The thermal and mechanical structure of a two-dimensional plume in the earths mantle

On the condition that the distribution of velocity and temperature at the mid-plane of a mantle plume has been obtained (pages 213–218, this issue), the problem of determining the lateral structure of the plume at a given depth is reduced to solving an eigenvalue problem of a set of ordinary differential equations with five unknown functions, with an eigenvalue being related to the thermal thickness of the plume at this depth. The lateral profiles of upward velocity, temperature and viscosity in the plume and the thickness of the plume at various depths are calculated for two sets of Newtonian rheological parameters. The calculations show that the precondition for the existence of the plume, δT/L 1 (L = the height of the plume, δT = lateral distance from the mid-plane), can be satisfied, except for the starting region of the plume or near the base of the lithosphere. At the lateral distance, δT, the upward velocity decreases to 0.1 – 50% of its maximum value at different depths. It is believed that this model may provide an approach for a quantitative description of the detailed structure of a mantle plume.

1. Ultrasonic studies of binary liquid structure in the critical region. Theory and experiment for the 2,6-lutidine/water system. 2. Hartree-Fock calculations of electric polarizabilities of some simple atoms and molecules, and their practicality. 3. Calculation of vibrational transition probabilities in collinear atom-diatom and diatom-diatom collisions with Lennard-Jones interaction

Part 1. Many interesting visual and mechanical phenomena occur in the critical region of fluids, both for the gas-liquid and liquid-liquid transitions. The precise thermodynamic and transport behavior here has some broad consequences for the molecular theory of liquids. Previous studies in this laboratory on a liquid-liquid critical mixture via ultrasonics supported a basically classical analysis of fluid behavior by M. Fixman (e. g., the free energy is assumed analytic in intensive variables in the thermodynamics)--at least when the fluid is not too close to critical. A breakdown in classical concepts is evidenced close to critical, in some well-defined ways. We have studied herein a liquid-liquid critical system of complementary nature (possessing a lower critical mixing or consolute temperature) to all previous mixtures, to look for new qualitative critical behavior. We did not find such new behavior in the ultrasonic absorption ascribable to the critical fluctuations, but we did find extra absorption due to chemical processes (yet these are related to the mixing behavior generating the lower consolute point). We rederived, corrected, and extended Fixman's analysis to interpret our experimental results in these more complex circumstances. The entire account of theory and experiment is prefaced by an extensive introduction recounting the general status of liquid state theory. The introduction provides a context for our present work, and also points out problems deserving attention. Interest in these problems was stimulated by this work but also by work in Part 3.

Part 2. Among variational theories of electronic structure, the Hartree-Fock theory has proved particularly valuable for a practical understanding of such properties as chemical binding, electric multipole moments, and X-ray scattering intensity. It also provides the most tractable method of calculating first-order properties under external or internal one-electron perturbations, either developed explicitly in orders of perturbation theory or in the fully self-consistent method. The accuracy and consistency of first-order properties are poorer than those of zero-order properties, but this is most often due to the use of explicit approximations in solving the perturbed equations, or to inadequacy of the variational basis in size or composition. We have calculated the electric polarizabilities of H₂, He, Li, Be, LiH, and N₂ by Hartree-Fock theory, using exact perturbation theory or the fully self-consistent method, as dictated by convenience. By careful studies on total basis set composition, we obtained good approximations to limiting Hartree-Fock values of polarizabilities with bases of reasonable size. The values for all species, and for each direction in the molecular cases, are within 8% of experiment, or of best theoretical values in the absence of the former. Our results support the use of unadorned Hartree-Pock theory for static polarizabilities needed in interpreting electron-molecule scattering data, collision-induced light scattering experiments, and other phenomena involving experimentally inaccessible polarizabilities.

Part 3. Numerical integration of the close-coupled scattering equations has been carried out to obtain vibrational transition probabilities for some models of the electronically adiabatic H₂-H₂ collision. All the models use a Lennard-Jones interaction potential between nearest atoms in the collision partners. We have analyzed the results for some insight into the vibrational excitation process in its dependence on the energy of collision, the nature of the vibrational binding potential, and other factors. We conclude also that replacement of earlier, simpler models of the interaction potential by the Lennard-Jones form adds very little realism for all the complication it introduces. A brief introduction precedes the presentation of our work and places it in the context of attempts to understand the collisional activation process in chemical reactions as well as some other chemical dynamics.

