The origin of incipient ferroelectricity in lead telluride.

The interactions between electrons and lattice vibrations are fundamental to materials behaviour. In the case of group IV-VI, V and related materials, these interactions are strong, and the materials exist near electronic and structural phase transitions. The prototypical example is PbTe whose incipient ferroelectric behaviour has been recently associated with large phonon anharmonicity and thermoelectricity. Here we show that it is primarily electron-phonon coupling involving electron states near the band edges that leads to the ferroelectric instability in PbTe. Using a combination of nonequilibrium lattice dynamics measurements and first principles calculations, we find that photoexcitation reduces the Peierls-like electronic instability and reinforces the paraelectric state. This weakens the long-range forces along the cubic direction tied to resonant bonding and low lattice thermal conductivity. Our results demonstrate how free-electron-laser-based ultrafast X-ray scattering can be utilized to shed light on the microscopic mechanisms that determine materials properties.

Functional surface chemistry of carbon-based nanostructures

The recently discovered abilities to synthesize single-walled carbon nanotubes and prepare single layer graphene have spurred interest in these sp2-bonded carbon nanostructures. In particular, studies of their potential use in electronic devices are many as silicon integrated circuits are encountering processing limitations, quantum effects, and thermal management issues due to rapid device scaling. Nanotube and graphene implementation in devices does come with significant hurdles itself. Among these issues are the ability to dope these materials and understanding what influences defects have on expected properties. Because these nanostructures are entirely all-surface, with every atom exposed to ambient, introduction of defects and doping by chemical means is expected to be an effective route for addressing these issues. Raman spectroscopy has been a proven characterization method for understanding vibrational and even electronic structure of graphene, nanotubes, and graphite, especially when combined with electrical measurements, due to a wealth of information contained in each spectrum. In Chapter 1, a discussion of the electronic structure of graphene is presented. This outlines the foundation for all sp2-bonded carbon electronic properties and is easily extended to carbon nanotubes. Motivation for why these materials are of interest is readily gained. Chapter 2 presents various synthesis/preparation methods for both nanotubes and graphene, discusses fabrication techniques for making devices, and describes characterization methods such as electrical measurements as well as static and time-resolved Raman spectroscopy. Chapter 3 outlines changes in the Raman spectra of individual metallic single-walled carbon nantoubes (SWNTs) upon sidewall covalent bond formation. It is observed that the initial degree of disorder has a strong influence on covalent sidewall functionalization which has implications on developing electronically selective covalent chemistries and assessing their selectivity in separating metallic and semiconducting SWNTs. Chapter 4 describes how optical phonon population extinction lifetime is affected by covalent functionalization and doping and includes discussions on static Raman linewidths. Increasing defect concentration is shown to decrease G-band phonon population lifetime and increase G-band linewidth. Doping only increases G-band linewidth, leaving non-equilibrium population decay rate unaffected. Phonon mediated electron scattering is especially strong in nanotubes making optical phonon decay of interest for device applications. Optical phonon decay also has implications on device thermal management. Chapter 5 treats doping of graphene showing ambient air can lead to inadvertent Fermi level shifts which exemplifies the sensitivity that sp2-bonded carbon nanostructures have to chemical doping through sidewall adsorption. Removal of this doping allows for an investigation of electron-phonon coupling dependence on temperature, also of interest for devices operating above room temperature. Finally, in Chapter 6, utilizing the information obtained in previous chapters, single carbon nanotube diodes are fabricated and characterized. Electrical performance shows these diodes are nearly ideal and photovoltaic response yields 1.4 nA and 205 mV of short circuit current and open circuit voltage from a single nanotube device. A summary and discussion of future directions in Chapter 7 concludes my work.

