Functional surface chemistry of carbon-based nanostructures

The recently discovered abilities to synthesize single-walled carbon nanotubes and prepare single layer graphene have spurred interest in these sp2-bonded carbon nanostructures. In particular, studies of their potential use in electronic devices are many as silicon integrated circuits are encountering processing limitations, quantum effects, and thermal management issues due to rapid device scaling. Nanotube and graphene implementation in devices does come with significant hurdles itself. Among these issues are the ability to dope these materials and understanding what influences defects have on expected properties. Because these nanostructures are entirely all-surface, with every atom exposed to ambient, introduction of defects and doping by chemical means is expected to be an effective route for addressing these issues. Raman spectroscopy has been a proven characterization method for understanding vibrational and even electronic structure of graphene, nanotubes, and graphite, especially when combined with electrical measurements, due to a wealth of information contained in each spectrum. In Chapter 1, a discussion of the electronic structure of graphene is presented. This outlines the foundation for all sp2-bonded carbon electronic properties and is easily extended to carbon nanotubes. Motivation for why these materials are of interest is readily gained. Chapter 2 presents various synthesis/preparation methods for both nanotubes and graphene, discusses fabrication techniques for making devices, and describes characterization methods such as electrical measurements as well as static and time-resolved Raman spectroscopy. Chapter 3 outlines changes in the Raman spectra of individual metallic single-walled carbon nantoubes (SWNTs) upon sidewall covalent bond formation. It is observed that the initial degree of disorder has a strong influence on covalent sidewall functionalization which has implications on developing electronically selective covalent chemistries and assessing their selectivity in separating metallic and semiconducting SWNTs. Chapter 4 describes how optical phonon population extinction lifetime is affected by covalent functionalization and doping and includes discussions on static Raman linewidths. Increasing defect concentration is shown to decrease G-band phonon population lifetime and increase G-band linewidth. Doping only increases G-band linewidth, leaving non-equilibrium population decay rate unaffected. Phonon mediated electron scattering is especially strong in nanotubes making optical phonon decay of interest for device applications. Optical phonon decay also has implications on device thermal management. Chapter 5 treats doping of graphene showing ambient air can lead to inadvertent Fermi level shifts which exemplifies the sensitivity that sp2-bonded carbon nanostructures have to chemical doping through sidewall adsorption. Removal of this doping allows for an investigation of electron-phonon coupling dependence on temperature, also of interest for devices operating above room temperature. Finally, in Chapter 6, utilizing the information obtained in previous chapters, single carbon nanotube diodes are fabricated and characterized. Electrical performance shows these diodes are nearly ideal and photovoltaic response yields 1.4 nA and 205 mV of short circuit current and open circuit voltage from a single nanotube device. A summary and discussion of future directions in Chapter 7 concludes my work.

Heat dissipation from carbon nano-electronics

The incorporation of graphitic compounds such as carbon nanotubes (CNTs) and graphene into nano-electronic device packaging holds much promise for waste heat management given their high thermal conductivities. However, as these graphitic materials must be used in together with other semiconductor/insulator materials, it is not known how thermal transport is affected by the interaction. Using different simulation techniques, in this thesis, we evaluate the thermal transport properties - thermal boundary conductance (TBC) and thermal conductivity - of CNTs and single-layer graphene in contact with an amorphous SiO2 (a-SiO2) substrate. First, the theoretical methodologies and concepts used in our simulations are presented. In particular, two concepts are described in detail as they are necessary for the understanding of the subsequent chapters. The first is the linear response Green-Kubo (GK) theory of thermal boundary conductance (TBC), which we develop in this thesis, and the second is the spectral energy density method, which we use to directly compute the phonon lifetimes and thermal transport coefficients. After we set the conceptual foundations, the TBC of the CNT-SiO2 interface is computed using non- equilibrium molecular dynamics (MD) simulations and the new Green-Kubo method that we have developed. Its dependence on temperature, the strength of the interaction with the substrate, and tube diameter are evaluated. To gain further insight into the phonon dynamics in supported CNTs, the scattering rates are computed using the spectral energy density (SED) method. With this method, we are able to distinguish the different scattering mechanisms (boundary and CNT-substrate phonon-phonon) and rates. The phonon lifetimes in supported CNTs are found to be reduced by contact with the substrate and we use that lifetime reduction to determine the change in CNT thermal conductivity. Next, we examine thermal transport in graphene supported on SiO2. The phonon contribution to the TBC of the graphene-SiO2 interface is computed from MD simulations and found to agree well with experimentally measured values. We derive the theory of remote phonon scattering of graphene electrons and compute the heat transfer coefficient dependence on doping level and temperature. The thermal boundary conductance from remote phonon scattering is found to be an order of magnitude smaller than that of the phonon contribution. The in-plane thermal conductivity of supported graphene is calculated from MD simulations. The experimentally measured order of magnitude reduction in thermal conductivity is reproduced in our simulations. We show that this reduction is due to the damping of the flexural (ZA) modes. By varying the interaction between graphene and the substrate, the ZA modes hybridize with the substrate Rayleigh modes and the dispersion of the hybridized modes is found to linearize in the strong coupling limit, leading to an increased thermal conductance in the composite structure.