Tensile and compressive mechanical behavior of twinned silicon carbide nanowires

Molecular dynamics simulations with the Tersoff potential were used to study the response of twinned SiC nanowires under tensile and compressive strain. The critical strain of the twinned nanowires can be enhanced by twin stacking faults, and their critical strains are larger than those of perfect nanowires with the same diameters. Under axial tensile strain, the bonds of the nanowires are stretched just before failure. The failure behavior is found to depend on the twin segment thickness and the diameter of the nanowires. An atomic chain is observed for thin nanowires with small twin segment thickness under tension strain. Under axial compressive strain, the collapse of twinned SiC nanowires exhibits two different failure modes, depending on the length and diameter of the nanowires, i.e., shell buckling for short nanowires and columnar buckling for longer nanowires.

Quantum Mechanical Study on Tunnelling and Ballistic Transport of Nanometer Si MOSFETs

Using self-consistent calculations of million-atom Schrodinger-Poisson equations, we investigate the I-V characteristics of tunnelling and ballistic transport of nanometer metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFET) based on a full 3-D quantum mechanical simulation under nonequilibtium condition. Atomistic empirical pseudopotentials are used to describe the device Hamiltonian and the underlying bulk band structure. We find that the ballistic transport dominates the I-V characteristics, whereas the effects of tunnelling cannot be neglected with the maximal value up to 0.8mA/mu m when the channel length of MOSFET scales down to 25 nm. The effects of tunnelling transport lower the threshold voltage V-t. The ballistic current based on fully 3-D quantum mechanical simulation is relatively large and has small on-off ratio compared with results derived from the calculation methods of Luo et al.

Structural, mechanical, thermodynamic, and electronic properties of thorium hydrides from first-principles

We perform first-principles calculations of the structural, electronic, mechanical, and thermodynamic properties of thorium hydrides (ThH2 and Th4H15) based on the density functional theory with generalized gradient approximation. The equilibrium geometries, the total and partial densities of states, charge density, elastic constants, elastic moduli, Poisson's ratio, and phonon dispersion curves for these materials are systematically investigated and analyzed in comparison with experiments and previous calculations. These results show that our calculated equilibrium structural parameters are well consistent with experiments. The Th-H bonds in all thorium hydrides exhibit weak covalent character, but the ionic properties for ThH2 and Th4H15 are different due to their different hydrogen concentration. It is found that while in ThH2 about 1.5 electrons transfer from each Th atom to H, in Th4H15 the charge transfer from each Th atom is around 2.1 electrons. Our calculated phonon spectrum for the stable body-centered tetragonal phase of ThH2 accords well with experiments. In addition we show that ThH2 in the fluorite phase is mechanically and dynamically unstable.

A fully three-dimensional atomistic quantum mechanical study on random dopant-induced effects in 25-nm MOSFETs

A fully 3-D atomistic quantum mechanical simulation is presented to study the random dopant-induced effects in nanometer metal-oxide-semiconductor field-effect transistors. The empirical pseudopotential is used to represent the single particle Hamiltonian, and the linear combination of bulk band method is used to solve the million atom Schrodinger equation. The gate threshold fluctuation and lowering due to the discrete dopant configurations are studied. It is found that quantum mechanical effects increase the threshold fluctuation while decreasing the threshold lowering. The increase of threshold fluctuation is in agreement with the researchers' early study based on an approximated density gradient approach. However, the decrease in threshold lowering is in contrast with the density gradient calculations.

Ab initio calculations of differential cross sections for single charge transfer in He-3(2+)+He-4 collisions

The single charge transfer process in He-3(2+)+He-4 collisions is investigated using the quantum-mechanical molecular-orbital close-coupling method, in which the adiabatic potentials and radial couplings are calculated by using the ab initio multireference single- and double-excitation configuration interaction methods. The differential cross sections for the single charge transfer are presented at the laboratorial energies E = 6 keV and 10 keV for the projectile He-3(2+). Comparison with the existing data shows that the present results are better in agreement with the experimental measurements than other calculations in the dominant small angle scattering, which is attributed to the accurate calculations of the adiabatic potentials and the radial couplings.

