Si and SixGe1-x NWs studied by Raman spectroscopy

Group IV nanostructures have attracted a great deal of attention because of their potential applications in optoelectronics and nanodevices. Raman spectroscopy has been extensively used to characterize nanostructures since it provides non destructive information about their size, by the adequate modeling of the phonon confinement effect. The Raman spectrum is also sensitive to other factors, as stress and temperature, which can mix with the size effects borrowing the interpretation of the Raman spectrum. We present herein an analysis of the Raman spectra obtained for Si and SiGe nanowires; the influence of the excitation conditions and the heat dissipation media are discussed in order to optimize the experimental conditions for reliable spectra acquisition and interpretation.

Raman spectrum of group IV nanowires: influence of temperature

Group IV semiconductor nanowires are characterized by Raman spectroscopy. The results are analyzed in terms of the heating induced by the laser beam on the nanowires. By solving the heat transport equation one can simulate the temperature reached by the NWs under the exposure to a laser beam. The results are illustrated with Si and Si1-xGex nanowires. Both bundles of nanowires and individual nanowires are studied. The main experimental conditions contributing to the nanowire heating are discussed

Raman and infrared spectra of dimethyl ether 13C-isotopologue (CH3O13CH3) from a CCSD(T) potential energy surface

So far, no experimental data of the infrared and Raman spectra of 13C isotopologue of dimethyl ether are available. With the aim of providing some clues of its low-lying vibrational bands and with the hope of contributing in a next spectral analysis, a number of vibrational transition frequencies below 300 cm−1 of the infrared spectrum and around 400 cm−1 of the Raman spectrum have been predicted and their assignments were proposed. Calculations were carried out through an ab initio three dimensional potential energy surface based on a previously reported one for the most abundant dimethyl ether isotopologue (M. Villa et al., J. Phys. Chem. A 115 (2011) 13573). The potential function was vibrationally corrected and computed with a highly correlated CCSD(T) method involving the COC bending angle and the two large amplitude CH3 internal rotation degrees of freedom. Also, the Hamiltonian parameters could represent a support for the spectral characterization of this species. Although the computed vibrational term values are expected to be very accurate, an empirical adjustment of the Hamiltonian has been performed with the purpose of anticipating some workable corrections to any possible divergence of the vibrational frequencies. Also, the symmetry breaking derived from the isotopic substitution of 13C in the dimethyl ether was taken into account when the symmetrization procedure was applied.

Interaction between a laser beam and semiconductor nanowires: application to the raman spectrum of Si nanowires

One presents in this work the study of the interaction between a focused laser beam and Si nanowires (NWs). The NWs heating induced by the laser beam is studied by solving the heat transfer equation by finite element methods (fem). This analysis permits to establish the temperature distribution inside the NW when it is excited by the laser beam. The overheating is dependent on the dimensions of the NW, both the diameter and the length. When performing optical characterization of the NWs using focused laser beams, one has to consider the temperature increase introduced by the laser beam. An important issue concerns the fact that the NWs diameter has subwavelength dimensions, and is also smaller than the focused laser beam. The analysis of the thermal behaviour of the NWs under the excitation with the laser beam permits the interpretation of the Raman spectra of Si NWs, where it is demonstrated that temperature induced by the laser beam play a major role in shaping the Raman spectrum of Si NWs

Properties and applications of high electron density structures based on InN and related compounds

