Síntesis de capas de SiC en substrato de Si mediante implantación iónica

En este trabajo se investiga la síntesis de estructuras SiC/Si mediante implantación iónica de carbono en Si. Las implantaciones se han realizado a energías entre 25 y 300 keV y las dosis en el rango lO^^ylO^^ cm , manteniendo el substrato a temperatura ambiente o 500°C. Algunas estructuras han sido recocidas a 1150°C. Los resultados indican que implantando a temperatura ambiente se forma una capa de SiC amorfa y de composición gradual, que recristaliza formando precipitados de ß-SiC con orientaciones aleatorias después del recocido. Además se forma un capa superficial rica en carbono, debida a la difusión del carbono hacia la superficie durante la implantación, y que desaparece con el recocido. Implantando a 500°C se forma directamente una capa con una muy alta densidad de precipitados de ß-SiC orientados preferencialmente con la matriz de silicio. Dada la estabilidad térmica y química de dicha capa se han realizado membranas de SiC mediante técnicas fotolitográficas y ataque químico selectivo, cuya rugosidad superficial es inferior a 6 nm. Estas membranas muestran unos gradientes de tensiones residuales, que prácticamente desaparecen después del recocido. Los resultados confirman la potencialidad de la implantación iónica para la formación de estructuras microme-cánicas de SiC sobre Si.

Establiment d'un protocol de preparació de mostres d'esponja per a l'anàlisi d'isòtops estables de silici

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada a Alfred Wegener Institut für Polar und Meeresforschung, Alemanya, entre juliol i setembre de 2007. Les mostres biològiques usades per a la determinació d’isòtops estables de silici fins a l’actualitat han estat bàsicament provinents de diatomees, i poc se sap de la relació amb el silici que d’altres organismes tenen, com per exemple les esponges (demosponges i hexactinèl.lides). La zona de la Mar de Weddell (Antàrtida) té aigües amb concentracions de silici dissoltes molt elevades, i les seves plataformes continentals presenten una de les faunes bentòniques més ben desenvolupades del planeta, que sovint és dominada per comunitats d’esponges silíciques. L’estudi del cicle del silici en aquestes àrees pot contribuir a respondre preguntes actuals i sobre el passat de les masses d’aigua, així com de l’ecologia dels organismes. El present projecte ha tingut com a objectiu desenvolupar una metodologia per a la preparació de mostres biològiques per a l’anàlisi d’isòtops estables de silici. El desenvolupament del protocol de preparació de les mostres és un procés d’assaig i error lent, però necessari per a la realització de les anàlisis i per a la futura facilització als potencials usuaris d’un protocol estandaritzat. Es presenta el protocol formulat, amb comentaris d’utilitat.

Estabilitat i diagènesis dels fitòlits de silici en els jaciments arqueològics

Estudi realitzat a partir d’una estada al Kimmel Center for Archaeological Research, Israel, entre 2010 i 2012. Els fitòlits són un dels components principals dels sediments arqueològics. Són relativament estables i menys propensos a la degradació biològica que altres restes vegetals, però també poden ser afectats per la diagènesis. Per entendre com la diagènesis afecta als fitòlits hem desenvolupat una aproximació experimental utilitzant solucions alcalines per determinar l’estabilitat individual de fitòlits fòssils i moderns. L’experimentació ha estat completada amb un estudi de camp a Izbet Sartah. Els resultats mostren com la diagènesis canvia la composició dels conjunts de fitòlits, i per tant afecta la interpretació arqueològica. Conseqüentment, hem desenvolupat un mètode per determinar l’estat de preservació dels fitòlits en els jaciments arqueològics. L’experimentació mostra com els fitòlits moderns són més solubles que els fitòlits fòssils. Tant els fitòlits fòssils com els moderns són menys estables si són cremats. No totes les morfologies es preserven igual, indicant així que hi ha unes morfologies més estables que unes altres. Els fitòlits amb decoracions delicades, especialment aquells formats a la inflorescència de gramínies, són més propensos a la dissolució que els de les fulles. L’avaluació de l’estat de preservació dels fitòlits en jaciments arqueològics es pot realitzar utilitzant un conjunt de tècniques com ara: l’Index de Variació de Fitòlits, el mètode de dissolució ràpida, la identificació de morfologies delicades i la utilització del FTIR. Proposem que la diagènesis dels fitòlits depèn directament de la quantitat inicial de fitòlits en els sediments, la velocitat de sedimentació, i la presència o absència de fitòlits i plantes modernes en l’àrea estudiada. Els resultats d’aquesta investigació han estat publicats en dos articles afegits al final de l’informe (Cabanes et al., 2011 i Cabanes et al., in press), presentats en congressos internacionals i utilitzats indirectament en altres investigacions.