Fonctionnalisation covalente de monocouches et bicouches de graphène

Le graphène est une nanostructure de carbone hybridé sp2 dont les propriétés électroniques et optiques en font un matériau novateur avec un très large potentiel d’application. Cependant, la production à large échelle de ce matériau reste encore un défi et de nombreuses propriétés physiques et chimiques doivent être étudiées plus en profondeur pour mieux les exploiter. La fonctionnalisation covalente est une réaction chimique qui a un impact important dans l’étude de ces propriétés, car celle-ci a pour conséquence une perte de la structure cristalline des carbones sp2. Néanmoins, la réaction a été très peu explorée pour ce qui est du graphène déposé sur des surfaces, car la réactivité chimique de ce dernier est grandement dépendante de l’environnement chimique. Il est donc important d’étudier la fonctionnalisation de ce type de graphène pour bien comprendre à la fois la réactivité chimique et la modification des propriétés électroniques et optiques pour pouvoir exploiter les retombées. D’un autre côté, les bicouches de graphène sont connues pour avoir des propriétés très différentes comparées à la monocouche à cause d’un empilement des structures électroniques, mais la croissance contrôlée de ceux-ci est encore très difficile, car la cinétique de croissance n’est pas encore maîtrisée. Ainsi, ce mémoire de maîtrise va porter sur l’étude de la réactivité chimique du graphène à la fonctionnalisation covalente et de l’étude des propriétés optiques du graphène. Dans un premier temps, nous avons effectué des croissances de graphène en utilisant la technique de dépôt chimique en phase vapeur. Après avoir réussi à obtenir du graphène monocouche, nous faisons varier les paramètres de croissance et nous nous rendons compte que les bicouches apparaissent lorsque le gaz carboné nécessaire à la croissance reste présent durant l’étape de refroidissement. À partir de cette observation, nous proposons un modèle cinétique de croissance des bicouches. Ensuite, nous effectuons une étude approfondie de la fonctionnalisation du graphène monocouche et bicouche. Tout d’abord, nous démontrons qu’il y a une interaction avec le substrat qui inhibe grandement le greffage covalent sur la surface du graphène. Cet effet peut cependant être contré de plusieurs façons différentes : 1) en dopant chimiquement le graphène avec des molécules réductrices, il est possible de modifier le potentiel électrochimique afin de favoriser la réaction; 2) en utilisant un substrat affectant peu les propriétés électroniques du graphène; 3) en utilisant la méthode d’électrogreffage avec une cellule électrochimique, car elle permet une modulation contrôlée du potentiel électrochimique du graphène. De plus, nous nous rendons compte que la réactivité chimique des bicouches est moindre dû à la rigidité de structure due à l’interaction entre les couches. En dernier lieu, nous démontrons la pertinence de la spectroscopie infrarouge pour étudier l’effet de la fonctionnalisation et l’effet des bicouches sur les propriétés optiques du graphène. Nous réussissons à observer des bandes du graphène bicouche dans la région du moyen infrarouge qui dépendent du dopage. Normalement interdites selon les règles de sélection pour la monocouche, ces bandes apparaissent néanmoins lorsque fonctionnalisée et changent grandement en amplitude dépendamment des niveaux de dopage et de fonctionnalisation.

