Determination of local density of states in amorphous oxide semiconductors with Kelvin Probe Force Microscopy

Amorphous semiconductors are important materials as they can be deposited by physical deposition techniques on large areas and even on plastic substrates. Therefore, they are crucial for transistors in large active matrices for imaging and transparent wearable electronics. The most widely applied candidate for amorphous thin film transistors production is Indium Gallium Zinc Oxide (IGZO). It is attracting much interest because of its optical transparency, facile processing by sputtering deposition and notable improved charge carrier mobility with respect to hydrogenated amorphous silicon a-Si:H. Degradation of the device and long-term performance issues have been observed if IGZO thin film transistors are subjected to electrical stress, leading to a modification of IGZO channel properties and subthreshold slope. Therefore, it is of great interest to have a reliable and precise method to study the conduction band tail, and the density of states in amorphous semiconductors. The aim of this thesis is to develop a local technique using Kelvin Probe Force Microscopy to study the evolution of IGZO DOS properties. The work is divided into three main parts. First, solutions to the non-linear Poisson-Boltzmann equation of a metal-insulator-semiconductor junction describing the charge accumulation and its relation to DOS properties are elaborated. Second macroscopic techniques such as capacitance voltage (CV) measurements and photocurrent spectroscopy are applied to obtain a non-local estimate of band-tail DOS properties in thin film transistor samples. The third part of my my thesis is dedicated to the KPFM measurements. By fitting the data to the developed numerical model, important parameters describing the amorphous conduction band tail are obtained. The results are in excellent agreement with the macroscopic characterizations. KPFM result is comparable also with non-local optoelectronic characterizations, such as photocurrent spectroscopy.

Numerical simulation of interdigitated back contact hetero-junction solar cells

The goal of this thesis is the application of an opto-electronic numerical simulation to heterojunction silicon solar cells featuring an all back contact architecture (Interdigitated Back Contact Hetero-Junction IBC-HJ). The studied structure exhibits both metal contacts, emitter and base, at the back surface of the cell with the objective to reduce the optical losses due to the shadowing by front contact of conventional photovoltaic devices. Overall, IBC-HJ are promising low-cost alternatives to monocrystalline wafer-based solar cells featuring front and back contact schemes, in fact, for IBC-HJ the high concentration doping diffusions are replaced by low-temperature deposition processes of thin amorphous silicon layers. Furthermore, another advantage of IBC solar cells with reference to conventional architectures is the possibility to enable a low-cost assembling of photovoltaic modules, being all contacts on the same side. A preliminary extensive literature survey has been helpful to highlight the specific critical aspects of IBC-HJ solar cells as well as the state-of-the-art of their modeling, processing and performance of practical devices. In order to perform the analysis of IBC-HJ devices, a two-dimensional (2-D) numerical simulation flow has been set up. A commercial device simulator based on finite-difference method to solve numerically the whole set of equations governing the electrical transport in semiconductor materials (Sentuarus Device by Synopsys) has been adopted. The first activity carried out during this work has been the definition of a 2-D geometry corresponding to the simulation domain and the specification of the electrical and optical properties of materials. In order to calculate the main figures of merit of the investigated solar cells, the spatially resolved photon absorption rate map has been calculated by means of an optical simulator. Optical simulations have been performed by using two different methods depending upon the geometrical features of the front interface of the solar cell: the transfer matrix method (TMM) and the raytracing (RT). The first method allows to model light prop-agation by plane waves within one-dimensional spatial domains under the assumption of devices exhibiting stacks of parallel layers with planar interfaces. In addition, TMM is suitable for the simulation of thin multi-layer anti reflection coating layers for the reduction of the amount of reflected light at the front interface. Raytracing is required for three-dimensional optical simulations of upright pyramidal textured surfaces which are widely adopted to significantly reduce the reflection at the front surface. The optical generation profiles are interpolated onto the electrical grid adopted by the device simulator which solves the carriers transport equations coupled with Poisson and continuity equations in a self-consistent way. The main figures of merit are calculated by means of a postprocessing of the output data from device simulation. After the validation of the simulation methodology by means of comparison of the simulation result with literature data, the ultimate efficiency of the IBC-HJ architecture has been calculated. By accounting for all optical losses, IBC-HJ solar cells result in a theoretical maximum efficiency above 23.5% (without texturing at front interface) higher than that of both standard homojunction crystalline silicon (Homogeneous Emitter HE) and front contact heterojuction (Heterojunction with Intrinsic Thin layer HIT) solar cells. However it is clear that the criticalities of this structure are mainly due to the defects density and to the poor carriers transport mobility in the amorphous silicon layers. Lastly, the influence of the most critical geometrical and physical parameters on the main figures of merit have been investigated by applying the numerical simulation tool set-up during the first part of the present thesis. Simulations have highlighted that carrier mobility and defects level in amorphous silicon may lead to a potentially significant reduction of the conversion efficiency.