Effects of the transition dipole moment function on the dynamics of ozone photodissociation: an exact 3D quantum mechanical study

The effects of the transition dipole moment function (TDMF) on the dynamics Of O-3 photodissociation in the Hartley band have been exploited by means of exact 3D time-dependent wavepacket method using the SW potential energy surface [J. Chem. Phys. 78 (1983) 7191]. The calculations show that the explicit inclusion of the TDMF results in slight uniform reductions for the intensities of recurrence peaks of the autocorrelation function and a slight broadening of the absorption spectrum, in comparison with the result where the TDMF is assumed to be constant. The pattern of recurrence structures of the autocorrelation function is essentially unaffected. (C) 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Electronic and mechanical properties of 5d transition metal mononitrides via first principles

The electronic and mechanical properties of 5d transition metal mononitrides from LaN to AuN are systematically investigated by use of the density-functional theory. For each nitride, Six Structures are considered, i.e., rocksalt, zinc blende, CsCl, wurtzite, NiAs and WC structures. Among the considered structures, rocksalt structure is the most stable for LaN, HfN and ALIN, WC structure for TaN, NiAs structure for WN, wurtzite structure for ReN, OsN, IrN and PtN. The most stable Structure for each nitride is mechanically stable. The formation enthalpy increases from LaN to AuN.

Structural, electronic and mechanical properties of ReN2 from first principles

First principles calculations were performed to study the structural, electronic and mechanical properties of hypothetical rhenium dinitride ReN2 for various space groups. It was found that cubic Fm-3m and Pa-3, tetragonal P4(2)/mnm, and orthorhombic Pmmn structures are mechanically stable and metallic. P4(2)/mnm structure is thermodynamically stable at ambient conditions and up to 76 GPa. It has the shortest Re-N bond (1.964 angstrom).

