UV laser-induced high resolution cleaving of Si wafers for micro-nano devices and polymeric waveguide characterization

In this work we propose a method for cleaving silicon-based photonic chips by using a laser based micromachining system, consisting of a ND:YVO4laser emitting at 355 nm in nanosecond pulse regime and a micropositioning system. The laser makes grooved marks placed at the desired locations and directions where cleaves have to be initiated, and after several processing steps, a crack appears and propagate along the crystallographic planes of the silicon wafer. This allows cleavage of the chips automatically and with high positioning accuracy, and provides polished vertical facets with better quality than the obtained with other cleaving process, which eases the optical characterization of photonic devices. This method has been found to be particularly useful when cleaving small-sized chips, where manual cleaving is hard to perform; and also for polymeric waveguides, whose facets get damaged or even destroyed with polishing or manual cleaving processing. Influence of length of the grooved line and speed of processing is studied for a variety of silicon chips. An application for cleaving and characterizing sol–gel waveguides is presented. The total amount of light coupled is higher than when using any other procedure.

Elastic (stress-strain) halo associated to ion-induced nano-tracks in lithium niobate: role of crystal anisotropy

The elastic strain/stress fields (halo) around a compressed amorphous nano-track (core) caused by a single high-energy ion impact on LiNbO3 are calculated. A method is developed to approximately account for the effects of crystal anisotropy of LiNbO3 (symmetry 3m) on the stress fields for tracks oriented along the crystal axes (X, Y or Z). It only considers the zero-order (axial) harmonic contribution to the displacement field in the perpendicular plane and uses effective Poisson moduli for each particular orientation. The anisotropy is relatively small; however, it accounts for some differential features obtained for irradiations along the crystallographic axes X, Y and Z. In particular, the irradiation-induced disorder (including halo) and the associated surface swelling appear to be higher for irradiations along the X- or Y-axis in comparison with those along the Z-axis. Other irradiation effects can be explained by the model, e.g. fracture patterns or the morphology of pores after chemical etching of tracks. Moreover, it offers interesting predictions on the effect of irradiation on lattice parameters

Recrystallization of amorphous nano-tracks and uniform layers generated by swift-ion-beam irradiation in lithium niobate.

The thermal annealing of amorphous tracks of nanometer-size diameter generated in lithium niobate (LiNbO3) by Bromine ions at 45 MeV, i.e., in the electronic stopping regime, has been investigated by RBS/C spectrometry in the temperature range from 250°C to 350°C. Relatively low fluences have been used (<1012 cm−2) to produce isolated tracks. However, the possible effect of track overlapping has been investigated by varying the fluence between 3×1011 cm−2 and 1012 cm−2. The annealing process follows a two-step kinetics. In a first stage (I) the track radius decreases linearly with the annealing time. It obeys an Arrhenius-type dependence on annealing temperature with activation energy around 1.5 eV. The second stage (II) operates after the track radius has decreased down to around 2.5 nm and shows a much lower radial velocity. The data for stage I appear consistent with a solid-phase epitaxial process that yields a constant recrystallization rate at the amorphous-crystalline boundary. HRTEM has been used to monitor the existence and the size of the annealed isolated tracks in the second stage. On the other hand, the thermal annealing of homogeneous (buried) amorphous layers has been investigated within the same temperature range, on samples irradiated with Fluorine at 20 MeV and fluences of ∼1014 cm−2. Optical techniques are very suitable for this case and have been used to monitor the recrystallization of the layers. The annealing process induces a displacement of the crystalline-amorphous boundary that is also linear with annealing time, and the recrystallization rates are consistent with those measured for tracks. The comparison of these data with those previously obtained for the heavily damaged (amorphous) layers produced by elastic nuclear collisions is summarily discussed.