Manufacturing and characterization of amorphous silicon alloys passivation layers for silicon hetero-junction solar cells

Nel presente lavoro di tesi magistrale sono stati depositati e caratterizzati film sottili (circa 10 nm) di silicio amorfo idrogenato (a-Si:H), studiando in particolare leghe a basso contenuto di ossigeno e carbonio. Tali layer andranno ad essere implementati come strati di passivazione per wafer di Si monocristallino in celle solari ad eterogiunzione HIT (heterojunctions with intrinsic thin layer), con le quali recentemente è stato raggiunto il record di efficienza pari a 24.7% . La deposizione è avvenuta mediante PECVD (plasma enhanced chemical vapour deposition). Tecniche di spettroscopia ottica, come FT-IR (Fourier transform infrared spectroscopy) e SE (spettroscopic ellipsometry) sono state utilizzate per analizzare le configurazioni di legami eteronucleari (Si-H, Si-O, Si-C) e le proprietà strutturali dei film sottili: un nuovo metodo è stato implementato per calcolare i contenuti atomici di H, O e C da misure ottiche. In tal modo è stato possibile osservare come una bassa incorporazione (< 10%) di ossigeno e carbonio sia sufficiente ad aumentare la porosità ed il grado di disordine a lungo raggio del materiale: relativamente a quest’ultimo aspetto, è stata sviluppata una nuova tecnica per determinare dagli spettri ellisometrici l’energia di Urbach, che esprime la coda esponenziale interna al gap in semiconduttori amorfi e fornisce una stima degli stati elettronici in presenza di disordine reticolare. Nella seconda parte della tesi sono stati sviluppati esperimenti di annealing isocrono, in modo da studiare i processi di cristallizzazione e di effusione dell’idrogeno, correlandoli con la degradazione delle proprietà optoelettroniche. L’analisi dei differenti risultati ottenuti studiando queste particolari leghe (a-SiOx e a-SiCy) ha permesso di concludere che solo con una bassa percentuale di ossigeno o carbonio, i.e. < 3.5 %, è possibile migliorare la risposta termica dello specifico layer, ritardando i fenomeni di degradazione di circa 50°C.

Looking for silicene: studies of silicon deposition on metallic and semiconductor substrates