El objetivo principal del presente trabajo es estudiar y explotar estructuras que presentan un gas bidimensional de electrones (2DEG) basadas en compuestos nitruros con alto contenido de indio. Existen muchas preguntas abiertas, relacionadas con el nitruro de indio y sus aleaciones, algunas de las cuales se han abordado en este estudio. En particular, se han investigado temas relacionados con el análisis y la tecnología del material, tanto para el InN y heteroestructuras de InAl(Ga)N/GaN como para sus aplicaciones a dispositivos avanzados. Después de un análisis de la dependencia de las propiedades del InN con respecto a tratamientos de procesado de dispositivos (plasma y térmicos), el problema relacionado con la formación de un contacto rectificador es considerado. Concretamente, su dificultad es debida a la presencia de acumulación de electrones superficiales en la forma de un gas bidimensional de electrones, debido al pinning del nivel de Fermi. El uso de métodos electroquímicos, comparados con técnicas propias de la microelectrónica, ha ayudado para la realización de esta tarea. En particular, se ha conseguido lamodulación de la acumulación de electrones con éxito. En heteroestructuras como InAl(Ga)N/GaN, el gas bidimensional está presente en la intercara entre GaN y InAl(Ga)N, aunque no haya polarización externa (estructuras modo on). La tecnología relacionada con la fabricación de transistores de alta movilidad en modo off (E-mode) es investigada. Se utiliza un método de ataque húmedo mediante una solución de contenido alcalino, estudiando las modificaciones estructurales que sufre la barrera. En este sentido, la necesidad de un control preciso sobre el material atacado es fundamental para obtener una estructura recessed para aplicaciones a transistores, con densidad de defectos e inhomogeneidad mínimos. La dependencia de la velocidad de ataque de las propiedades de las muestras antes del tratamiento es observada y comentada. Se presentan también investigaciones relacionadas con las propiedades básicas del InN. Gracias al uso de una puerta a través de un electrolito, el desplazamiento de los picos obtenidos por espectroscopia Raman es correlacionado con una variación de la densidad de electrones superficiales. En lo que concierne la aplicación a dispositivos, debido al estado de la tecnología actual y a la calidad del material InN, todavía no apto para dispositivos, la tesis se enfoca a la aplicación de heteroestructuras de InAl(Ga)N/GaN. Gracias a las ventajas de una barrera muy fina, comparada con la tecnología de AlGaN/GaN, el uso de esta estructura es adecuado para aplicaciones que requieren una elevada sensibilidad, estando el canal 2DEG más cerca de la superficie. De hecho, la sensibilidad obtenida en sensores de pH es comparable al estado del arte en términos de variaciones de potencial superficial, y, debido al poco espesor de la barrera, la variación de la corriente con el pH puede ser medida sin necesidad de un electrodo de referencia externo. Además, estructuras fotoconductivas basadas en un gas bidimensional presentan alta ganancia debida al elevado campo eléctrico en la intercara, que induce una elevada fuerza de separación entre hueco y electrón generados por absorción de luz. El uso de metalizaciones de tipo Schottky (fotodiodos Schottky y metal-semiconductormetal) reduce la corriente de oscuridad, en comparación con los fotoconductores. Además, la barrera delgada aumenta la eficiencia de extracción de los portadores. En consecuencia, se obtiene ganancia en todos los dispositivos analizados basados en heteroestructuras de InAl(Ga)N/GaN. Aunque presentando fotoconductividad persistente (PPC), los dispositivos resultan más rápidos con respeto a los valores que se dan en la literatura acerca de PPC en sistemas fotoconductivos. ABSTRACT The main objective of the present work is to study and exploit the two-dimensionalelectron- gas (2DEG) structures based on In-related nitride compounds. Many open questions are analyzed. In particular, technology and material-related topics are the focus of interest regarding both InNmaterial and InAl(Ga)N/GaNheterostructures (HSs) as well as their application to advanced devices. After the analysis of the dependence of InN properties on processing treatments (plasma-based and thermal), the problemof electrical blocking behaviour is taken into consideration. In particular its difficulty is due to the presence of a surface electron accumulation (SEA) in the form of a 2DEG, due to Fermi level pinning. The use of electrochemical methods, compared to standard microelectronic techniques, helped in the successful realization of this task. In particular, reversible modulation of SEA is accomplished. In heterostructures such as InAl(Ga)N/GaN, the 2DEGis present at the interface between GaN and InAl(Ga)N even without an external bias (normally-on structures). The technology related to the fabrication of normally off (E-mode) high-electron-mobility transistors (HEMTs) is investigated in heterostructures. An alkali-based wet-etching method is analysed, standing out the structural modifications the barrier underwent. The need of a precise control of the etched material is crucial, in this sense, to obtain a recessed structure for HEMT application with the lowest defect density and inhomogeneity. The dependence of the etch rate on the as-grown properties is observed and commented. Fundamental investigation related to InNis presented, related to the physics of this degeneratematerial. With the help of electrolyte gating (EG), the shift in Raman peaks is correlated to a variation in surface eletron density. As far as the application to device is concerned, due to the actual state of the technology and material quality of InN, not suitable for working devices yet, the focus is directed to the applications of InAl(Ga)N/GaN HSs. Due to the advantages of a very thin barrier layer, compared to standard AlGaN/GaN technology, the use of this structure is suitable for high sensitivity applications being the 2DEG channel closer to the surface. In fact, pH sensitivity obtained is comparable to the state-of-the-art in terms of surface potential variations, and, due to the ultrathin barrier, the current variation with pH can be recorded with no need of the external reference electrode. Moreover, 2DEG photoconductive structures present a high photoconductive gain duemostly to the high electric field at the interface,and hence a high separation strength of photogenerated electron and hole. The use of Schottky metallizations (Schottky photodiode and metal-semiconductor-metal) reduce the dark current, compared to photoconduction, and the thin barrier helps to increase the extraction efficiency. Gain is obtained in all the device structures investigated. The devices, even if they present persistent photoconductivity (PPC), resulted faster than the standard PPC related decay values.