Optimization of a label-free biosensor vertically characterized based on a periodic lattice of high aspect ratio SU-8 nano-pillars with a simplified 2D theoretical model

We have recently demonstrated a biosensor based on a lattice of SU8 pillars on a 1 μm SiO2/Si wafer by measuring vertically reflectivity as a function of wavelength. The biodetection has been proven with the combination of Bovine Serum Albumin (BSA) protein and its antibody (antiBSA). A BSA layer is attached to the pillars; the biorecognition of antiBSA involves a shift in the reflectivity curve, related with the concentration of antiBSA. A detection limit in the order of 2 ng/ml is achieved for a rhombic lattice of pillars with a lattice parameter (a) of 800 nm, a height (h) of 420 nm and a diameter(d) of 200 nm. These results correlate with calculations using 3D-finite difference time domain method. A 2D simplified model is proposed, consisting of a multilayer model where the pillars are turned into a 420 nm layer with an effective refractive index obtained by using Beam Propagation Method (BPM) algorithm. Results provided by this model are in good correlation with experimental data, reaching a reduction in time from one day to 15 minutes, giving a fast but accurate tool to optimize the design and maximizing sensitivity, and allows analyzing the influence of different variables (diameter, height and lattice parameter). Sensitivity is obtained for a variety of configurations, reaching a limit of detection under 1 ng/ml. Optimum design is not only chosen because of its sensitivity but also its feasibility, both from fabrication (limited by aspect ratio and proximity of the pillars) and fluidic point of view. (© 2011 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)

Theoretical study of band alignment in nano-porous ZnO interacting with substituted Phthalocyanines

The aim of this work is the theoretical study of the band alignment between the two components of a hybrid organic-inorganic solar-cell. The working organic molecules are metal tetra-sulphonated phthalocyanines (M-Pc) and the inorganic material is nano-porous ZnO growth in the 001 direction. The theoretical calculations are being made using the density functional theory (DFT) using a GGA functional with the SIESTA code, which projects electron wave functions and density onto a real space grid and uses as basis set a linear combination of numerical, finite-range localized atomic orbitals. We also used the DFT+U method included in the code that allows a semi-empirical inclusion of electronic correlations in the description of electronic spectra for systems such as zinc oxide.

Mapping of mechanical properties of cement paste microstructures

The presented study is related to the EU 7 th Framework Programme CODICE (COmputationally Driven design of Innovative CEment-based materials). The main aim of the project is the development of a multi-scale model for the computer based simulation of mechanical and durability performance of cementitious materials. This paper reports results of micro/nano scale characterisation and mechanical property mapping of cementitious skeletons formed by the cement hydration at different ages. Using the statistical nanoindentation and micro-mechanical property mapping technique, intrinsic properties of different hydrate phases, and also the possible interaction (or overlapping) of different phases (e.g. calcium-silcate-hydrates) has been studied. Results of the mapping and statistical indentation testing appear to suggest the possible existence of more hydrate phases than the commonly reported LD and HD C-S-H and CH phases