Fully Anisotropic Solution of the Three Dimensional Boltzmann Transport Equation

The development of accurate modeling techniques for nanoscale thermal transport is an active area of research. Modern day nanoscale devices have length scales of tens of nanometers and are prone to overheating, which reduces device performance and lifetime. Therefore, accurate temperature profiles are needed to predict the reliability of nanoscale devices. The majority of models that appear in the literature obtain temperature profiles through the solution of the Boltzmann transport equation (BTE). These models often make simplifying assumptions about the nature of the quantized energy carriers (phonons). Additionally, most previous work has focused on simulation of planar two dimensional structures. This thesis presents a method which captures the full anisotropy of the Brillouin zone within a three dimensional solution to the BTE. The anisotropy of the Brillouin zone is captured by solving the BTE for all vibrational modes allowed by the Born Von-Karman boundary conditions.

Modeling and analysis of thermoelectric energy conversion efficiency in nanostructures.

116 p.

Fonctionnalisation covalente de monocouches et bicouches de graphène

Le graphène est une nanostructure de carbone hybridé sp2 dont les propriétés électroniques et optiques en font un matériau novateur avec un très large potentiel d’application. Cependant, la production à large échelle de ce matériau reste encore un défi et de nombreuses propriétés physiques et chimiques doivent être étudiées plus en profondeur pour mieux les exploiter. La fonctionnalisation covalente est une réaction chimique qui a un impact important dans l’étude de ces propriétés, car celle-ci a pour conséquence une perte de la structure cristalline des carbones sp2. Néanmoins, la réaction a été très peu explorée pour ce qui est du graphène déposé sur des surfaces, car la réactivité chimique de ce dernier est grandement dépendante de l’environnement chimique. Il est donc important d’étudier la fonctionnalisation de ce type de graphène pour bien comprendre à la fois la réactivité chimique et la modification des propriétés électroniques et optiques pour pouvoir exploiter les retombées. D’un autre côté, les bicouches de graphène sont connues pour avoir des propriétés très différentes comparées à la monocouche à cause d’un empilement des structures électroniques, mais la croissance contrôlée de ceux-ci est encore très difficile, car la cinétique de croissance n’est pas encore maîtrisée. Ainsi, ce mémoire de maîtrise va porter sur l’étude de la réactivité chimique du graphène à la fonctionnalisation covalente et de l’étude des propriétés optiques du graphène. Dans un premier temps, nous avons effectué des croissances de graphène en utilisant la technique de dépôt chimique en phase vapeur. Après avoir réussi à obtenir du graphène monocouche, nous faisons varier les paramètres de croissance et nous nous rendons compte que les bicouches apparaissent lorsque le gaz carboné nécessaire à la croissance reste présent durant l’étape de refroidissement. À partir de cette observation, nous proposons un modèle cinétique de croissance des bicouches. Ensuite, nous effectuons une étude approfondie de la fonctionnalisation du graphène monocouche et bicouche. Tout d’abord, nous démontrons qu’il y a une interaction avec le substrat qui inhibe grandement le greffage covalent sur la surface du graphène. Cet effet peut cependant être contré de plusieurs façons différentes : 1) en dopant chimiquement le graphène avec des molécules réductrices, il est possible de modifier le potentiel électrochimique afin de favoriser la réaction; 2) en utilisant un substrat affectant peu les propriétés électroniques du graphène; 3) en utilisant la méthode d’électrogreffage avec une cellule électrochimique, car elle permet une modulation contrôlée du potentiel électrochimique du graphène. De plus, nous nous rendons compte que la réactivité chimique des bicouches est moindre dû à la rigidité de structure due à l’interaction entre les couches. En dernier lieu, nous démontrons la pertinence de la spectroscopie infrarouge pour étudier l’effet de la fonctionnalisation et l’effet des bicouches sur les propriétés optiques du graphène. Nous réussissons à observer des bandes du graphène bicouche dans la région du moyen infrarouge qui dépendent du dopage. Normalement interdites selon les règles de sélection pour la monocouche, ces bandes apparaissent néanmoins lorsque fonctionnalisée et changent grandement en amplitude dépendamment des niveaux de dopage et de fonctionnalisation.