Aplicación de la espectroscopia de reflectancia difusa (TRR) láser a la medida de parámetros de calidad en frutas.

La espectroscopia de reflectancia difusa (TRR o TDRS), técnica no destructiva ampliamente usada en aplicaciones biomédicas, se aplica por primera vez en este trabajo a la detección de propiedades ópticas relacionadas con parámetros de calidad en frutas. Mediante el uso de tecnologías de conteo de fotones y sistemas de iluminación láser, se ha desarrollado un procedimiento para registrar a la vez la cantidad de luz absorbida y la magnitud de dispersión de los fotones por el tejido atravesado. Los resultados previos indican adecuada sensibilidad del sistema a cambios en la fruta de firmeza, compuestos químicos y color, lo que sugiere un amplio potencial de desarrollo de sensores para la industria agroalimentaria.

Clasificación de frutos por su calidad interna mediante espectroscopia láser de reflectancia con resolución temporal (TDRS).

La determinación no destructiva de la calidad interna de la fruta ha sido un objetivo prioritario en las investigaciones recientes (Abbott, 1999). La espectroscopia en el infrarrojo (NIR) es aplicable a la cuantificación de compuestos químicos en alimentos; por otro lado se ha comprobado que el uso de láseres es interesante para la estimación no destructiva de la firmeza de los frutos. Sin embargo estas técnicas ópticas más tradicionales tienen el inconveniente de que miden la intensidad de luz transmitida sin poder diferenciar el efecto de la absorción óptica del efecto de la dispersión espacial que sufre la luz en el interior de los tejidos, lo cual dificulta la estimación independiente de aspectos físicos y químicos. La espectroscopia con resolución temporal es una técnica óptica desarrollada para el diagnóstico en medicina, que permite diferenciar ambos fenómenos (absorción y dispersión), proporcionando una caracterización óptica completa de los tejidos. El objetivo del presente trabajo ha sido la aplicación de esta técnica a frutas y hortalizas, y el desarrollo de modelos matemáticos de estimación no destructiva de su calidad interna para su uso en procesos de clasificación.

Interaction between a laser beam and semiconductor nanowires: application to the raman spectrum of Si nanowires

One presents in this work the study of the interaction between a focused laser beam and Si nanowires (NWs). The NWs heating induced by the laser beam is studied by solving the heat transfer equation by finite element methods (FEM). This analysis permits to establish the temperature distribution inside the NW when it is excited by the laser beam. The overheating is dependent on the dimensions of the NW, both the diameter and the length. When performing optical characterisation of NWs using focused laser beams, one has to consider the temperature increase introduced by the laser beam. An important issue concerns the fact that the NW's diameter has subwavelength dimensions, and is also smaller than the focused laser beam. The analysis of the thermal behaviour of the NWs under the excitation with the laser beam permits the interpretation of the Raman spectrum of Si NWs. It is demonstrated that the temperature increase induced by the laser beam plays a major role in shaping the Raman spectrum of Si NWs.

Raman spectroscopy in Group IV nanowires and nanowire axial heterostructures

The control of the SiGe NW composition is fundamental for the fabrication of high quality heterostructures. Raman spectroscopy has been used to analyse the composition of SiGe alloys. We present a study of the Raman spectrum of SiGe nanowires and SiGe/Si heterostructures. The inhomogeneity of the Ge composition deduced from the Raman spectrum is explained by the existence of a Ge-rich outer shell and by the interaction of the NW with the electromagnetic field associated with the laser beam.

Electromagnetic interaction between a laser beam and semiconductor nanowires deposited on different substrates: Raman enhancement in Si Nanowires

Raman scattering of Si nanowires (NWs) presents antenna effects. The electromagnetic resonance depends on the electromagnetic coupling of the system laser/NW/substrate. The antenna effect of the Raman signal was measured in individual NWs deposited on different substrates, and also free standing NWs in air. The one phonon Raman band in NWs can reach high intensities depending on the system configuration; values of Raman intensity per unit volume more than a few hundred times with respect to bulk substrate can be obtainedRaman scattering of Si nanowires (NWs) presents antenna effects. The electromagnetic resonance depends on the electromagnetic coupling of the system laser/NW/substrate. The antenna effect of the Raman signal was measured in individual NWs deposited on different substrates, and also free standing NWs in air. The one phonon Raman band in NWs can reach high intensities depending on the system configuration; values of Raman intensity per unit volume more than a few hundred times with respect to bulk substrate can be obtained