Influencia de la adición de nano sílice en el hormigón autocompactante

En los últimos años es notable la proliferación de trabajos y estudios que tratan sobre las características del hormigón autocompactante. De ellos, la durabilidad es el aspecto menos tratado, siendo especialmente escasos los que se centran en un problema particular de esta durabilidad, como es la penetración de cloruros, un aspecto básico para todos los elementos estructurales sometidos a un ambiente marino. Esta será la línea básica del presente trabajo, que vendrá acompañada de otra serie de ensayo que permitan ratificar los resultados obtenidos. Debido a lo anteriormente expuesto, el objetivo general de esta investigación es estudiar la influencia de la adición de nano-sílice en aspectos tanto microestructurales como durables en hormigones autocompactantes. Dado que el objetivo general planteado es muy ambicioso y requiere tiempo y multitud de ensayos combinando numerosas variables, este trabajo de investigación se centra en los siguientes objetivos particulares dentro de la línea general de la investigación: Evaluar los cambios que se producen en las propiedades en estado fresco de los distintos hormigones ensayados; Evaluar los cambios que se producen en las propiedades mecánicas de los hormigones estudiados; Determinar los cambios de la matriz porosa de los distintos hormigones ensayados y determinar los cambios en los componentes hidratados de la matiz de cemento. Para cumplir con este objetivo, se ha procedido a comparar el comportamiento de cuatro tipos de hormigón con el mismo cemento: Un hormigón convencional sin adición, un hormigón autocompactante sin adición, un hormigón autocompactante con 2,5 % de adición de nano sílice y un hormigón autocompactante con 5 % de adición de nano sílice. Las etapas seguidas en este trabajo son las siguientes: Revisión bibliográfica relativa a los hormigones autocompactantes, y a la adición de nano-sílice.; Estudio y elección de las dosificaciones para los hormigones objeto de estudio: hormigón convencional, un hormigón autocompactante sin adiciones y hormigones autocompactantes con adición de nano-sílice; Evaluación de los hormigones, convencional y autocompactantes, en estado fresco en base a la normativa vigente y a las exigencias de la Instrucción del Hormigón Estructural (EHE-08); Evaluación de las propiedades mecánicas de los hormigones en estado endurecido mediante ensayo de resistencia a compresión; Caracterización microestructural de los hormigones mediante ensayos de porosimetría por intrusión de mercurio (PIM) y termoanálisis (TG-ATD); Evaluación del comportamiento de los hormigones frente a ensayos específicos enfocados a su durabilidad, como son los de resistividad eléctrica y de penetración de cloruros y estudio comparativo de los resultados obtenidos y establecimiento de relaciones entre la dosificación y el comportamiento de cada hormigón, de cara a poder fijar recomendaciones de uso.

E-beam nano-patterning for the ordered growth of GaN/InGaN nanorods

E-beam lithography was used to pattern a titanium mask on a GaN substrate with ordered arrays of nanoholes. This patterned mask served as a template for the subsequent ordered growth of GaN/InGaN nanorods by plasma-assisted molecular beam epitaxy. The mask patterning process was optimized for several holes configurations. The smallest holes were 30 nm in diameter with a pitch (center-to-center distance) of 100 nm only. High quality masks of several geometries were obtained that could be used to grow ordered GaN/InGaN nanorods with full selectivity (growth localized inside the nanoholes only) over areas of hundreds of microns. Although some parasitic InGaN growth occurred between the nanorods during the In incorporation, transmission electron microscopy and photoluminescence measurements demonstrated that these ordered nanorods exhibit high crystal quality and reproducible optical properties.

Selective area growth and characterization of InGaN nano-disks implemented in GaN nanocolumns with different top morphologies

This work reports on the morphology control of the selective area growth of GaN-based nanostructures on c-plane GaN templates. By decreasing the substrate temperature, the nanostructures morphology changes from pyramidal islands (no vertical m-planes), to GaN nanocolumns with top semipolar r-planes, and further to GaN nanocolumns with top polar c-planes. When growing InGaN nano-disks embedded into the GaN nanocolumns, the different morphologies mentioned lead to different optical properties, due to the semi-polar and polar nature of the r-planes and c-planes involved. These differences are assessed by photoluminescence measurements at low temperature and correlated to the specific nano-disk geometry.

Nano-imprinted rear-side diffraction gratings for absorption enhancement in solar cells

As wafer-based solar cells become thinner, light-trapping textures for absorption enhancement will gain in importance. In this work, crystalline silicon wafers were textured with wavelength-scale diffraction grating surface textures by nanoimprint lithography using interference lithography as a mastering technology. This technique allows fine-tailored nanostructures to be realized on large areas with high throughput. Solar cell precursors were fabricated, with the surface textures on the rear side, for optical absorption measurements. Large absorption enhancements are observed in the wavelength range in which the silicon wafer absorbs weakly. It is shown experimentally that bi-periodic crossed gratings perform better than uni-periodic linear gratings. Optical simulations have been made of the fabricated structures, allowing the total absorption to be decomposed into useful absorption in the silicon and parasitic absorption in the rear reflector. Using the calculated silicon absorption, promising absorbed photocurrent density enhancements have been calculated for solar cells employing the nano-textures. Finally, first results are presented of a passivation layer deposition technique that planarizes the rear reflector for the purpose of reducing the parasitic absorption.

