Modell zur numerischen Bauelementesimulation, welches auf der Schrödinger-Gleichung in effektiver-Massen-Näherung basiert. Ein Transistor mit zylindrischem Gate und dotierten Kontakten wird untersucht, wobei eine effektive Dotierung genutzt wird. Es wird gezeigt, dass die Beschränkungen des elektronischen Transports durch Quan- teneffekte im Kanal nur mit dem atomistischen Ansatz beschrieben werden können. Diese Effekte verhindern das Auftreten von Band-zu-Band-Tunnelströmen, die bei der numerischen Bauelementesimulation zu größeren Aus-Strömen und einem leicht ambipolaren Verhalten führen. Das Schaltverhalten wird hingegen von beiden Modellen vergleichbar beschrieben. Durch Variation der Kanallänge wird das Potential des untersuchten Transistors für zukünftige Anwendungen demonstriert. Dieser zeigt bis hinab zu Kanallängen von circa 8 nm einen Subthreshold-Swing von unter 80 mV/dec und ein An/Aus-Verhältnis von über 10⁶.

We present the development of a novel, UHV-compatible device fabrication strategy for the realisation of nano- and atomic-scale devices in silicon by harnessing the atomic-resolution capability of a scanning tunnelling microscope (STM). We develop etched registration markers in the silicon substrate in combination with a custom-designed STM/ molecular beam epitaxy system (MBE) to solve one of the key problems in STM device fabrication ??? connecting devices, fabricated in UHV, to the outside world. Using hydrogen-based STM lithography in combination with phosphine, as a dopant source, and silicon MBE, we then go on to fabricate several planar Si:P devices on one chip, including control devices that demonstrate the efficiency of each stage of the fabrication process. We demonstrate that we can perform four terminal magnetoconductance measurements at cryogenic temperatures after ex-situ alignment of metal contacts to the buried device. Using this process, we demonstrate the lateral confinement of P dopants in a delta-doped plane to a line of width 90nm; and observe the cross-over from 2D to 1D magnetotransport. These measurements enable us to extract the wire width which is in excellent agreement with STM images of the patterned wire. We then create STM-patterned Si:P wires with widths from 90nm to 8nm that show ohmic conduction and low resistivities of 1 to 20 micro Ohm-cm respectively ??? some of the highest conductivity wires reported in silicon. We study the dominant scattering mechanisms in the wires and find that temperature-dependent magnetoconductance can be described by a combination of both 1D weak localisation and 1D electron-electron interaction theories with a potential crossover to strong localisation at lower temperatures. We present results from STM-patterned tunnel junctions with gap sizes of 50nm and 17nm exhibiting clean, non-linear characteristics. We also present preliminary conductance results from a 70nm long and 90nm wide dot between source-drain leads which show evidence of Coulomb blockade behaviour. The thesis demonstrates the viability of using STM lithography to make devices in silicon down to atomic-scale dimensions. In particular, we show the enormous potential of this technology to directly correlate images of the doped regions with ex-situ electrical device characteristics.