Resolución estructural en 3D de electrocerámicas mediante microscopía Raman confocal

Las propiedades de los materiales cerámicos son una combinación entre las propiedades intrínsecas, definidas por los granos cristalinos, y las propiedades extrínsecas, como son bordes de grano y fases secundarias. La relación entre estos dos elementos produce en muchas ocasiones, la presencia de propiedades inusuales que son la base de muchos materiales electrocerámicos. Sirvan como ejemplo algunos materiales tipo como son: varistores cerámicos, termistores, materiales con coeficiente de resistividad positivo, sensores de borde de grano, etc. En un material electrocerámico con respuesta funcional la correlación entre estructura-microestructura -propiedades es una constante, tanto en la etapa de diseño en laboratorio como en la etapa de producción industrial. El empleo de Microscopía Raman Confocal (MRC) se propone como una metodología relevante para el estudio de los factores que afectan a dichas correlaciones en materiales electrocerámicos. La técnica de MRC constituye una potente herramienta que permite determinar no solo la estructura sino las interacciones entre los elementos microestructurales. La correlación entre estas variables con las propiedades funcionales y la posibilidad de determinar las mismas en condiciones de operación, abren unas posibilidades que hasta la fecha solo estaban en la imaginación de los científicos. En esta presentación se resumen brevemente algunos de los principios relacionados con la técnica de Microscopía Raman Confocal, que junto con ejemplos seleccionados permiten visualizar aspectos relacionados con: la orientación de cristales, identificación fases cristalinas; resolución de nanoestructuras e interfases; determinación y dinámica de dominios ferroeléctricos; presencia de tensiones mecánicas; fenómenos de conducción,... sobre diferentes materiales cerámicos. Los trabajos mostrados son ejemplos de alta resolución en 3D de materiales funcionales como son los materiales electrocerámicos.

Empleo de la espectroscopia VIS NIR para la identificación de trazas de cacahuete en productos alimentarios en polvo

En el mundo existen ciertos grupos de población que muestran una hipersensibilidad a determinados alimentos, y cuya ingestión accidental desencadena, una respuesta del tipo “shock” anafiláctico. Esto ha obligado a las empresas alimentarias a estudiar de forma exhaustiva la gestión del riesgo de todos sus productos. El cacahuete es uno de los principales alérgenos en la industria. La espectroscopia NIR se ha utilizado recientemente para analizar la cantidad total de aceite y ácido grasos en cacahuete intacto (Sudaram y colaboradores, 2012). El objetivo de este trabajo es estudiar métodos no destructivos basados en espectroscopia para la detección de trazas de cacahuete en alimentos en polvo, como complemento al método genético reacción en cadena de la polimerasa en tiempo real (Real Time -PCR) desarrollado por el grupo de investigación TRADETBIO de la UCM, en el marco de colaboración en el Campus de Excelencia Internacional Moncloa. Los materiales utilizados fueron cacahuetes de cinco variedades de origen geográfico distinto y sometidas a diferentes tratamientos, proporcionadas por el Instituto de Materiales de Referencia CE, así como leche en polvo, cacao, harina de trigo, y cacahuete de diferentes marcas comerciales. Para todos ellos, se adquirieron dos series de espectros: en el infrarrojo cercano NIR (896-1686 nm), y los extraídos de imágenes hiperespectrales HIS (400-1000nm). La espectroscopia VIS se mostró sensible a las diferencias en el cacahuete en cuanto a su origen y/o tratamiento, ya que inducen cambios en el color, siendo inviable la separación entre los cacahuetes blanqueados, la leche y la harina en esta región espectral. Las principales diferencias entre los cacahuetes y el resto de ingredientes alimentarios se han encontrado en el rango NIR, específicamente en las longitudes de onda de (1207-1210 nm), relacionadas con una región de absorción de los lípidos. El infrarrojo permite 100% de segregación de cualquier tipo de cacahuete respecto al resto de los ingredientes alimentarios. La espectroscopia NIR combinada con las técnicas de imagen (hiperespectral o multiespectral) podría por tanto, ser aplicado para detectar trazas de cacahuetes en alimentos en polvo, no influyendo su origen y/o tratamiento, ya que es capaz de separar cualquier cacahuete del resto de los ingredientes alimentarios. Este método podría ser una técnica de cribado previo al método PCR de elevado coste.