Durabilidad y propiedades mecánicas del hormigón autocompactante con adición de microsílice y nano sílice

Con la creciente preocupación por el impacto ambiental de la industria del cemento, el uso de subproductos industriales en la fabricación del cemento y del hormigón ha cobrado gran interés en nuestros días, ya que permiten utilizar estos desechos, reduciendo en muchos casos el consumo de cemento en el hormigón; disminuyendo a su vez el consumo energético y las emisiones asociadas a su producción. El humo de sílice es un subproducto de la producción de metal silicio o ferrosilício, su uso como adición en el hormigón ha demostrado ser efectivo en hormigones de alta resistencia. Las partículas de SiO2 micro y nano, reaccionan con el hidróxido de calcio y la tasa de la reacción puzolánica es proporcional al área disponible para la reacción. Al utilizar nano-partículas, se aumenta el área, mejorando seguramente el desempeño del hormigón. Por lo tanto, resulta de utilidad estudiar el efecto de estas adiciones en el hormigón. En este trabajo se han estudiado las propiedades mecánicas y la durabilidad de varias mezclas de hormigón autocompactante de alta resistencia con adición de microsílice y nanosílice. Para este propósito se ha incorporado a la mezcla de hormigón microsílice en 3, 6 y 10% y nanosílice en 3 y 6% respectivamente, en peso de cemento. En todas las mezclas se han mantenido constantes el contenido de cemento de 450 kg/m3 , la relación a/c y la cantidad de aditivo plastificante. Se han realizado ensayos en estado fresco para obtener las características reológicas de los hormigones. Se han determinado las principales propiedades mecánicas a 28 días de edad y se han realizado ensayos de durabilidad. Los resultados de los ensayos muestran una mejora significativa en las propiedades del hormigón. Desde el punto de vista microestructural se observa una estructura porosa más refinada y densa en las mezclas que contienen adiciones, lo cual puede contribuir al mejoramiento de la resistencia y la durabilidad de los hormigones. Las nanopartículas resultaron ser mejores que el microsílice en el aumento de la resistencia.

Evaluating the reinforcement of inorganic fullerene-like nanoparticles in thermoplastic matrices by depth-sensing indentation

The reinforcing effect of inorganic fullerene-like tungsten disulfide (IF-WS2) nanoparticles in two different polymer matrices, isotactic polypropylene (iPP) and polyphenylene sulfide (PPS), has been investigated by means of dynamic depth-sensing indentation. The hardness and elastic modulus enhancement upon filler addition is analyzed in terms of two main contributions: changes in the polymer matrix nanostructure and intrinsic properties of the filler including matrix-particle load transfer. It is found that the latter mainly determines the overall mechanical improvement, whereas the nanostructural changes induced in the polymer matrix only contribute to a minor extent. Important differences are suggested between the mechanisms of deformation in the two nanocomposites, resulting in a moderate mechanical enhancement in case of iPP (20% for a filler loading of 1%), and a remarkable hardness increase in case of PPS (60% for the same filler content). The nature of the polymer amorphous phase, whether in the glassy or rubbery state, seems to play here an important role. Finally, nanoindentation and dynamic mechanical analysis measurements are compared and discussed in terms of the different directionality of the stresses applied.

Estudio de las propiedades de morteros con nano sílice orientadas a nuevas aplicaciones de uso.

En la actualidad el uso de adiciones activas en las dosificaciones de morteros y hormigones es una práctica ampliamente extendida. En este trabajo de investigación se estudiaron morteros con incorporación de nanosílice que nos permitiesen ampliar las perspectivas de uso de este tipo de material. Como objetivo último se trataría de extrapolar el comportamiento de este material a microhormigones. Dentro de las posibilidades de uso que se proponían para este nuevo material se podrían encontrar la fabricación de losas de pavimento, la puesta en obra en continuo, el uso en elementos decorativos y funcionales de bajo coste, expuestos a ambientes moderados de abrasión, etc. En las dosificaciones ensayadas se determinó el comportamiento mecánico del material, mediante La determinación de las resistencias a compresión y flexión, y la determinación de la energía de fractura del material, a 7, 28 y 90 días. Se evaluó la dureza superficial antes y después de un proceso de carbonatación acelerada. Se realizaron medidas del desgaste del material por choque usando el ensayo de Los Ángeles. Los resultados obtenidos indican que el material propuesto presenta una dureza superficial similar al de rocas naturales después del proceso de carbonatación de las muestras. Existe cierta relación entre la adherencia que presenta el material (determinado a partir del coeficiente de Los Ángeles) y la tenacidad del material (evaluada a través de la determinación de la energía de fractura).