Nel presente lavoro espongo i risultati degli esperimenti svolti durante la mia internship all’Institut des NanoSciences de Paris (INSP), presso l’Università Pierre et Marie Curie (Paris VI), nel team "Phisico-Chimie et Dynamique des Surfaces", sotto la supervisione del Dott. Geoffroy Prévot. L’elaborato è stato redatto e in- tegrato sotto la guida del Dott. Pasquini, del dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Bologna. La tesi s’inserisce nel campo di ricerca del silicene, i.e. l’allotropo bidimensionale del silicio. Il cosidetto free-standing silicene è stato predetto teoricamente nel 2009 utilizzando calcoli di Density Functional Theory, e da allora ha stimolato un’intensa ricerca per la sua realizzazione sperimentale. La sua struttura elettronica lo rende particolarmente adatto per eventuali appli- cazioni tecnologiche e sperimentali, mentre lo studio delle sue proprietà è di grande interesse per la scienza di base. Nel capitolo 1 presento innanzitutto la struttura del silicene e le proprietà previste dagli studi pubblicati nella letteratura scientifica. In seguito espongo alcuni dei risultati sperimentali ottenuti negli ultimi anni, in quanto utili per un paragone con i risultati ottenuti durante l’internship. Nel capitolo 2 presento le tecniche sperimentali che ho utilizzato per effettuare le misure. Molto tempo è stato investito per ottenere una certa dimistichezza con gli apparati in modo da svolgere gli esperimenti in maniera autonoma. Il capitolo 3 è dedicato alla discussione e analisi dei risultati delle misure, che sono presentati in relazione ad alcune considerazioni esposte nel primo capitolo. Infine le conclusioni riassumono brevemente quanto ottenuto dall’analisi dati. A partire da queste considerazioni propongo alcuni esperimenti che potrebbero ulteriormente contribuire alla ricerca del silicene. I risultati ottenuti su Ag(111) sono contenuti in un articolo accettato da Physical Review B.

Modeling multiple state electrostatically formed nanowire transistors

The present thesis work proposes a new physical equivalent circuit model for a recently proposed semiconductor transistor, a 2-drain MSET (Multiple State Electrostatically Formed Nanowire Transistor). It presents a new software-based experimental setup that has been developed for carrying out numerical simulations on the device and on equivalent circuits. As of 2015, we have already approached the scaling limits of the ubiquitous CMOS technology that has been in the forefront of mainstream technological advancement, so many researchers are exploring different ideas in the realm of electrical devices for logical applications, among them MSET transistors. The idea that underlies MSETs is that a single multiple-terminal device could replace many traditional transistors. In particular a 2-drain MSET is akin to a silicon multiplexer, consisting in a Junction FET with independent gates, but with a split drain, so that a voltage-controlled conductive path can connect either of the drains to the source. The first chapter of this work presents the theory of classical JFETs and its common equivalent circuit models. The physical model and its derivation are presented, the current state of equivalent circuits for the JFET is discussed. A physical model of a JFET with two independent gates has been developed, deriving it from previous results, and is presented at the end of the chapter. A review of the characteristics of MSET device is shown in chapter 2. In this chapter, the proposed physical model and its formulation are presented. A listing for the SPICE model was attached as an appendix at the end of this document. Chapter 3 concerns the results of the numerical simulations on the device. At first the research for a suitable geometry is discussed and then comparisons between results from finite-elements simulations and equivalent circuit runs are made. Where points of challenging divergence were found between the two numerical results, the relevant physical processes are discussed. In the fourth chapter the experimental setup is discussed. The GUI-based environments that allow to explore the four-dimensional solution space and to analyze the physical variables inside the device are described. It is shown how this software project has been structured to overcome technical challenges in structuring multiple simulations in sequence, and to provide for a flexible platform for future research in the field.

X-Ray Free-Electron Lasers

Recenti sviluppi nella progettazione di impianti di luce di sincrotrone di quarta generazione riguardano la produzione di fasci di luce nella banda dei raggi X con elevate caratteristiche in termini di brillanza, coerenza e impulsi estremamente brevi ( femtosecondo ) . I principali schemi per la produzione della radiazione XFEL riguardano l’impiego di ondulatori con differenti modalità di seeding. L’utilizzo dei fasci di radiazione XFEL nelle linee di luce per applicazioni di imaging, spettroscopia e diffrazione, ha determinato un costante sforzo sia nello sviluppo di dispositivi ottici in grado di selezionare e focalizzare il fascio su dimensioni nanometriche, che nella sperimentazione di tecniche “lensless” in grado di superare i limiti imposti dall’utilizzo di tali dispositivi . I risultati ottenuti nella produzione dei fasci hanno consentito nuove possibilità di indagine nella struttura dei materiali su distanze atomiche nella definizione, senza precedenti di dettagli su scale temporali del femtosecondo, permettendo lo studio, non solo di strutture atomiche in condizioni di equilibrio stabile quanto di stati della materia velocemente dinamici e di non equilibrio. CXDI e Spettroscopia Strutturale Ultraveloce risolte in tempo sono alcune delle tecniche in cui l’utilizzo della radiazione XFEL apre nuove possibilità di indagine agli stati transienti della materia permettendo la ricostruzione della dinamica di processi chimico –fisici su intervalli temporali finora inaccessibili .

