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As wearable technology and wireless sensor nodes become more and more ubiquitous, the batteries required to power them have become more and more unappealing as they limit lifetime and scalability. Energy harvesting from body heat provides a solution to these limitations. Energy can be harvested from body heat using thermoelectric generators, or TEGs. TEGs provide a continuous, scalable, solid-state energy source ideal for wearable and wireless electronics and sensors. Unfortunately, current TEG technology produces low power (< 1 mW) at a very low voltage (20-90 mV) and require the load to be matched to the TEG internal resistance for maximum power transfer to occur. This thesis research proposes a power management integrated circuit (PMIC) that steps up ultralow voltages generated by TEGs to a regulated 3 V, while matching the internal resistance. The proposed boost converter aims to harvest energy from body heat as efficiently and flexibly as possible by providing a regulated 3 V output that can be used by a variable load. A comparator-based burst mode operation affords the converter a high conversion ratio at high efficiency, while fractional open circuit voltage maximum power point tracking ensures that the controller can be used with a variety of TEGs and TEG setups. This control allows the converter to boost input voltages as low as 50 mV, while matching a range of TEG internal source resistances in one stage. The controller was implemented in 0.25 µm CMOS and taped out in February 2016. Since these fabricated chips will not be completed and delivered until May 2016, functionality has only been verified through simulation. Simulation results are promising and indicate that the peak overall efficiency is 81% and peak low voltage, low power efficiency is 73%. These results demonstrate the the proposed converter can achieve overall efficiencies comparable to current literature and low power efficiencies better than similar wide range converters in literature. / Master of Science

Die ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) sagt voraus, dass die fortlaufende Miniaturisierung der Transistoren und Verdrahtungen auch neue Isolationsmaterialien mit äußerst niedrigen (ultralow) Dielektrizitätskonstanten k erfordern wird. Die Miniaturisierung der Bauteile der ULSI (Ultra Large Scale Integration) führt zu starken Anforderungen an die Fertigung der kritischen Bereiche (backend-of-line, BEoL). Die ITRS deutet darauf hin, dass die k-Werte bis zu 2.0 für die 45 nm Technologie reduziert werden müssen, und zu noch niedrigeren k-Werten (k  1.5) für die nachfolgenden Jahre. Ergänzend zur äußerst niedrigen dielektrischen Konstante müssen die Isolatoren auch über entsprechende mechanische Eigenschaften verfügen. Die vorliegende Arbeit stellt Forschungen vor, die das Ziel haben, mittels modernen ab-initio und halbempirischen theoretischen Methoden neuartige Isolationsmaterialien für zukünftige mikroelektronische Anwendungen zu entwerfen. Die umfangreichen eingesetzten Rechenmethoden wurden verwendet, um strukturelle und physikalische (mechanische, dielektrische und elektronische) Eigenschaften von entworfenen Zwischenschichtsdielektrika zu bestimmen. Eine neue Art von Materialien wird vorgestellt, die als ein möglicher Kandidat für isolierende ultralow-k dünne Schichte zwischen Metallleiterbahnen in zukünftigen CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) Technologien fungieren sollen. Die Struktur der neuartigen Materialien wird durch ein Modell beschrieben, das ein geordnetes dreidimensionales Netzwerk (Mosaikstruktur) darstellt. Dies besteht aus drei Hauptkomponenten: Knoten, Kanten und Topologie der Anordnung. Fullerenmoleküle (C60) werden als Knoten des Netzwerkes verwendet. Die Knoten werden durch Verknüpfermoleküle entlang der Kanten der Mosaikzelle angekoppelt. Dies wird durch kovalente Bindungen realisiert. Als Verknüpfermoleküle werden Kohlenwasserstoff- Kettenmoleküle verwendet. Einfache kubische, flächenzentrierte kubische und diamantähnliche Topologien werden für Anordnungen des Netzwerkes betrachtet. Das Innere einer Netzwerkzelle repräsentiert eine Nanopore der Größe in Bereich von 1 nm. Zunächst werden am Beispiel fluorierter Fullerene Probleme der molekularen Polarisierbarkeit untersucht. In Molekülen mit ionischem Beitrag zur Bindung kann der Beitrag der Kernverschiebungen (wegen des äußeren Feldes) zur statischen Polarisierbarkeit entscheidend sein. Mittels der Finite Field Methode wird die Struktur mit und ohne ein endliches äußeres elektrisches Feld optimiert. Dabei wird die Optimierung durch Minimierung der Gesamtenergie durchgeführt und die molekulare Polarisierbarkeit aus dem induzierten Dipolmoment bestimmt. In C60Fn erhöht meistens das Fluorieren die