Efectes de l’altura solar, la nuvolositat i la temperatura en les mesures dels piranòmetres de silici = Efectos de la altura solar, la nubosidad y la temperatura en las medidas de los piranometros de silicio

La mesura de la irradiància solar en superfície es fa mitjançant piranòmetres amb sensor termoelèctric o amb sensor de silici. Aquests darrers presenten una resposta espectral no uniforme i limitada a la banda de 400 a 1100 nm, i, a més, la seva sensibilitat depèn fortament de la temperatura. Els piranòmetres termoelèctrics, en canvi, presenten una resposta espectral uniforme en la banda solar, i un coeficient de temperatura reduït. L’objectiu de l’estudi que es presenta ha estat millorar l’acord entre les mesures d’irradiància global preses amb un piranòmetre termoelèctric CM11 de Kipp & Zonen, i diversos piranòmetres fotovoltaics o de silici Li200SA de Li-Cor. Com que la resposta angular dels sensors s’aparta en general de la resposta cosinus ideal, es proposen unes correccions a tal efecte. S’han analitzat les dades minutals corresponents a un cicle anual de mesures d’irradiància preses pels dos tipus de piranòmetres a l’estació radiomètrica de la Universitat de Girona. Les correccions proposades per la resposta angular dels instruments es basen en bibliografia prèvia, i també en simulacions realitzades amb un model espectral de transferència radiativa multicapa. La simulació ha permès obtenir correccions per compensar les diferents respostes angulars i espectrals dels dos tipus d’instruments. Per a cels serens, les correccions angulars i espectrals milloren notablement l’acord entre les mesures dels dos tipus de piranòmetres. També es proposa una correcció de l’efecte de la temperatura sobre la mesura dels piranòmetres de silici, obtinguda empíricament. Malgrat que les correccions s’han obtingut per a cels serens, han estat també aplicades a condicions de cel ennuvolat, caracteritzades objectivament mitjançant un algorisme basat en mesures d’irradiància global i difusa. Finalment s’ha comprovat que les correccions també milloren l’acord entre les mesures dels dos tipus de sensors independentment de l’extensió de la coberta de núvols

Fabricació de Lents Zonals de Fresnel per aplicació als raigs X tous

Estudi elaborat a partir d’una estada al Paul Scherrer Institut del Maig a l’Octubre del 2006 amb l’ajuda i supervisió dels Dr. Konstantins Jefimovs i Dr. Christian David. Focalitzar raigs X tous és una necessitat essencial per al microanàlisis, la microscopia, i fer imatges en moltes Instal·lacions de Radiació Sincrotró. Les Lents Zonals de Fresnel (FZP, de la denominació anglesa “Fresnel Zone Plates”) han demostrat donar uns punts focals amb una resolució espacial destacada i una baixa il·luminació de fons. Tanmateix, la fabricació de FZP és complexa i no totalment reproduïble. A més a més, el temps de vida de les FZP és força curt, ja que estant situades sobre membranes de nitrur de silici molt fines i altament absorbents. Per tant, hem fet esforços per implementar FZP de silici, que s’espera que siguin més resistents. L’element està fet d’una oblia de cristall de silici poc absorbent, i no presenta cap interfase entre materials. Així doncs, aquestes lents són especialment adequades per a aguantar les extremes càrregues de radiació de les fonts de raigs X més brillants. Particularment, això és molt important per a les aplicacions a les pròximes generacions de fonts de raigs X, com els Làsers d’Electrons Lliures (FEL, de la denominació anglesa “Free Electron Laser”). El silici també garanteix que no hi hagi cap banda d’absorció en el rang d’energies de la finestra de l’aigua (200-520 eV), fent aquestes lents ideals per a fer imatges de mostres biològiques. En aquest informe, hi ha una descripció detallada de tots els passos involucrats en la fabricació de les Lents Zonals de Fresnel de silici. En resum, les estructures de FZP es modelen sobre una resina utilitzant litografia per feix d’electrons i llavors el patró es transmet al silici mitjançant un gravat d’ions reactius (RIE, de la denominació anglesa ‘Reactive Ion Etching’) utilitzant una fina (20 nm) màscara de Crintermitja. Les membranes de silici es poden aprimar després de la fabricació de les estructures per a garantir una transmissió suficient fins i tot a baixes energies. Aquest informe també inclou l’anàlisi i la discussió d’alguns experiments preliminars per avaluar el rendiment de les Si FZPs fets a la línia de llum PolLux del Swiss Ligth Source amb l’ajuda dels Dr. Jörg Raabe i Dr. George Tzvetkov.