Influencia de la adición de nano sílice, en algunos aspectos de la durabilidad, en hormigones autocompactantes de alta resistencia

Con objeto de mejorar las prestaciones de los materiales y en particular los materiales de construcción, se está estudiando la incorporación de nano partículas en la fabricación de morteros y hormigones. En este trabajo se estudia el efecto de la incorporación de nano sílice a un hormigón autocompactante. Para ello se han seleccionado dos dosificaciones de nano sílice, 2,5% y 5% y se ha comparado su comportamiento con un hormigón autocompactante con la misma relación de material cementante. Se han evaluado las diferencias de comportamiento tanto en estado fresco como endurecido. En el trabajo se ha analizado el comportamiento mecánico (resistencia a compresión), microestructural (porosimetría por intrusión de mercurio y análisis termogravimétrico) y durable, (migración de cloruros y resistividad eléctrica), de las dosificaciones seleccionadas. Los resultados de los ensayos de resistencia a compresión muestran una relación directa entre este parámetro y el porcentaje de nano sílice adicionada. Los resultados de la caracterización microestructural ponen de manifiesto un refinamiento de la matriz porosa, con aumento de la cantidad de geles hidratados y reducción del tamaño de poro, mas significativo cuanto mayor es el porcentaje de adición. En cuanto a la resistencia del material a la penetración de cloruros se observa una disminución significativa cuanto mayor es el porcentaje de nano adición. Los datos obtenidos del ensayo de migración y de resistividad eléctrica muestran un mejor comportamiento por efecto de la adición. Sin embrago la variación relativa de la variable estimada en cada uno de los ensayos es sensiblemente diferente.

Influencia de la adición de nano sílice, en algunos aspectos de la durabilidad, en hormigones autocompactantes de alta resistencia.

Con objeto de mejorar las prestaciones de los materiales y en particular los materiales de construcción, se está estudiando la incorporación de nano partículas en la fabricación de morteros y hormigones. En este trabajo se estudia el efecto en la durabilidad de un hormigón autocompactante al incorporar nanosílice. Para ello se han seleccionado dos dosificaciones de nano sílice, 2,5% y 5% y se ha comparado su comportamiento con un hormigón autocompactante con la misma relación de material cementante. Se han evaluado las diferencias de comportamiento tanto en estado fresco como endurecido. En el trabajo se ha analizado el comportamiento mecánico (resistencia a compresión), microestructural (porosimetría por intrusión de mercurio, análisis termogravimétrico y micrografía) y durable, (migración de cloruros, difusión de cloruros y resistividad eléctrica), de las dosificaciones seleccionadas. Los resultados de los ensayos de resistencia a compresión muestran una relación directa entre éste parámetro y el porcentaje de nano sílice adicionada. Los resultados de la caracterización microestructural ponen de manifiesto un refinamiento de la matriz porosa, con aumento de la cantidad de geles hidratados y reducción del tamaño de poro, más significativo cuanto mayor es el porcentaje de adición. Las imágenes de SEM revelan cambios en la morfología de los productos hidratados de la matriz cementicia. Se observa un aumento significativo de la resistencia del material a la penetración de cloruros cuando se incorpora la nano sílice. Los coeficientes tanto de migración como de difusión de cloruros se reducen a menos de la mitad con la adición del 2,5% de nano sílice, no existiendo diferencias significativas en dichos coeficientes en las mezclas con 2,5% y 5% de nano adición. La resistividad eléctrica se revela como un parámetro que si bien sigue la misma tendencia que el coeficiente de migración, el orden de magnitud de las variaciones entre las distintas dosificaciones existen diferencias significativas.