Polarisierbarkeit. Nur für n = 2 und 18, wobei das Molekül ohne ein äußeres Feld ein sehr großes Dipolmoment hat, wird die Polarisierbarkeit verringert. Für große Werte n (n = 20, 36 und 48) wird die Polarisierbarkeit pro zusätzliches Fluoratom wegen Kernverschiebungen deutlich erhöht. Die Modifizierung der Knoten des Netzwerkes wird betrachtet und die Anwendbarkeit des Additivitätsmodells diskutiert. Die Dielektrizitätskonstante des reinen flächenzentrierten kubischen Fullerengitters beträgt etwa 4.4. Die Einführung der Verknüpfermoleküle zwischen benachbarten Fullerenmolekülen und die gleichzeitige Verwendung von auf Kohlenstoffatomen basierten käfigförmigen Molekülen reduziert die Dichte des Materials. Dies ergibt eine beträchtliche Verringerung der makroskopischen Polarisierbarkeit des Materials. Die Struktureinheit, die aus zwei Fullerenmolekülen und einem Kohlenwasserstoff-Verknüpfermolekül besteht, wird mittels quantenchemischer Methoden (DFTB Molekulardynamik) optimiert. Es werden die Dichte der lokalen Dipole und elektronische Effekte betrachtet, um die effektive Dielektrizitätskonstante des Modells abzuschätzen. Die Berechnungen zeigen, dass k-Werte von etwa 1.4 erreicht werden können, wenn C6H12 Kettenmoleküle verwendet werden, um die C60-Moleküle im Netzwerk mit diamantähnlicher Symmetrie zu verknüpfen. Weiterhin werden molekulare Cluster mit angelegten periodischen Randbedingungen für einfache kubische und diamantähnliche Topologien konstruiert. Kombinationen der klassischen und quantentheoretischen Methoden werden eingesetzt, um die Struktur zu optimieren, Kompressionsmodule zu berechnen und die dielektrischen Eigenschaften der fullerenbasierten Materialien zu berechnen. Dies hat das Ziel, ultralow-k Isolatoren mit entsprechenden mechanischen Eigenschaften zu finden. Es wird die kovalente Verknüpfung der C60 Moleküle untersucht und sowohl die Länge und chemische Zusammensetzung des Verknüpfermoleküles als auch die Verknüpfungsgeometrie variiert. Gemäß dem entworfenen Modell werden Strukturen mit einfacher kubischer und diamantähnlicher Topologie des Netzwerkes als vielversprechende Kandidaten betrachtet. Die (statische) Dielektrizitätskonstanten k und Kompressionsmodule B sind für einige vorgeschlagene Materialien im Bereich von k = 1.7 bis 2.2 und beziehungsweise von B = 5 bis 23 GPa. Das Clausius-Mossotti Modell wird zur Bestimmung der Dielektrizitätskonstante der entworfenen Strukturen verwendet. In den nächsten Schritten der Arbeit werden die Wege der Verbesserungen für das vorgeschlagene Modell betrachtet. Es wird analysiert, auf welche Art Verknüpfermoleküle an die Knoten gebunden werden können, um die mechanischen und dielektrischen Eigenschaften der generierten ultralow-k Strukturen zu verbessern. Es gibt zwei mögliche verschiede Arten, die Verknüpfermoleküle &amp;gt; C = C &amp;lt; und &amp;gt; C – CH2 – CH2 – C &amp;lt; an das Käfigmolekül C60 anzukoppeln. Die Berechnungen zeigen, dass es im gegenwärtigen Verbesserungsschritt möglich ist, für die einfache kubische Topologie Eigenschaftskombinationen mit k = 2.2 und B = 33 GPa zu bekommen. In der vorliegenden Arbeit wurde eine theoretische Methode ¬¬– sogenannter molekularer Entwurf – entwickelt und erfolgreich angewandt. Die theoretische Behandlung ist kompliziert, weil Wechselwirkungen im atomaren Skalabereich und auf einem strukturellen Niveau von 1 nm zusammen betrachtet werden müssen. Dies Verfahren erfordert die Anwendung komplementärer theoretischen Methoden, um das gesamte Problem beschreiben zu können. Die Methoden schließen klassische, kontinuierliche theoretische und quantenchemische Näherungen ein. Der Vorteil dieser Methode ist, dass verschiedene mögliche Kandidaten für ultralow-k Dielektrika theoretisch getestet werden können, ohne teure und zeitaufwendige Experimente durchzuführen. / The International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) predicts that continued scaling of devices will require insulating materials with ultralow dielectric constant k. The shrinking of device dimensions of ultra-large-scale integrated (ULSI) chips imposes strong demands on the backend of the line (BEoL) interconnect structures. The ITRS indicates that the k values need to be reduced to 2.0 for the 45 nm technology node or below (k  1.5) in the next few years. Additionally to extremely low dielectric constants, the insulating materials must have also suitable mechanical properties. The work represents research, which is aimed to support molecular design and investigations of modelled novel insulating materials for future application in microelectronics by means of theoretical ab-initio and semiempirical methods. A wide range of computational methods were used to estimate structural and physical (mechanical, dielectrical and electronic) properties of the