Nanoscale capacitance microscopy of thin dielectric films

We present an analytical model to interpret nanoscale capacitance microscopy measurements on thin dielectric films. The model displays a logarithmic dependence on the tip-sample distance and on the film thickness-dielectric constant ratio and shows an excellent agreement with finite-element numerical simulations and experimental results on a broad range of values. Based on these results, we discuss the capabilities of nanoscale capacitance microscopy for the quantitative extraction of the dielectric constant and the thickness of thin dielectric films at the nanoscale.

Effective mass and dielectric constant mismatch effects in spherical multishell quantum dots

The role of effective mass and dielectric mismatches on chemical potentials and addition energies of many-electron multishell quantum dots (QDs) is explored within the framework of a recent extension of the spin density functional theory. It is shown that although the gross electronic density is located in the wells of these multishell QDs, taking position-dependent effective mass and dielectric constant into account can lead to the appearance of relevant differences in chemical potential and addition energies as compared to standard calculations in which the effective mass and the dielectric constant of the well is assumed for the whole multishell structure.

Dielectric formulation for Many-Particle Systems with General Interactions

An extension of the self-consistent field approach formulation by Cohen in the preceding paper is proposed in order to include the most general kind of two-body interactions, i.e., interactions depending on position, momenta, spin, isotopic spin, etc. The dielectric function is replaced by a dielectric matrix. The evaluation of the energies involves the computation of a matrix inversion and trace.

Nonparabolicity and dielectric effects on addition energy spectra of spherical nanocrystals

An extension of the spin density functional theory simultaneously accounting for dielectric mismatch between neighboring materials and nonparabolicity corrections originating from interactions between conduction and valence bands is presented. This method is employed to calculate ground state and addition energy spectra of homogeneous and multishell spherical quantum dots. Our calculations reveal that corrections become especially relevant when they come into play simultaneously in strong regimes of spatial confinement.

Dielectric anomaly and magnetic response of epitaxial orthorhombic YMnO3 thin films

The structure, magnetic response, and dielectric response of the grown epitaxial thin films of the orthorhombic phase of YMnO3 oxide on Nb:SrTiO3 (001) substrates have been measured. We have found that a substrate-induced strain produces an in-plane compression of the YMnO3 unit cell. The magnetization versus temperature curves display a significant zero-field cooling (ZFC)-field cooling hysteresis below the Nel temperature (TN 45 K). The dielectric constant increases gradually (up to 26%) below the TN and mimics the ZFC magnetization curve. We argue that these effects could be a manifestation of magnetoelectric coupling in YMnO3 thin films and that the magnetic structure of YMnO3 can be controlled by substrate selection and/or growth conditions.

A consistent extension of the local spin density approximation to account for quantum dot mass and dielectric mismatches

A consistent extension of local spin density approximation (LSDA) to account for mass and dielectric mismatches in nanocrystals is presented. The extension accounting for variable effective mass is exact. Illustrative comparisons with available configuration interaction calculations show that the approach is also very reliable when it comes to account for dielectric mismatches. The modified LSDA is as fast and computationally low demanding as LSDA. Therefore, it is a tool suitable to study large particle systems in inhomogeneous media without much effort.

Determinació de la ubicació estructural dels ions Yb3+ i Nb3+ en Yb:RTP, Nb:RTP i (Nb,Yb):RTP

