Nano-scale morphological and electrical characterization of nc-SiOxNy thin layers for photovoltaic applications

Il presente lavoro di tesi propone uno studio approfondito di proprietà morfologiche e di trasporto di carica di film sottili di SiOxNy amorfi (a-SiOxNy) e nanocristallini (nc-SiOxNy), che trovano importanti applicazioni in celle fotovoltaiche ad eterogiunzione in silicio, ad alta efficienza. Lo studio è condotto mediante caratterizzazione elettrica e morfologica attraverso tecniche di microscopia a forza atomica (AFM). Sono stati studiati campioni di a-SiOxNy cresciuti con tecnica PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), in cui è stata variata unicamente la distanza tra gli elettrodi durante la deposizione. Sono stati inoltre studiati campioni di nc-SiOxNy, cresciuti con PECVD con una differente percentuale di N2O come gas precursore e un differente tempo di annealing. In entrambi i casi si tratta di un materiale innovativo, le cui proprietà fisiche di base, nonostante le numerose applicazioni, sono ancora poco studiate. L'analisi morfologica, condotta mediante AFM e successiva analisi statistica delle immagini, ha permesso di determinare alcune proprietà morfologiche dei campioni. L’analisi statistica delle immagini è stata validata, dimostrandosi stabile e consistente per lo studio di queste strutture. Lo studio delle proprietà di trasporto è stato condotto mediante acquisizione di mappe di corrente con tecnica conductive-AFM. In questo modo si è ottenuta una mappa di conducibilità locale nanometrica, che permette di comprendere come avviene il trasporto nel materiale. L'analisi di questo materiale mediante tecniche AFM ha permesso di evidenziare che l'annealing produce nei materiali nanocristallini sia un clustering della struttura, sia un significativo aumento della conducibilità locale del materiale. Inoltre la distanza tra gli elettrodi in fase di deposizione ha un leggero effetto sulle dimensioni dei grani. È da notare inoltre che su questi campioni si sono osservate variazioni locali della conducibilità alla nanoscala. L’analisi delle proprietà dei materiali alla nanoscala ha contribuito alla comprensione più approfondita della morfologia e dei meccanismi di trasporto elettronico.

Spectral distortions of the cosmic microwave background and small-scale gravitational waves as new windows on the Early Universe

In this thesis, we explore constraints which can be put on the primordial power spectrum of curvature perturbations beyond the scales probed by anisotropies of the cosmic microwave background and galaxy surveys. We exploit present and future measurements of CMB spectral distortions, and their synergy with CMB anisotropies, as well existing and future upper limits on the stochastic background of gravitational waves. We derive for the first time phenomenological templates that fit small-scale bumps in the primordial power spectrum generated in multi-field models of inflation. By using such templates, we study for the first time imprints of primordial peaks on anisotropies and spectral distortions of the cosmic microwave background and we investigate their contribution to the stochastic background of gravitational waves. Through a Monte Carlo Markov Chain analysis we infer for the first time the constraints on the amplitude, the width and the location of such bumps using Planck and FIRAS data. We also forecast how a future spectrometer like PIXIE could improve FIRAS boundaries. The results derived in this thesis have implications for the possibility of primordial black holes from inflation.