designed interlayer dielectrics (ILDs). A new class of materials is presented that is supposed to be a potential candidate for isolating ultralow-k thin films between metal on-chip interconnects in future CMOS technology nodes. The structure of the novel materials is described by a model that assumes an ordered three-dimensional network (mosaic structure) consisting of three main components: nodes, edges and topology of arrangement. Fullerene (C60) molecules are used as the nodes of the network. The nodes are connected by linker molecules along the edges of the mosaic cells through a covalent bonding. Hydrocarbon chain molecules are used as the linkers. Simple cubic, face-centred cubic and diamond-like topologies of the network are considered. The interior of a network cell represents a nanopore of a 1-nm scale. At first problems of molecular polarizability are investigated considering the case of fluorinated fullerenes. In molecules with ionic contribution to the binding, the contribution of nuclear displacements (due to the external field) to the static polarizability can be decisive. Using the finite field method, the structure is optimized with and without a finite external electric field by a total energy minimization and the polarizability is calculated from the induced dipole moment. In C60Fn, fluorination mostly increases the molecular polarizability. Only for n = 2 and 18, where the molecule without an external field has a very large dipole moment, fluorination does decrease it. For large n (n = 20, 36, and 48), the polarizability per added F atom due to nuclear displacements is increased by a factor of about 2. The modification of the nodes of the network is considered and the validity of the additivity model is discussed. The dielectric constant of the pure fullerene face-centred cubic lattice is about 4.4. The introduction of bridge molecules between neighbouring fullerene molecules and the simultaneous usage of cage-like molecules based on carbon atoms reduces the density of the material. This results in a considerable decrease of the macroscopic polarizability of the material. The structural units of the models consisting of two fullerenes and a hydrocarbon bridge molecule are optimized by means of quantum chemical methods (DFTB molecular dynamics). The density of local dipoles and electronic effects are considered to estimate the effective dielectric constant of the models. It is shown that k values of about 1.4 can be obtained if C6H12 chain molecules are used to connect C60 molecules on a network with diamond-like symmetry. Further, molecular clusters with applied periodic boundary conditions are constructed for simple cubic and diamond-like topologies. Combinations of classical and quantum-theoretical approaches are used to optimize the structure, to calculate bulk moduli, and for the assessment of the dielectric properties of fullerene-based materials with the goal to find ultralow-k insulators with suitable mechanical properties. The covalent linking of C60 molecules is studied and the length and chemical composition of the linker molecule as well as the linkage geometry is varied. According to the molecular design-based model, structures with simple cubic and diamond-like topology of the network are proposed as promising candidates. The (static) dielectric constants k and elastic bulk moduli B of the proposed materials are in the range of k = 1.7 to 2.2 and B = 5 to 23 GPa, respectively. The Clausius-Mossotti-Model is used to estimate dielectric constants of the designed structures. In the next steps of the work the ways of improvements for the proposed model are considered. The way to connect linker molecules to the node molecules is analyzed, in order to improve the mechanical and dielectric properties of the generated ultralow-k structures. Two different types of bonding linker molecules to the cage C60 molecule with the &amp;gt; C = C &amp;lt; and &amp;gt; C – CH2 – CH2 – C &amp;lt; linker molecules are possible. It is shown that at the present improvement step it is possible to get property combinations with dielectric constant of k = 2.2 and bulk modulus of B = 33 GPa for the simple cubic topology. In this work a theoretical method called molecular design is developed and successfully applied. The theoretical treatment is difficult since interactions both on the atomic scale and on the structural level of 1 nm must be considered. This approach requires the application of complementary theoretical methods to describe the complex problems. The methods include classical, continuum theoretical and quantum-chemical approximations. The advantage of the present approach is that various possible candidates for ultralow-k dielectrics can be tested theoretically without performing expensive and time-consuming experiments.