Fonctionnalisation covalente de monocouches et bicouches de graphène

Le graphène est une nanostructure de carbone hybridé sp2 dont les propriétés électroniques et optiques en font un matériau novateur avec un très large potentiel d’application. Cependant, la production à large échelle de ce matériau reste encore un défi et de nombreuses propriétés physiques et chimiques doivent être étudiées plus en profondeur pour mieux les exploiter. La fonctionnalisation covalente est une réaction chimique qui a un impact important dans l’étude de ces propriétés, car celle-ci a pour conséquence une perte de la structure cristalline des carbones sp2. Néanmoins, la réaction a été très peu explorée pour ce qui est du graphène déposé sur des surfaces, car la réactivité chimique de ce dernier est grandement dépendante de l’environnement chimique. Il est donc important d’étudier la fonctionnalisation de ce type de graphène pour bien comprendre à la fois la réactivité chimique et la modification des propriétés électroniques et optiques pour pouvoir exploiter les retombées. D’un autre côté, les bicouches de graphène sont connues pour avoir des propriétés très différentes comparées à la monocouche à cause d’un empilement des structures électroniques, mais la croissance contrôlée de ceux-ci est encore très difficile, car la cinétique de croissance n’est pas encore maîtrisée. Ainsi, ce mémoire de maîtrise va porter sur l’étude de la réactivité chimique du graphène à la fonctionnalisation covalente et de l’étude des propriétés optiques du graphène. Dans un premier temps, nous avons effectué des croissances de graphène en utilisant la technique de dépôt chimique en phase vapeur. Après avoir réussi à obtenir du graphène monocouche, nous faisons varier les paramètres de croissance et nous nous rendons compte que les bicouches apparaissent lorsque le gaz carboné nécessaire à la croissance reste présent durant l’étape de refroidissement. À partir de cette observation, nous proposons un modèle cinétique de croissance des bicouches. Ensuite, nous effectuons une étude approfondie de la fonctionnalisation du graphène monocouche et bicouche. Tout d’abord, nous démontrons qu’il y a une interaction avec le substrat qui inhibe grandement le greffage covalent sur la surface du graphène. Cet effet peut cependant être contré de plusieurs façons différentes : 1) en dopant chimiquement le graphène avec des molécules réductrices, il est possible de modifier le potentiel électrochimique afin de favoriser la réaction; 2) en utilisant un substrat affectant peu les propriétés électroniques du graphène; 3) en utilisant la méthode d’électrogreffage avec une cellule électrochimique, car elle permet une modulation contrôlée du potentiel électrochimique du graphène. De plus, nous nous rendons compte que la réactivité chimique des bicouches est moindre dû à la rigidité de structure due à l’interaction entre les couches. En dernier lieu, nous démontrons la pertinence de la spectroscopie infrarouge pour étudier l’effet de la fonctionnalisation et l’effet des bicouches sur les propriétés optiques du graphène. Nous réussissons à observer des bandes du graphène bicouche dans la région du moyen infrarouge qui dépendent du dopage. Normalement interdites selon les règles de sélection pour la monocouche, ces bandes apparaissent néanmoins lorsque fonctionnalisée et changent grandement en amplitude dépendamment des niveaux de dopage et de fonctionnalisation.