Diseño de filtros de onda acústica basados en estructuras "half lattice"

En los últimos tiempos la telefonía móvil ha experimentado una reducción de los terminales gracias a la miniaturización de los filtros a frecuencias de microondas. Los filtros pasa banda más utilizados son los basados en la tecnología SAW, sin embargo son incompatibles con tecnologías de silicio y su comportamiento se degrada a frecuencias superiores de 3 GHz, por ello los estudios actuales se centran en la tecnología BAW. Las dos arquitecturas convencionales de filtros basados en resonadores BAW unidos eléctricamente son el ladder y lattice. Sin embargo, en este proyecto se estudiará la topología half lattice, la cual presenta un mejor comportamiento y unas dimensiones más reducidas. Para ello se obtendrán las ecuaciones de diseño del filtro, y con ellas se realizará la implementación a partir de la frecuencia central y el ancho de banda relativo.

Diseño y fabricación de micro/nanochips para identificación y actuación en células vivas

Este estudio abarca el diseño, desarrollo tecnológico y fabricación, mediante la utilización de tecnologías de Micro y Nanosistemas, de herramientas en el orden de las micras y los nanómetros. Estos dispositivos serán utilizados en el estudio, identificación e interactuación con células vivas, ya que sus pequeñas dimensiones los hacen idóneos para su aplicación en el campo de la Biología Celular. Estas micro y nanoherramientas pueden usarse para el estudio, identificación o actuación de células vivas desde el exterior. Pero también pueden ser microinyectadas, lipofectadas o fagocitadas por parte de la misma célula, y de esta manera hacer estudios o actuar de forma intracelular.

Engineering the thermal emission of macroporous silicon

Todos los cuerpos emiten luz espontaneamente al ser calentados. El espectro de radiacion es una funcion de la temperatura y el material. Sin embargo, la mayoria de los materiales irradia, en general, en una banda espectral amplia. Algunas matereiales, por el contrario, son capaces de concentrar la radiacion termica en una banda espectral mucho mas estrecha. Estos materiales se conocen como emisores selectivos y su uso tiene un profundo impacto en la eficiencia de sistemas sistemas tales como iluminacion y conversion de energia termofotovoltaica. De los emisores selectivos se espera que sean capaces de operar a altas temperaturas y que emitan en una banda espectral muy concisa. Uno de los metodos mas prometedores para controlar y disenar el espectro de emision termico es la utilizacion de cristales fotonicos. Los cristales fotonicos son estructuras periodicas artificiales capaces de controlar y confinar la luz de formas sin precedentes. Sin embargo, la produccion de dichas estructuras con grandes superficies y capaces de soportar altas temperaturas sigue siendo una dificil tarea. Este trabajo esta dedicada al estudio de las propiedades de emision termica de estructuras 3D de silicio macroporoso en el rango espectral mid-IR (2-30 m). En particular, este trabajo se enfoca en reducir la elevada emisividad del silicio cristalino. Las muestras estudiadas en este trabajo tienen una periodicidad de 4 m, lo que limitan los resultados obtenidos a la banda del infrarrojo medio, aunque estructuras mucho mas pequenas son tecnologicamente realizables con el metodo de fabricacion utilizado. Hemos demostrado que el silicio macroporoso 3D puede inhibir completamente la emision termica en su superficie. Mas aun, esta banda se puede ajustar en un amplio margen mediante pequenos cambios durante la formacion de los macroporos. Tambien hemos demostrado que tanto el ancho como la frecuencia de la banda de inhibicion se puede doblar mediante la aplicacion de tecnicas de postprocesado adecuadas. Finalmente hemos mostrado que es posible crear bandas de baja emisividad arbitrariamente anchas mediante estructuras macroporosas aperiodicas.