Die ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) sagt voraus, dass die fortlaufende Miniaturisierung der Transistoren und Verdrahtungen auch neue Isolationsmaterialien mit äußerst niedrigen (ultralow) Dielektrizitätskonstanten k erfordern wird. Die Miniaturisierung der Bauteile der ULSI (Ultra Large Scale Integration) führt zu starken Anforderungen an die Fertigung der kritischen Bereiche (backend-of-line, BEoL). Die ITRS deutet darauf hin, dass die k-Werte bis zu 2.0 für die 45 nm Technologie reduziert werden müssen, und zu noch niedrigeren k-Werten (k  1.5) für die nachfolgenden Jahre. Ergänzend zur äußerst niedrigen dielektrischen Konstante müssen die Isolatoren auch über entsprechende mechanische Eigenschaften verfügen. Die vorliegende Arbeit stellt Forschungen vor, die das Ziel haben, mittels modernen ab-initio und halbempirischen theoretischen Methoden neuartige Isolationsmaterialien für zukünftige mikroelektronische Anwendungen zu entwerfen. Die umfangreichen eingesetzten Rechenmethoden wurden verwendet, um strukturelle und physikalische (mechanische, dielektrische und elektronische) Eigenschaften von entworfenen Zwischenschichtsdielektrika zu bestimmen. Eine neue Art von Materialien wird vorgestellt, die als ein möglicher Kandidat für isolierende ultralow-k dünne Schichte zwischen Metallleiterbahnen in zukünftigen CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) Technologien fungieren sollen. Die Struktur der neuartigen Materialien wird durch ein Modell beschrieben, das ein geordnetes dreidimensionales Netzwerk (Mosaikstruktur) darstellt. Dies besteht aus drei Hauptkomponenten: Knoten, Kanten und Topologie der Anordnung. Fullerenmoleküle (C60) werden als Knoten des Netzwerkes verwendet. Die Knoten werden durch Verknüpfermoleküle entlang der Kanten der Mosaikzelle angekoppelt. Dies wird durch kovalente Bindungen realisiert. Als Verknüpfermoleküle werden Kohlenwasserstoff- Kettenmoleküle verwendet. Einfache kubische, flächenzentrierte kubische und diamantähnliche Topologien werden für Anordnungen des Netzwerkes betrachtet. Das Innere einer Netzwerkzelle repräsentiert eine Nanopore der Größe in Bereich von 1 nm. Zunächst werden am Beispiel fluorierter Fullerene Probleme der molekularen Polarisierbarkeit untersucht. In Molekülen mit ionischem Beitrag zur Bindung kann der Beitrag der Kernverschiebungen (wegen des äußeren Feldes) zur statischen Polarisierbarkeit entscheidend sein. Mittels der Finite Field Methode wird die Struktur mit und ohne ein endliches äußeres elektrisches Feld optimiert. Dabei wird die Optimierung durch Minimierung der Gesamtenergie durchgeführt und die molekulare Polarisierbarkeit aus dem induzierten Dipolmoment bestimmt. In C60Fn erhöht meistens das Fluorieren die Polarisierbarkeit. Nur für n = 2 und 18, wobei das Molekül ohne ein äußeres Feld ein sehr großes Dipolmoment hat, wird die Polarisierbarkeit verringert. Für große Werte n (n = 20, 36 und 48) wird die Polarisierbarkeit pro zusätzliches Fluoratom wegen Kernverschiebungen deutlich erhöht. Die Modifizierung der Knoten des Netzwerkes wird betrachtet und die Anwendbarkeit des Additivitätsmodells diskutiert. Die Dielektrizitätskonstante des reinen flächenzentrierten kubischen Fullerengitters beträgt etwa 4.4. Die Einführung der Verknüpfermoleküle zwischen benachbarten Fullerenmolekülen und die gleichzeitige Verwendung von auf Kohlenstoffatomen basierten käfigförmigen Molekülen reduziert die Dichte des Materials. Dies ergibt eine beträchtliche Verringerung der makroskopischen Polarisierbarkeit des Materials. Die Struktureinheit, die aus zwei Fullerenmolekülen und einem Kohlenwasserstoff-Verknüpfermolekül besteht, wird mittels quantenchemischer Methoden (DFTB Molekulardynamik) optimiert. Es werden die Dichte der lokalen Dipole und elektronische Effekte betrachtet, um die effektive Dielektrizitätskonstante des Modells abzuschätzen. Die Berechnungen zeigen, dass k-Werte von etwa 1.4 erreicht werden können, wenn C6H12 Kettenmoleküle verwendet werden, um die C60-Moleküle im Netzwerk mit diamantähnlicher Symmetrie zu verknüpfen. Weiterhin werden molekulare Cluster mit angelegten periodischen Randbedingungen für einfache kubische und diamantähnliche Topologien konstruiert. Kombinationen der klassischen und quantentheoretischen Methoden werden eingesetzt, um die Struktur zu optimieren, Kompressionsmodule zu berechnen und die dielektrischen Eigenschaften der fullerenbasierten Materialien zu berechnen. Dies hat das Ziel, ultralow-k Isolatoren mit entsprechenden mechanischen Eigenschaften zu finden. Es wird die kovalente Verknüpfung der C60 Moleküle untersucht und sowohl die Länge und chemische Zusammensetzung des Verknüpfermoleküles als auch die Verknüpfungsgeometrie variiert. Gemäß dem entworfenen Modell werden Strukturen mit einfacher kubischer und diamantähnlicher Topologie des Netzwerkes als vielversprechende Kandidaten betrachtet. Die (statische) Dielektrizitätskonstanten k und Kompressionsmodule B sind für einige vorgeschlagene Materialien im Bereich von k = 1.7 bis 2.2 und beziehungsweise von B = 5 bis 23 GPa. Das Clausius-Mossotti Modell wird zur Bestimmung der