Estudi elaborat a partir d’una estada al Stony Brook University al juliol del 2006. El RbTiOPO4 (RTP) monocristal•lí és un material d' òptica no lineal molt rellevant i utilitzat en la tecnologia làser actual, químicament molt estable i amb unes propietats físiques molt destacades, entre elles destaquen els alts coeficients electro-òptics i l'alt llindar de dany òptic que presenta. En els últims anys s’està utilitzant tecnològicament en aplicacions d'òptica no lineal en general i electro-òptiques en particular. En alguns casos ja ha substituït, millorant prestacions, a materials tals com el KTP o el LNB(1). Dopant RTP amb ions lantànids (Ln3+) (2-4), el material es converteix en un material làser auto-doblador de freqüència, combinant les seves propietats no lineals amb les de matriu làser. El RTP genera radiació de segon harmònic (SHG) a partir d’un feix fonamental amb longituds d’ona inferiors a 990 nm, que és el límit que presenta el KTP.La determinació de la ubicació estructural i l’estudi de l'entorn local del ions actius làser és de fonamental importància per a la correcta interpretació de les propietats espectroscòpiques d’aquest material. Mesures de difracció de neutrons sobre mostra de pols cristal•lí mostren que els ions Nb5+ i Ln3+ només substitueixin posicions de Ti4+ (8-9). Estudis molt recents d'EPR (electron paramagnetic resonance) semblen indicar que quan la concentració d'ió Ln3+ es baixa, aquest ió presenta la tendència a substituir l'ió alcalí present a l'estructura (10).Després dels resultats obtinguts en el present treball a partir de la tècnica EXAFS a la instal•lació sincrotò del Brookhaven National Laboratory/State University of New York (Stony Brook) es pot concloure definitivament que els ions Nb s’ubiquen en la posició Ti (1) i que els ions Yb3+ es distribueixen paritariament en les dues posicions del Ti (1 i 2). Aquests resultats aporten una valuosa informació per a la correcta interpretació dels espectres, tant d’absorció com d’emissió, del material i per la avaluació dels paràmetres del seu comportament durant l'acció làser.

Diseño e implementación de un divisor de potencia en banda dual con estructuras metamateriales basadas en CSRRs

L'electromagnetisme és una branca de la física que està en continu estudi. Fins a mitjans de la dècada dels 60 es pensava que, per a la propagació de les ones electromagnètiques fos possible, els medis propagatius havien de presentar una permitivitat dielèctrica i una permeabilitat magnètica simultàniament positives. No obstant, Victor G. Veselago va revolucionar la teoria electromagnètica amb la idea dels medis amb ε i μ negatives i va donar amb això origen als medis metamaterials. En el present treball s'estudiaran els principis físics en els que es fonamenten els metamaterials. Es veuran algunes de les seves característiques que els converteixen en medis exòtics i com aquestes poden ser utilitzades en el desenvolupament de dispositius amb prestacions difícils d'obtenir amb les tecnologies convencionals. A continuació s'aplicaran els conceptes tractats en el disseny d'un inversor d'impedàncies implementat mitjançant ressonadors en anells oberts complementaris. Aquest dispositiu, que presentarà un funcionament en banda dual, serà utilitzat en el posterior disseny d'un divisor de potencia. Finalment es realitzarà la implementació física del divisor de potencia dissenyat i es verificarà el seu correcte funcionament amb les mesures pertinents.

Millora de la resposta electro-mecànica per a ressonadors d'alta freqüència basats en MEMS

Report for the scientific sojourn at the Department of Micro and Nanotechnology of the Technical University of Denmark from August until December 2006. The research was focused on designing and carrying out a technological process for fabricating high frequency resonators with dielectric solid transducer gaps.

Caracterización de materiales en banda W

Para medir los coeficientes de transmisión y reflexión, S21 y S11, de diferentes materiales o muestras planas, se usa un sistema de toma de medidas en espacio libre operando banda W (75 – 110 GHz). Usando estos parámetros, S21 y S11, podemos calcular la permitividad dieléctrica relativa compleja (Er ) y la permeabilidad magnética relativa compleja (μr) mediante un proceso llamado NRW (Nicolson-Ross-Weir). El sistema para medir consiste en dos antenas de bocina, una transmisora y otra receptora, dos espejos con los que obtenemos una onda plana para medir las propiedades del material y un ordenador o dispositivo que calcula los resultados. Este dispositivo requiere de calibración para la obtención de resultados óptimos. Dicho sistema se puede simular de manera ideal con un software llamado ADS (Assistance Design System) para el estudio y comparación de grosores, permitividades dieléctricas relativas y permeabilidades magnéticas relativas de los materiales en función de la frecuencia.