Air-gap based vertical cavity micro-opto-electro-mechanical Fabry-Perot filters

Mikrooptische Filter sind heutzutage in vielen Bereichen in der Telekommunikation unersetzlich. Wichtige Einsatzgebiete sind aber auch spektroskopische Systeme in der Medizin-, Prozess- und Umwelttechnik. Diese Arbeit befasst sich mit der Technologieentwicklung und Herstellung von luftspaltbasierenden, vertikal auf einem Substrat angeordneten, oberflächenmikromechanisch hergestellten Fabry-Perot-Filtern. Es werden zwei verschiedene Filtervarianten, basierend auf zwei verschiedenen Materialsystemen, ausführlich untersucht. Zum einen handelt es sich dabei um die Weiterentwicklung von kontinuierlich mikromechanisch durchstimmbaren InP / Luftspaltfiltern; zum anderen werden neuartige, kostengünstige Siliziumnitrid / Luftspaltfilter wissenschaftlich behandelt. Der Inhalt der Arbeit ist so gegliedert, dass nach einer Einleitung mit Vergleichen zu Arbeiten und Ergebnissen anderer Forschergruppen weltweit, zunächst einige theoretische Grundlagen zur Berechnung der spektralen Reflektivität und Transmission von beliebigen optischen Schichtanordnungen aufgezeigt werden. Auß erdem wird ein kurzer theoretischer Ü berblick zu wichtigen Eigenschaften von Fabry-Perot-Filtern sowie der Möglichkeit einer mikromechanischen Durchstimmbarkeit gegeben. Daran anschließ end folgt ein Kapitel, welches sich den grundlegenden technologischen Aspekten der Herstellung von luftspaltbasierenden Filtern widmet. Es wird ein Zusammenhang zu wichtigen Referenzarbeiten hergestellt, auf denen diverse Weiterentwicklungen dieser Arbeit basieren. Die beiden folgenden Kapitel erläutern dann ausführlich das Design, die Herstellung und die Charakterisierung der beiden oben erwähnten Filtervarianten. Abgesehen von der vorangehenden Epitaxie von InP / GaInAs Schichten, ist die Herstellung der InP / Luftspaltfilter komplett im Institut durchgeführt worden. Die Herstellungsschritte sind ausführlich in der Arbeit erläutert, wobei ein Schwerpunktthema das trockenchemische Ä tzen von InP sowie GaInAs, welches als Opferschichtmaterial für die Herstellung der Luftspalte genutzt wurde, behandelt. Im Verlauf der wissenschaftlichen Arbeit konnten sehr wichtige technische Verbesserungen entwickelt und eingesetzt werden, welche zu einer effizienteren technologischen Herstellung der Filter führten und in der vorliegenden Niederschrift ausführlich dokumentiert sind. Die hergestellten, für einen Einsatz in der optischen Telekommunikation entworfenen, elektrostatisch aktuierbaren Filter sind aus zwei luftspaltbasierenden Braggspiegeln aufgebaut, welche wiederum jeweils 3 InP-Schichten von (je nach Design) 357nm bzw. 367nm Dicke aufweisen. Die Filter bestehen aus im definierten Abstand parallel übereinander angeordneten Membranen, die über Verbindungsbrücken unterschiedlicher Anzahl und Länge an Haltepfosten befestigt sind. Da die mit 357nm bzw. 367nm vergleichsweise sehr dünnen Schichten freitragende Konstrukte mit bis zu 140 nm Länge bilden, aber trotzdem Positionsgenauigkeiten im nm-Bereich einhalten müssen, handelt es sich hierbei um sehr anspruchsvolle mikromechanische Bauelemente. Um den Einfluss der zahlreichen geometrischen Strukturparameter studieren zu können, wurden verschiedene laterale Filterdesigns implementiert. Mit den realisierten Filter konnte ein enorm weiter spektraler Abstimmbereich erzielt werden. Je nach lateralem Design wurden internationale Bestwerte für durchstimmbare Fabry-Perot-Filter von mehr als 140nm erreicht. Die Abstimmung konnte dabei kontinuierlich mit einer angelegten Spannung von nur wenigen Volt durchgeführt werden. Im Vergleich zu früher berichteten Ergebnissen konnten damit sowohl die Wellenlängenabstimmung als auch die dafür benötigte Abstimmungsspannung signifikant verbessert werden. Durch den hohen Brechungsindexkontrast und die geringe Schichtdicke zeigen die Filter ein vorteilhaftes, extrem weites Stopband in der Größ enordnung um 550nm. Die gewählten, sehr kurzen Kavitätslängen ermöglichen einen freien Spektralbereich des Filters welcher ebenfalls in diesen Größ enordnungen liegt, so dass ein weiter spektraler Einsatzbereich ermöglicht wird. Während der Arbeit zeigte sich, dass Verspannungen in den freitragenden InPSchichten die Funktionsweise der mikrooptischen Filter stark beeinflussen bzw. behindern. Insbesondere eine Unterätzung der Haltepfosten und die daraus resultierende Verbiegung der Ecken an denen sich die Verbindungsbrücken befinden, führte zu enormen vertikalen Membranverschiebungen, welche die Filtereigenschaften verändern. Um optimale Ergebnisse zu erreichen, muss eine weitere Verbesserung der Epitaxie erfolgen. Jedoch konnten durch den zusätzlichen Einsatz einer speziellen Schutzmaske die Unterätzung der Haltepfosten und damit starke vertikale Verformungen reduziert werden. Die aus der Verspannung resultierenden Verformungen und die Reaktion einzelner freistehender InP Schichten auf eine angelegte Gleich- oder Wechselspannung wurde detailliert untersucht. Mittels Weisslichtinterferometrie wurden lateral identische Strukturen verglichen, die aus unterschiedlich dicken InP-Schichten (357nm bzw. 1065nm) bestehen. Einen weiteren Hauptteil der Arbeit stellen Siliziumnitrid / Luftspaltfilter dar, welche auf einem neuen, im Rahmen dieser Dissertation entwickelten, technologischen Ansatz basieren. Die Filter bestehen aus zwei Braggspiegeln, die jeweils aus fünf 590nm dicken, freistehenden Siliziumnitridschichten aufgebaut sind und einem Abstand von 390nm untereinander aufweisen. Die Filter wurden auf Glassubstraten hergestellt. Der Herstellungsprozess ist jedoch auch mit vielen anderen Materialien oder Prozessen kompatibel, so dass z.B. eine Integration mit anderen Bauelemente relativ leicht möglich ist. Die Prozesse dieser ebenfalls oberflächenmikromechanisch hergestellten Filter wurden konsequent auf niedrige Herstellungskosten optimiert. Als Opferschichtmaterial wurde hier amorph abgeschiedenes Silizium verwendet. Der Herstellungsprozess beinhaltet die Abscheidung verspannungsoptimierter Schichten (Silizium und Siliziumnitrid) mittels PECVD, die laterale Strukturierung per reaktiven Ionenätzen mit den Gasen SF6 / CHF3 / Ar sowie Fotolack als Maske, die nasschemische Unterätzung der Opferschichten mittels KOH und das Kritisch-Punkt-Trocken der Proben. Die Ergebnisse der optischen Charakterisierung der Filter zeigen eine hohe Ü bereinstimmung zwischen den experimentell ermittelten Daten und den korrespondierenden theoretischen Modellrechnungen. Weisslichtinterferometermessungen der freigeätzten Strukturen zeigen ebene Filterschichten und bestätigen die hohe vertikale Positioniergenauigkeit, die mit diesem technologischen Ansatz erreicht werden kann.