Dielektrizitätskonstante der entworfenen Strukturen verwendet. In den nächsten Schritten der Arbeit werden die Wege der Verbesserungen für das vorgeschlagene Modell betrachtet. Es wird analysiert, auf welche Art Verknüpfermoleküle an die Knoten gebunden werden können, um die mechanischen und dielektrischen Eigenschaften der generierten ultralow-k Strukturen zu verbessern. Es gibt zwei mögliche verschiede Arten, die Verknüpfermoleküle &amp;gt; C = C &amp;lt; und &amp;gt; C – CH2 – CH2 – C &amp;lt; an das Käfigmolekül C60 anzukoppeln. Die Berechnungen zeigen, dass es im gegenwärtigen Verbesserungsschritt möglich ist, für die einfache kubische Topologie Eigenschaftskombinationen mit k = 2.2 und B = 33 GPa zu bekommen. In der vorliegenden Arbeit wurde eine theoretische Methode ¬¬– sogenannter molekularer Entwurf – entwickelt und erfolgreich angewandt. Die theoretische Behandlung ist kompliziert, weil Wechselwirkungen im atomaren Skalabereich und auf einem strukturellen Niveau von 1 nm zusammen betrachtet werden müssen. Dies Verfahren erfordert die Anwendung komplementärer theoretischen Methoden, um das gesamte Problem beschreiben zu können. Die Methoden schließen klassische, kontinuierliche theoretische und quantenchemische Näherungen ein. Der Vorteil dieser Methode ist, dass verschiedene mögliche Kandidaten für ultralow-k Dielektrika theoretisch getestet werden können, ohne teure und zeitaufwendige Experimente durchzuführen. / The International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) predicts that continued scaling of devices will require insulating materials with ultralow dielectric constant k. The shrinking of device dimensions of ultra-large-scale integrated (ULSI) chips imposes strong demands on the backend of the line (BEoL) interconnect structures. The ITRS indicates that the k values need to be reduced to 2.0 for the 45 nm technology node or below (k  1.5) in the next few years. Additionally to extremely low dielectric constants, the insulating materials must have also suitable mechanical properties. The work represents research, which is aimed to support molecular design and investigations of modelled novel insulating materials for future application in microelectronics by means of theoretical ab-initio and semiempirical methods. A wide range of computational methods were used to estimate structural and physical (mechanical, dielectrical and electronic) properties of the designed interlayer dielectrics (ILDs). A new class of materials is presented that is supposed to be a potential candidate for isolating ultralow-k thin films between metal on-chip interconnects in future CMOS technology nodes. The structure of the novel materials is described by a model that assumes an ordered three-dimensional network (mosaic structure) consisting of three main components: nodes, edges and topology of arrangement. Fullerene (C60) molecules are used as the nodes of the network. The nodes are connected by linker molecules along the edges of the mosaic cells through a covalent bonding. Hydrocarbon chain molecules are used as the linkers. Simple cubic, face-centred cubic and diamond-like topologies of the network are considered. The interior of a network cell represents a nanopore of a 1-nm scale. At first problems of molecular polarizability are investigated considering the case of fluorinated fullerenes. In molecules with ionic contribution to the binding, the contribution of nuclear displacements (due to the external field) to the static polarizability can be decisive. Using the finite field method, the structure is optimized with and without a finite external electric field by a total energy minimization and the polarizability is calculated from the induced dipole moment. In C60Fn, fluorination mostly increases the molecular polarizability. Only for n = 2 and 18, where the molecule without an external field has a very large dipole moment, fluorination does decrease it. For large n (n = 20, 36, and 48), the polarizability per added F atom due to nuclear displacements is increased by a factor of about 2. The modification of the nodes of the network is considered and the validity of the additivity model is discussed. The dielectric constant of the pure fullerene face-centred cubic lattice is about 4.4. The introduction of bridge molecules between neighbouring fullerene molecules and the simultaneous usage of cage-like molecules based on carbon atoms reduces the density of the material. This results in a considerable decrease of the macroscopic polarizability of the material. The structural units of the models consisting of two fullerenes and a hydrocarbon bridge molecule are optimized by means of quantum chemical methods (DFTB molecular dynamics). The density of local dipoles and electronic effects are considered to estimate the effective dielectric constant of the models. It is shown that k values of about 1.4 can be obtained if C6H12 chain molecules are used to connect C60 molecules on a network with diamond-like symmetry. Further, molecular clusters with applied periodic boundary conditions are constructed for simple cubic and diamond-like topologies. Combinations