Analysis of the state of the art of the biofabrication strategies for the regeneration of the myotendinous junction

La giunzione miotendinea (MTJ) è una struttura anatomica specializzata che collega il muscolo al tendine. La sua funzione è quella di permettere la trasmissione della forza generata dal muscolo al tendine, permettendo il movimento. Essendo una struttura di interfaccia che funge da raccordo tra due tipi di tessuti molto differenti, tende a risentire di una forte concentrazione di tensione, questo la rende fortemente suscettibile a rottura. Le tecniche ad oggi utilizzare per riparare lesioni alla MTJ risultano inadatte ad una completa ed ottimale ripresa meccanica. Al fine di trovare una soluzione a questo problema, l’ingegneria tissutale sta lavorando alla fabbricazione di strutture tridimensionali che siano in grado di imitare al meglio la struttura nativa della MTJ. Le tecniche utilizzate per la produzione di tali strutture sono, principalmente, stampa 3D ed elettrofilatura. Il vantaggio di queste tecniche è la loro elevata risoluzione, che permette di controllare finemente l’architettura di tali strutture artificiali. Nella seguente tesi verrà presentato lo stato dell’arte sulle tecniche utilizzate per la fabbricazione di scaffolds per la rigenerazione della MTJ, soffermandosi in particolare sui metodi di fabbricazione e sulle prestazioni morfologiche, meccaniche e cellulari effettuando un confronto tra i diversi studi che se ne sono occupati, individuandone punti di forza, debolezze e possibili studi futuri che potranno essere effettuati su tali scaffolds. In questo modo, sarà possibile rendersi conto di quale di queste tecniche risulti essere più promettente per il futuro.

Fabrication by magnetron sputtering and characterization of electrodes based on CuIn0.7Ga0.3Se2 (CIGS)

This thesis work aims to produce and test multilayer electrodes for their use as photocathode in a PEC device. The electrode developed is based on CIGS, a I-III-VI2 semiconductor material composed of copper (Cu), indium (In), Gallium (Ga) and selenium (Se). It has a bandgap in the range of 1.0-2.4 eV and an absorption coefficient of about 105cm−1, which makes it a promising photocathode for PEC water splitting. The idea of our multilayer electrode is to deposit a thin layer of CdS on top of CIGS to form a solid-state p–n junction and lead to more efficient charge separation. In addition another thin layer of AZO (Aluminum doped zinc oxide) is deposit on top of CdS since it would form a better alignment between the AZO/CdS/CIGS interfaces, which would help to drive the charge transport further and minimize charge recombination. Finally, a TiO2 layer on top of the electrodes is used as protective layer during the H2 evolution. FTO (Fluorine doped tin oxide) and Molybdenum are used as back-contact. We used the technique of RF magnetron sputtering to deposit the thin layers of material. The structural characterization performed by XDR measurement confirm a polycrystalline chalcopyrite structural with a preferential orientation along the (112) direction for the CIGS. From linear fit of the Tauc plot, we get an energy gap of about 1.16 eV. In addition, from a four points measurements, we get a resistivity of 0.26 Ωcm. We performed an electrochemical characterization in cell of our electrodes. The results show that our samples have a good stability but produce a photocurrent of the order of μA, three orders of magnitude smaller than our targets. The EIS analysis confirm a significant depletion of the species in front of the electrode causing a lower conversion of the species and less current flows.