Formación de nanoestructuras de silicio por evaporación térmica y pulverización catódica. Intento de crecimiento de nanohilos de silicio

El proyecto tiene como objetivo estudiar las posibilidades de síntesis de nanohilos de silicio mediante evaporación térmica y pulverización catódica. Con estas técnicas se pretende lograr un crecimiento aditivo en un escenario VLS (Vapor Liquid Solid). Se han utilizado obleas de silicio recubiertas de oro o aluminio como catalizador, sometidas a un tratamiento térmico para lograr una aleación eutéctica. Se han realizado 19 ensayos variando los parámetros experimentales, y se han obtenido 44 muestras diferentes, caracterizadas mediante SEM. Después de un estudio exhaustivo no se ha podido hacer crecer nanohilos de silicio, confirmando la dificultad de su obtención con las técnicas propuestas.

Oxidation of silicon: further tests for the interfacial silicon emission model

The classical description of Si oxidation given by Deal and Grove has well-known limitations for thin oxides (below 200 Ã). Among the large number of alternative models published so far, the interfacial emission model has shown the greatest ability to fit the experimental oxidation curves. It relies on the assumption that during oxidation Si interstitials are emitted to the oxide to release strain and that the accumulation of these interstitials near the interface reduces the reaction rate there. The resulting set of differential equations makes it possible to model diverse oxidation experiments. In this paper, we have compared its predictions with two sets of experiments: (1) the pressure dependence for subatmospheric oxygen pressure and (2) the enhancement of the oxidation rate after annealing in inert atmosphere. The result is not satisfactory and raises serious doubts about the model’s correctness

Silicon nanocluster sensitization of erbium ions under low-energy optical excitation

The sensitizing action of amorphous silicon nanoclusters on erbium ions in thin silica films has been studied under low-energy (long wavelength) optical excitation. Profound differences in fast visible and infrared emission dynamics have been found with respect to the high-energy (shortwavelength) case. These findings point out to a strong dependence of the energy transfer process on the optical excitation energy. Total inhibition of energy transfer to erbium states higher than thefirst excited state (4I13/2) has been demonstrated for excitation energy below 1.82 eV (excitation wavelength longer than 680 nm). Direct excitation of erbium ions to the first excited state (4I13/2)has been confirmed to be the dominant energy transfer mechanism over the whole spectral range of optical excitation used (540 nm¿680 nm).

Polarization strategies to improve the emission of a Si-based light source emitting at 1.55 um

We present a electroluminescence (EL) study of the Si-rich silicon oxide (SRSO) LEDs with and without Er3+ ions under different polarization schemes: direct current (DC) and pulsed voltage (PV). The power efficiency of the devices and their main optical limitations are presented. We show that under PV polarization scheme, the devices achieve one order of magnitude superior performance in comparison with DC. Time-resolved measurements have shown that this enhancement is met only for active layers in which annealing temperature is high enough (>1000 ◦C) for silicon nanocrystal (Si-nc) formation. Modeling of the system with rate equations has been done and excitation cross-sections for both Si-nc and Er3+ ions have been extracted.

Electroluminiscence and optical amplification in silicon nanostructures: towards the integration of electronics and photonics

This line of research of my group intends to establish a Silicon technological platform in the field of photonics allowing the development of a wide set of applications. Particularly, what is still lacking in Silicon Photonics is an efficient and integrable light source such an LED or laser. Nanocrystals in silicon oxide or nitride matrices have been recently demonstrated as competitive materials for both active components (electrically and optically driven light emitters and optical amplifiers) and passive ones (waveguides and modulators). The final goal is the achievement of a complete integration of electronic and optical functions in the same CMOS chip. The first part of this paper will introduce the structural and optical properties of LEDs fabricated from silicon nanostructures. The second will treat the interaction of such nanocrystals with rare-earth elements (Er), which lead to an efficient hybrid system emitting in the third window of optical fibers. I will present the fabrication and assessment of optical waveguide amplifiers at 1.54 ¿m for which we have been able to demonstrate recently optical gain in waveguides made from sputtered silicon suboxide materials.