of classical and quantum-theoretical approaches are used to optimize the structure, to calculate bulk moduli, and for the assessment of the dielectric properties of fullerene-based materials with the goal to find ultralow-k insulators with suitable mechanical properties. The covalent linking of C60 molecules is studied and the length and chemical composition of the linker molecule as well as the linkage geometry is varied. According to the molecular design-based model, structures with simple cubic and diamond-like topology of the network are proposed as promising candidates. The (static) dielectric constants k and elastic bulk moduli B of the proposed materials are in the range of k = 1.7 to 2.2 and B = 5 to 23 GPa, respectively. The Clausius-Mossotti-Model is used to estimate dielectric constants of the designed structures. In the next steps of the work the ways of improvements for the proposed model are considered. The way to connect linker molecules to the node molecules is analyzed, in order to improve the mechanical and dielectric properties of the generated ultralow-k structures. Two different types of bonding linker molecules to the cage C60 molecule with the &amp;gt; C = C &amp;lt; and &amp;gt; C – CH2 – CH2 – C &amp;lt; linker molecules are possible. It is shown that at the present improvement step it is possible to get property combinations with dielectric constant of k = 2.2 and bulk modulus of B = 33 GPa for the simple cubic topology. In this work a theoretical method called molecular design is developed and successfully applied. The theoretical treatment is difficult since interactions both on the atomic scale and on the structural level of 1 nm must be considered. This approach requires the application of complementary theoretical methods to describe the complex problems. The methods include classical, continuum theoretical and quantum-chemical approximations. The advantage of the present approach is that various possible candidates for ultralow-k dielectrics can be tested theoretically without performing expensive and time-consuming experiments.

Orogenic gold deposits occur within metamorphic belts throughout the world and have through time represented the source for over 25% of the world’s gold production. Although orogenic gold deposits are of great economic importance, controversies exist on the subject of fluid and metal sources and there have been few studies of gold´s distribution and mobility outside of large economic deposits. Research made by Pitcairn et al. (2006), on the Mesozoic Otago and Alpine schists of New Zealand, observed systematic depletion of Au and a suite of 6 associated elements with increasing metamorphic grade. This depletion was identical to the suite of elements enriched in the Otago gold deposits and provided strong evidence that orogenic gold deposits form due to metamorphic processes. The mobilization of metals was attributed to the recrystallization of sulfide minerals during prograde metamorphism causing dehydration and release of metal-rich metamorphic fluids.  This thesis is part of a larger project aimed at testing the “Otago model” in a classic metamorphic terrain: The Dalradian metamorphic belt of Scotland. Rocks in the study are from the southern higlands group and the Appin and Argyll group which range in metamorphic grade from chlorite zone greenschist facies to sillimanite zone amphibolite facies. Three main aspects, which supplement earlier research, are addressed in this study: 1) Investigation of the sulfide paragenesis at Loch Lomond and Stonehaven was carried out to map the evolution of sulfides with metamorphic grade and the possible relations to the distribution of gold. Using SEM scanning to quantify the abundance of different sulfide minerals together with previous data on the Glen Esk region, a complex sulfide evolution pattern for the Dalradian Supergroup is identified. The sulfide evolution describes the same changes in texture and chemistry as observed in the Otago Schists but is made complex by the difference in geological evolution for the different regions. 2) Reinvestigation of the higher grade zones of Glen Esk (staurolite to sillimanite) was carried out as samples from the previous study were very weathered. Results from ultralow detection limit methods (HG-AFS and a gold detection method developed by Pitcairn et al. 2006) showed significant systematic depletion of Au and As with metamorphic grade. From chlorite to sillimanite zone average values of Au and As were showed to decrease by 65% and 88% respectively. Furthermore, a suite of 10 major and 12 trace elements were analyzed using ICP methods showing no trends of systematic depletion with increased metamorphic grade.  