Anomalous resistivity at the structural phase transition of polycrystalline SnTe

An excess resistivity has been observed in thin film polycrystalline samples of SnTe with low carrier concentration and is attributed to the additional scattering due to the phonon softening associated with the structural phase transition.

Fingerprints of a size-dependent crossover in the dimensionality of electronic conduction in Au-seeded Ge nanowires

We studied the electrical transport properties of Au-seeded germanium nanowires with radii ranging from 11 to 80 nm at ambient conditions. We found a non-trivial dependence of the electrical conductivity, mobility and carrier density on the radius size. In particular, two regimes were identified for large (lightly doped) and small (stronger doped) nanowires in which the charge-carrier drift is dominated by electron-phonon and ionized-impurity scattering, respectively. This goes in hand with the finding that the electrostatic properties for radii below ca. 37 nm have quasi one-dimensional character as reflected by the extracted screening lengths.

Carrier momentum relaxation in highly doped polar semiconductors and semiconductor heterostructures

Highly doped polar semiconductors are essential components of today’s semiconductor industry. Most strikingly, transistors in modern electronic devices are polar semiconductor heterostructures. It is important to thoroughly understand carrier transport in such structures. In doped polar semiconductors, collective excitations of the carriers (plasmons) and the atoms (polar phonons) couple. These coupled collective excitations affect the electrical conductivity, here quantified through the carrier mobility. In scattering events, the carriers and the coupled collective modes transfer momentum between each other. Carrier momentum transferred to polar phonons can be lost to other phonons through anharmonic decay, resulting in a finite carrier mobility. The plasmons do not have a decay mechanism which transfers carrier momentum irretrievably. Hence, carrier-plasmon scattering results in infinite carrier mobility. Momentum relaxation due to either carrier–plasmon scattering or carrier–polar-phonon scattering alone are well understood. However, only this thesis manages to treat momentum relaxation due to both scattering mechanisms on an equal footing, enabling us to properly calculate the mobility limited by carrier–coupled plasmon–polar phonon scattering. We achieved this by solving the coupled Boltzmann equations for the carriers and the collective excitations, focusing on the “drag” term and on the anharmonic decay process of the collective modes. Our approach uses dielectric functions to describe both the carrier-collective mode scattering and the decay of the collective modes. We applied our method to bulk polar semiconductors and heterostructures where various polar dielectrics surround a semiconducting monolayer of MoS2, where taking plasmons into account can increase the mobility by up to a factor 15 for certain parameters. This screening effect is up to 85% higher than if calculated with previous methods. To conclude, our approach provides insight into the momentum relaxation mechanism for carrier–coupled collective mode scattering, and better tools for calculating the screened polar phonon and interface polar phonon limited mobility.

High-precision force sensing using a single trapped ion

We introduce quantum sensing schemes for measuring very weak forces with a single trapped ion. They use the spin-motional coupling induced by the laser-ion interaction to transfer the relevant force information to the spin-degree of freedom. Therefore, the force estimation is carried out simply by observing the Ramsey-type oscillations of the ion spin states. Three quantum probes are considered, which are represented by systems obeying the Jaynes-Cummings, quantum Rabi (in 1D) and Jahn-Teller (in 2D) models. By using dynamical decoupling schemes in the Jaynes-Cummings and Jahn-Teller models, our force sensing protocols can be made robust to the spin dephasing caused by the thermal and magnetic field fluctuations. In the quantum-Rabi probe, the residual spin-phonon coupling vanishes, which makes this sensing protocol naturally robust to thermally-induced spin dephasing. We show that the proposed techniques can be used to sense the axial and transverse components of the force with a sensitivity beyond the yN/\wurzel{Hz}range, i.e. in the xN/\wurzel{Hz}(xennonewton, 10^−27). The Jahn-Teller protocol, in particular, can be used to implement a two-channel vector spectrum analyzer for measuring ultra-low voltages.