Fonctionnalisation covalente de monocouches et bicouches de graphène

Le graphène est une nanostructure de carbone hybridé sp2 dont les propriétés électroniques et optiques en font un matériau novateur avec un très large potentiel d’application. Cependant, la production à large échelle de ce matériau reste encore un défi et de nombreuses propriétés physiques et chimiques doivent être étudiées plus en profondeur pour mieux les exploiter. La fonctionnalisation covalente est une réaction chimique qui a un impact important dans l’étude de ces propriétés, car celle-ci a pour conséquence une perte de la structure cristalline des carbones sp2. Néanmoins, la réaction a été très peu explorée pour ce qui est du graphène déposé sur des surfaces, car la réactivité chimique de ce dernier est grandement dépendante de l’environnement chimique. Il est donc important d’étudier la fonctionnalisation de ce type de graphène pour bien comprendre à la fois la réactivité chimique et la modification des propriétés électroniques et optiques pour pouvoir exploiter les retombées. D’un autre côté, les bicouches de graphène sont connues pour avoir des propriétés très différentes comparées à la monocouche à cause d’un empilement des structures électroniques, mais la croissance contrôlée de ceux-ci est encore très difficile, car la cinétique de croissance n’est pas encore maîtrisée. Ainsi, ce mémoire de maîtrise va porter sur l’étude de la réactivité chimique du graphène à la fonctionnalisation covalente et de l’étude des propriétés optiques du graphène. Dans un premier temps, nous avons effectué des croissances de graphène en utilisant la technique de dépôt chimique en phase vapeur. Après avoir réussi à obtenir du graphène monocouche, nous faisons varier les paramètres de croissance et nous nous rendons compte que les bicouches apparaissent lorsque le gaz carboné nécessaire à la croissance reste présent durant l’étape de refroidissement. À partir de cette observation, nous proposons un modèle cinétique de croissance des bicouches. Ensuite, nous effectuons une étude approfondie de la fonctionnalisation du graphène monocouche et bicouche. Tout d’abord, nous démontrons qu’il y a une interaction avec le substrat qui inhibe grandement le greffage covalent sur la surface du graphène. Cet effet peut cependant être contré de plusieurs façons différentes : 1) en dopant chimiquement le graphène avec des molécules réductrices, il est possible de modifier le potentiel électrochimique afin de favoriser la réaction; 2) en utilisant un substrat affectant peu les propriétés électroniques du graphène; 3) en utilisant la méthode d’électrogreffage avec une cellule électrochimique, car elle permet une modulation contrôlée du potentiel électrochimique du graphène. De plus, nous nous rendons compte que la réactivité chimique des bicouches est moindre dû à la rigidité de structure due à l’interaction entre les couches. En dernier lieu, nous démontrons la pertinence de la spectroscopie infrarouge pour étudier l’effet de la fonctionnalisation et l’effet des bicouches sur les propriétés optiques du graphène. Nous réussissons à observer des bandes du graphène bicouche dans la région du moyen infrarouge qui dépendent du dopage. Normalement interdites selon les règles de sélection pour la monocouche, ces bandes apparaissent néanmoins lorsque fonctionnalisée et changent grandement en amplitude dépendamment des niveaux de dopage et de fonctionnalisation.

Fingerprints of a size-dependent crossover in the dimensionality of electronic conduction in Au-seeded Ge nanowires

We studied the electrical transport properties of Au-seeded germanium nanowires with radii ranging from 11 to 80 nm at ambient conditions. We found a non-trivial dependence of the electrical conductivity, mobility and carrier density on the radius size. In particular, two regimes were identified for large (lightly doped) and small (stronger doped) nanowires in which the charge-carrier drift is dominated by electron-phonon and ionized-impurity scattering, respectively. This goes in hand with the finding that the electrostatic properties for radii below ca. 37 nm have quasi one-dimensional character as reflected by the extracted screening lengths.

Enhancement of Exciton-Phonon Interaction in InGaN Quantum Wells Induced by Electron-Beam Irradiation

InGaN/GAN multiple quantum wells grown by metal-organic chemical vapor deposition were irradiated with the electron beam from a low energy accelerator. The electron irradiation induced a redshift by 50 meV in the photoluminescence spectra of the electron-irradiated InGaN/GaN quantum wells, irrespective of the exposure time to the electron beam which ranges from 10 to 1000s. The localization parameter extracted from the temperature-dependent photoluminescence spectra was found to increase in the Irradiated samples. Analysis of the intensity of the longitudinal optical phonon sidebands showed the enhancement of the exciton-phonon coupling, indicating that the excitons are more strongly localized in the irradiated InGaN wells. The change in the pholotuminescence spectra. In the irradiated InGa/GAN quantum wells were explained in terms of the increase of indium concentration in indium rich clusters induced by the electron irradiation (C) 2009 The Japan Society of Applied Physics

Longitudinal optic phonon-plasmon coupling in delta-doped metamorphic InAlAs/InGaAs high-electron-mobility transistor structures on GaAs substrates

InAlAs/InGaAs metamorphic high-electron-mobility transistor structures with different spacer layers on GaAs substrates are characterized by Raman measurements. The influence of In0.52Al0.48As spacer thickness on longitudinal optic phonon-plasmon coupling is investigated. It is found that the intensity of GaAs-like longitudinal optic phonon, which couples with collective intersubband transitions of two-dimensional electron gas, is strongly affected by the different subband energy spacings, subband electron concentrations, and wave function distributions, which are determined by different spacer thicknesses. (C) 2001 American Institute of Physics.