3) Investigation of Pb-Ag Veining and vein samples from each of the metamorphic index mineral zones in the Glen Esk area was carried out to identify fluid composition and ore mineralogy. Using microthermometry and Raman laser spectroscopy two distinct fluids were identified. The first type is a H2O-CO2-N2-salt fluid of low salinity (0-15 weight percent NaCl equivalent) and medium temperature (150 to 250 °C) locally containing minor amounts of CH4. It is found in the veins from the mineral index zones of Glen Esk and was formed in the ductile regime most likely related to late stage metamorphic devolatilization released during Caledonian uplift of the Dalradian. Pb-Ag veins from the locality of Hardhill host the second fluid type which was formed in the brittle regime  accompanied by brecciation as a high salinity (15 to 20 weight percent NaCl equivalent) low temperature (70-140°C) H2O-salt fluid with calcic composition was precipitated. This fluid bears much resemblance to Carboniferous calcic brines responsible for economic base-metal precipitation with widespread occurrence in southwest Scotland and Northern Ireland. Results of this thesis show many similarities with the Otago study, with a connection between metal mobility and metamorphic grade, providing support for the dehydration model as a viable mechanism for the generation of orogenic gold deposits.

abstract: This research investigates Earth structure in the core-mantle boundary (CMB) region, where the solid rocky mantle meets the molten iron alloy core. At long wavelengths, the lower mantle is characterized by two nearly antipodal large low shear velocity provinces (LLSVPs), one beneath the Pacific Ocean the other beneath Africa and the southern Atlantic Ocean. However, fine-scale LLSVP structure as well as its relationship with plate tectonics, mantle convection, hotspot volcanism, and Earth's outer core remains poorly understood. The recent dramatic increase in seismic data coverage due to the EarthScope experiment presents an unprecedented opportunity to utilize large concentrated datasets of seismic data to improve resolution of lowermost mantle structures. I developed an algorithm that identifies anomalously broadened seismic waveforms to locate sharp contrasts in shear velocity properties across the margins of the LLSVP beneath the Pacific. The result suggests that a nearly vertical mantle plume underlies Hawaii that originates from a peak of a chemically distinct reservoir at the base of the mantle, some 600-900 km above the CMB. Additionally, acute horizontal Vs variations across and within the northern margin of the LLSVP beneath the central Pacific Ocean are inferred from forward modeling of differential travel times between S (and Sdiff) and SKS, and also between ScS and S. I developed a new approach to expand the geographic detection of ultra-low velocity zones (ULVZs) with a new ScS stacking approach that simultaneously utilizes the pre- and post-cursor wavefield.. Strong lateral variations in ULVZ thicknesses and properties are found across the LLSVP margins, where ULVZs are thicker and stronger within the LLSVP than outside of it, consistent with convection model predictions. Differential travel times, amplitude ratios, and waveshapes of core waves SKKS and SKS are used to investigate CMB topography and outermost core velocity structure. 1D and 2D wavefield simulations suggest that the complicated geographic distribution of observed SKKS waveform anomalies might be a result of CMB topography and a higher velocity outermost core. These combined analyses depict a lowermost mantle that is rich in fine-scale structural complexity, which advances our understanding of its integral role in mantle circulation, mixing, and evolution. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Geological Sciences 2012

<div>The development of novel passive techniques for vibration attenuation and control of broadband energy propagation through structural systems have been a major challenge in various complex engineering applications. These passive attenuation and control methodologies are necessary for the efficient performance of advanced lightweight aerospace and mechanical systems operating under extreme working conditions.</div><div><br></div><div>Acoustic Black Holes (ABH) have rapidly emerged as an effective approach to either dissipate or harvest mechanical energy in vibrating thin-walled structures. The characteristic dimension of an ABH, typically its diameter, is strictly connected to the occurrence of a cut-on frequency value below which the ABH is ineffective in absorbing the incoming wave. From a general perspective, lower the cut-on frequency, larger the ABH diameter needed to absorb the incoming wave. Design and manufacturing constraints of the host structure impose stringent limitations on the maximum ABH diameter and hence, limiting the lowest achievable cut-on frequency. The combination of these factors typically result in the poor energy extraction performance at low frequencies.</div><div><br></div><div>This thesis proposes the concept and explores the performance of an intentional nonlocal design for periodic grids of ABHs embedded in thin plates (referred to as ABH metastructures). The nonlocal design is conceived with the twofold objective of lowering the cut-on frequency of the ABH grids and extending the operating frequency range so as to achieve broadband performance. Different nonlocal designs are presented and their dynamic performances are investigated using numerical models. As opposed to the traditional material nonlocality, this thesis introduces nonlocal effects using an intentionally tailored geometric approach. A secondary layer is connected to the load-bearing ABH metastructure base, whose dynamic properties are sought to be controlled.