Integration of nanomaterials (in the form of quantum dots, nanotubes, nanowires, nanocrystalline thin films, and nanocomposite films) with micromachined devices can lead to improved performance and new functionalities; however, it has to confront many difficult scientific and engineering challenges. Addressing some of these challenges is the overarching goal of this thesis. The first major challenge is to develop versatile methods for synthesizing nanomaterials and integrating them with micromachined structures and devices. An approach that combines spray-coating of electron beam resist, direct-write electron beam lithography, physical vapour deposition of thin films, and lift-off processes was developed for integrating nanomaterials directly on fragile micromachined structures. Polymeric and metallic structures in the form of arrays of holes, arrays of lines, and concentric circles were patterned directly on various micromachined structures including commercial metal-coated silicon microcantilevers used for atomic force microscopy,and commercial plate-mode SiC/AlN microresonators used for sensing. The critical lateral dimensions of the nanostructured materials ranged from 135 nm to 500 nm. Once the practical difficulties of material synthesis and integration have been addressed, it is necessary to confront the challenges of predicting the behaviour, performance, and reliability of the integrated system. As a step towards that goal, this thesis established process-structure-property relationships for three different nanomaterials. The first study focused on the elastic properties of polyimide nanocomposite films reinforced with single-walled carbon nanotubes. Both computational (Eshelby-Mori-Tanaka micromechanics) and experimental (nanoindenter-based bending tests of freestanding nanocomposite films) approaches were utilized to this end. Using results from microstructural examination, a link was found between the elastic properties of the nanocomposite and the dispersion, alignment and bundle size of the single-walled carbon nanotubes. The second study focused on energy dissipation by internal friction in nanofabricated structures. A novel method was developed for measuring internal friction using a silicon microcantilever platform that is calibrated against thermoelastic damping. The use of this method was demonstrated by obtaining the first calibrated measurements of internal friction in aluminium nanowires with thickness ranging from 50 nm to 100 nm and widths ranging from 110 nm to 396 nm. At room temperature, the internal friction in these nanowires ranged from 0.026 to0.035 for frequencies between 6.5 kHz and 21 kHz. Combining these measurements with microstructural examination of the grain size of the nanowires provided useful insights into the effects of patterning on dissipation. The third study explored the relationships between processing parameters and elastic properties for a novel nanocomposite architecture which consists of an interconnected carbon nanotube network that is conformally coated with a thin layer of titanium nitride. Taken together, the contributions of this thesis - processes for patterning and integration, techniques for measuring material properties, and results for process-structure-property relationships - establish a foundation for the rational integration of nanomaterials with MEMS. / L'intégration des nanomatériaux (dans le forme de points quantum, nanotubes, nanofils, minces films nanocristallins et films nanocomposites) avec des dispositifs micro-fabriqués a le potentiel de permettre le développement de systèmes micro électromécaniques (SMEM) ayant des fonctionnalités et performances accrues. Toutefois, plusieurs défis scientifiques et d'ingénierie doivent être surmontés. Cette thèse a comme objectif de résoudre certains de ces défis. Le premier défi majeur est de développer des méthodes versatiles pour synthétiser des nanomatériaux et les intégrer aux dispositifs et structures micro-fabriquées. Une approche qui combine le revêtement par atomisation de résine, la lithographie à écriture-directe par faisceau d'électrons, le dépôt de films minces et des procédés de soulèvement a été développé pour intégrer des nanomatériaux directement sur la fragilité des structures micro-usinées. Des structures polymériques et métalliques de différentes formes (trous, lignes et cercles concentriques) ont été fabriquées directement sur les micro-poutres de silicium commercialement disponibles et utilisées pour la microscopie à force atomique ainsi que des micro-résonateurs commerciaux de type "plate-mode SiC/AlN" utilisés à des fins de détection. Les dimensions critiques latérales des matériaux nanostructurés varient de 135 nm à 500 nm. Une fois que les difficultés pratiques de synthèse et d'intégration des matériaux ont été maîtrisées, il a été nécessaire de comprendre et prédire le comportement, la performance et la fiabilité du système intégré. Cette thèse a établi des relations fabrication-structure-propriétés pour trois différents nanomatériaux. La première étude s'est concentrée sur les propriétés élastiques de films polymériques renforcés de nanotubes de carbone. Les propriétés élastiques de films nanocomposites de polyimide (PI) et renforcés par des nanotubes de carbone à simple paroi (SWNT) ont été étudiées par une étude numérique (via la micromécanique Eshelby-Mori-Tanaka) et expérimentale (par des tests de flexion de films nanocomposites non-contraints basés sur la nanoindentation). En utilisant des résultats d'inspections microstructurales, un lien a été établi entre les propriétés élastiques du nanocomposite et la dispersion, l'alignement et la taille des agglomérats de nanotubes de carbone. La seconde étude s'est concentrée sur la dissipation d'énergie par friction interne dans les structures nano-fabriquées. Une méthode originale a été développée pour mesurer la friction interne en utilisant une plateforme pour des micro-poutres de silicium qui est calibrée en fonction de l'amortissement thermoélastique. L'utilisation de cette méthode a été démontrée en obtenant les premières mesures calibrées de friction interne dans des nanofils d'aluminium ayant des épaisseurs de 50 à 100 nm et des largeurs de 110 nm à 396 nm. À température ambiante, la friction interne de ces nanofils a varié de 0.026 à 0.035 pour des fréquences entre 6.5 kHz et 21 kHz. La combinaison de ces mesures avec une inspection microstructurale de la taille des grains des nanofils a fourni des indices des effets produits par la forme des motifs sur la dissipation. La troisième étude a exploré les relations entre les paramètres de fabrication et les propriétés élastiques pour une architecture nanocomposite originale consistant d'un réseau de nanotubes de carbone interconnecté recouvert d'une mince couche de nitrure de titane. Dans leur ensemble, les contributions de cette thèse - les procédés de fabrication de motifs et d'intégration, les techniques pour mesurer les propriétés des matériaux, et les résultats pour les relations fabrication-structure-propriétés - établissent une fondation pour l'intégration rationnelle des nanomatériaux avec les SMEM.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.110607 |
| Date | January 2012 |
| Creators | Das, Kaushik |
| Contributors | Pascal Hubert (Supervisor2), Srikar Vengallatore (Supervisor1) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Mechanical Engineering) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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