Electron doping and phonon scattering in Ti1+xS2 thermoelectric compounds

Bulk polycrystalline samples in the series Ti1+xS2 (x = 0 to 0.05) were prepared using high temperature synthesis from the elements and spark plasma sintering. X-ray structure analysis shows that the lattice constant c expands as titanium intercalates between TiS2 slabs. For x=0, a Seebeck coefficient close to -300 μV/K is observed for the first time in TiS2 compounds. The decrease in electrical resistivity and Seebeck coefficient that occurs upon Ti intercalation (Ti off stoichiometry) supports the view that charge carrier transfer to the Ti 3d band takes place and the carrier concentration increases. At the same time, the thermal conductivity is reduced by phonon scattering due to structural disorder induced by Ti intercalation. Optimum ZT values of 0.14 and 0.48 at 300K and 700K, respectively, are obtained for x=0.025.

Phonon renormalization in doped bilayer graphene

We report phonon renormalization in bilayer graphene as a function of doping. The Raman G peak stiffens and sharpens for both electron and hole doping as a result of the nonadiabatic Kohn anomaly at the Gamma point. The bilayer has two conduction and valence subbands, with splitting dependent on the interlayer coupling. This gives a change of slope in the variation of G peak position with doping which allows a direct measurement of the interlayer coupling strength.

The effect of radiation on the electron pairing in a multiband system

The possible occurrence of a generalized (1-wave) nonequilibrium superconducting state in a multiband system under certain conditions is studied. In the model the radiation field causes interband mixing, and phonons of an appropriate mode (branch) are involved in the interband scattering of electrons of two conduction bands of the system. The strength of the generalized 1-wave pairing interaction between quasiparticles belonging to new radiation admixed states depends on the density (n o/V) of quanta in the system. The coupling constant has the form Xl= AiB(n o/V)/[C + B(no/V)], where A1, B, and C are parameters. For C > B(n0/V), the transition temperature T1* increases with (no/V) in the initial stages. It levels off with higher power. With further increase of power, the transition temperature is expected to drop sharply due to heating effects which cause pair breaking. Estimates show that p-wave (triplet state) pairing may be possible under radiation-induced nonequilibrium situations in appropriate systems. Estimates for lifetimes of various processes quasiparticle, phonon, pair relaxation, and photon-induced mixing) show that the coherence required for the mixing and pairing effects will be maintained for the temperature range and photon density considered.

Intra-band electron pairing in the presence of a radiation field

A semiconductor with almost overlapping conduction bands b and c is considered. It is found that an attractive interaction leading to superconductivity can be induced between electrons in the conduction band b by a strong radiation field of monochromatic photons whose energy differs slightly from the band gap Ebc. The mechanism is the exchange of a photon and a phonon between the interacting electrons and the interaction is found to be proportional to the photon density.

Structure and electron transport anomalies in InSe-In6Se 7 composite

Rapid solidification of an equiatomic In-Se alloy resulted in the formation of an equilibrium InSe-In6Se7 phase mixture. The InSe phase was found to be polytypic and exhibited the structural variants 2H, 3H, and 4H. The 4H polytype was found to be in considerably higher proportion compared to 2H and 3H types. The In6Se7 phase was found to be hexagonal with a=0.8919 nm and c=1.4273 nm. Both In6Se 7 and the polytypes of InSe could be identified with the space group P61. The conductivity σ variation with temperature was found to be similar to that observed in disordered semiconducting materials. For temperatures >200 K, ln σ decreased linearly with T-1, phonon-assisted carrier excitation. For temperatures <200 K, ln σ decrease followed T-1/3 behavior, representative of variable-range hopping conduction of electrons.