Modelització de les propietats òptiques de partícules metàl•liques en matriu dielèctrica

En el marc del projecte "Modelització de les propietats òptiques de partícules metàl•liques en matriu dielèctrica" s'han desenvolupat un conjunt d'eines numèriques que permeten avançar en l'ús de l'espectroscòpia òptica per a l'obtenció d'informació morfològica de materials compostos consistents en partícules metàl•liques en matriu dielèctrica. S'han implementat esquemes numèrics per a calcular les propietats òptiques de materials compostos on les partícules poden presentar una distribució de mides i formes i diferent graus d'ordenament espacial. Les simulacions s'han realitzat a dos nivells: i) amb l’aproximació quasi-estàtica, que permet descriure el comportament d'aquests materials en termes de constants òptiques efectives i ii) amb càlculs electrodinàmics exactes, que han servit per avaluar la validesa de l’aproximació anterior i que han permès d'estudiar la interacció de partícules amb feixos de llum focalitzats o amb polarització no homogènia. A través de l’anàlisi d'aquestes simulacions, s'han desenvolupat models senzills que permeten parametritzar la influència de diferents quantitats físiques en el comportament òptic del material. Aquests models s'han implementat en un programari de càlcul que permeten trobar el valor òptim dels paràmetres físics d'interès mitjançant l'ajust d'espectres òptics. Els models s'han avaluat amb l'anàlisi de dades experimentals subministrades per altres laboratoris.

Residual thermomechanical stresses in thinned-chip assemblies

A new technology for the three-dimensional (3-D) stacking of very thin chips on a substrate is currently under development within the ultrathin chip stacking (UTCS) Esprit Project 24910. In this work, we present the first-level UTCS structure and the analysis of the thermomechanical stresses produced by the manufacturing process. Chips are thinned up to 10 or 15 m. We discuss potentially critical points at the edges of the chips, the suppression of delamination problems of the peripheral dielectric matrix and produce a comparative study of several technological choices for the design of metallic interconnect structures. The purpose of these calculations is to give inputs for the definition of design rules for this technology. We have therefore undertaken a programme that analyzes the influence of sundry design parameters and alternative development options. Numerical analyses are based on the finite element method.

Optical response of Cu3Ge thin films

We report an investigation on the optical properties of Cu3Ge thin films displaying very high conductivity, with thickness ranging from 200 to 2000 Å, deposited on Ge substrates. Reflectance, transmittance, and ellipsometric spectroscopy measurements were performed at room temperature in the 0.01-6.0, 0.01-0.6, and 1.4-5.0 eV energy range, respectively. The complex dielectric function, the optical conductivity, the energy-loss function, and the effective charge density were obtained over the whole spectral range. The low-energy free-carrier response was well fitted by using the classical Drude-Lorentz dielectric function. A simple two-band model allowed the resulting optical parameters to be interpreted coherently with those previously obtained from transport measurements, hence yielding the densities and the effective masses of electrons and holes.

Anomalous crossover between thermal and shot noise in macroscopic diffusive conductors

We predict the existence of an anomalous crossover between thermal and shot noise in macroscopic diffusive conductors. We first show that, besides thermal noise, these systems may also exhibit shot noise due to fluctuations of the total number of carriers in the system. Then we show that at increasing currents the crossover between the two noise behaviors is anomalous, in the sense that the low-frequency current spectral density displays a region with a superlinear dependence on the current up to a cubic law. The anomaly is due to the nontrivial coupling in the presence of the long-range Coulomb interaction among the three time scales relevant to the phenomenon, namely, diffusion, transit, and dielectric relaxation time.

Shot noise in linear macroscopic resistors

We report on direct experimental evidence of shot noise in a linear macroscopic resistor. The origin of the shot noise comes from the fluctuation of the total number of charge carriers inside the resistor associated with their diffusive motion under the condition that the dielectric relaxation time becomes longer than the dynamic transit time. The present results show that neither potential barriers nor the absence of inelastic scattering are necessary to observe shot noise in electronic devices.