</div><div><br></div><div>A semi-analytical model is also presented in order to characterize the role of nonlocality on the dispersion behavior and its effect on the broadband dynamic response. In linear elasticity, material nonlocality is mathematically represented by a spatially varying attenuation function. As the nonlocal model developed in this thesis follows geometric nonlocality approach, the required nonlocal attenuation factor is found to have a spatial as well as a temporal dependence. The analytical nonlocal constitutive relations in conjunction with the numerically obtained stress-strain parameters are used to identify the dynamic attenuation factor for the nonlocal ABH metastructure. The results provide substantial theoretical and numerical evidence of the potential of engineered nonlocal ABH design as an efficient ultra-low frequency passive attenuation technique for lightweight structures.</div>

The Internet of Bodies (IoB) is a wireless network of on-body or in-body commu- nication formed by wearable, ingestible, injectable, and implantable smart devices. The vast majority of on-body communications, is typically required to be within <5 cm vicinity of the human body. The radiative nature of currently used RF devices leads to wasted energy that is radiated in unneeded off-body directions. Consequently, it degrades energy efficiency, introduces co-existence and interference problems, and imposes security threats on sensitive data. As an alternative, the capacitive body channel communication (BCC) couples the signal (between 10 kHz-100 MHZ) to the human body, which is more conductive than air. Hence, it provides lower loss, bet- ter privacy and confidentiality, and nJ/bit to pJ/bit energy efficiency. Accordingly, our work investigates orthogonal and non-orthogonal capacitive body channel access schemes for ultralow-power IoB networks with or without cooperation. We derive the closed-form optimal power allocation for uplink and downlink transmissions and the maximum number of IoB nodes satisfying a reliable and feasible network for non- cooperative schemes. The cooperative schemes necessitate joint optimization of both power and phase time allocations. We achieve this by using the Golden-Section search algorithm to minimize the power consumption in both phases.

Dans ce travail, nous étudions théoriquement et expérimentalement le couplage entre une nanoparticule unique de différentes natures, comme fluorescente, non-linéaire, plasmonique, etc., et une structure photonique en matériau polymère. Dans un premier temps, nous avons optimisé la méthode dite écriture directe par laser par absorption à un photon pour réaliser des structures photoniques de bonne qualité à la demande. Ensuite, nous avons également exploité l'effet thermique induit par le laser d’excitation continue, pour simplifier la méthode de fabrication LOPA et améliorer les structures fabriquées. Puis nous avons introduit de façon précise une seule nanoparticule unique à un endroit désiré dans la structure photonique. Le couplage nanoparticule/structure photonique a été réalisé par le même système optique. Ce couplage a été démontré par une augmentation du nombre de photon émis par la nanoparticule fluorescente et par une forte amélioration du signal de génération de seconde harmonique. Parallèlement, nous avons effectué des calculs numériques par la méthode FDTD pour prédire les propriétés optiques intéressantes des structures photoniques et pour confirmer les résultats expérimentaux. / In this study, we investigate theoretically and experimentally the nanoparticles/photonic structures coupling. In detail, the work focuses on the elaboration and applications of structured polymer materials, as well as the manipulation of optical properties of various kinds of nano-objects such as gold nanoparticles, magnetic and nonlinear nanoparticles, etc. The coupling of each kind of nanoparticles addresses a specific goal. In order to conduct research, we first build and test an optical confocal setup, which allows us to both image and fabricate nanostructures at a sub-lambda resolution. Besides, we propose a method exploiting the thermal effect caused by a continuous-wave laser source to optimize 2D and 3D structures realized by low one-photon absorption (LOPA)-based direct laser writing (DLW). Then by using this technique, we are capable of precisely determining the position and embedding various kinds of nanoparticles (gold nanoparticles, nonlinear nanoparticles, and magnetic nanoparticles) into arbitrary polymeric photonic structures. The characterization of the fabricated structures is carried out using the same confocal setup. We demonstrate a good enhancement of the optical properties of the nanoparticles embedded inside photonic structures. We also perform numerical calculations by using a FDTD method to confirm the experimental results.