Magnetization reversal and magnetic anisotropies in epitaxial Fe/MgO and Fe/MgO/Fe heterostructures grown on Si(001)

Epitaxial Fe/MgO heterostructures have been grown on Si(001) by a combination of sputtering and laser ablation deposition techniques. The growth of MgO on Si(001) is mainly determined by the nature of the interface, with large lattice mismatch and the presence of an amorphous layer of unclear origin. Reflection high energy electron diffraction patterns of this MgO buffer layer are characteristic of an epitaxial, but disordered, structure. The structural quality of subsequent Fe and MgO layers continuously improves due to the better lattice match and the burial of defects. A weak uniaxial in-plane magnetic anisotropy is found superimposed on the expected cubic biaxial anisotropy. This additional anisotropy, of interfacial nature and often found in Fe/MgO and Fe/MgO/GaAs(001) systems, is less intense here due to the poorer MgO/Si interface quality compared with that of other systems. From the evolution of the anisotropy field with film thickness, magnetic anisotropy is also found to depend on the crystal quality. Kerr measurements of a Fe/MgO multilayered structure grown on Si show two different switching fields, suggesting magnetic coupling of two of the three Fe layers. Nevertheless, due to the little sensitivity to the bottom Fe film, independent switching of the three layers cannot be ruled out.

Exchange bias between magnetoelectric YMnO3 and ferromagnetic SrRuO3 epitaxial films

Orthorhombic YMnO3 (YMO) epitaxial thin films were deposited on SrTiO3 (STO) single-crystal substrates. We show that the out-of-plane texture of the YMO films can be tailored using STO substrates having (001), (110), or (111) orientations. We report on the magnetic properties of the YMO(010) films grown on STO(001) substrates. The dependence of the susceptibility on the temperature indicates that the films are antiferromagnetic below the Néel temperature (around 35 K). Orthorhombic YMO(010) films were also deposited on an epitaxial buffer layer of ferromagnetic and metallic SrRuO3 (SRO). The magnetic hysteresis loops of SRO show exchange bias at temperatures below the Néel temperature of YMO. These results confirm that the YMO films are antiferromagnetic and demonstrate that magnetoelectric YMO can be integrated in functional epitaxial architectures.

Progress in a-Si:H/c-Si heterojunction emitters obtained by Hot-Wire CVD at 200°C

In this work, we investigate heterojunction emitters deposited by Hot-Wire CVD on p-type crystalline silicon. The emitter structure consists of an n-doped film (20 nm) combined with a thin intrinsic hydrogenated amorphous silicon buffer layer (5 nm). The microstructure of these films has been studied by spectroscopic ellipsometry in the UV-visible range. These measurements reveal that the microstructure of the n-doped film is strongly influenced by the amorphous silicon buffer. The Quasy-Steady-State Photoconductance (QSS-PC) technique allows us to estimate implicit open-circuit voltages near 700 mV for heterojunction emitters on p-type (0.8 Ω·cm) FZ silicon wafers. Finally, 1 cm 2 heterojunction solar cells with 15.4% conversion efficiencies (total area) have been fabricated on flat p-type (14 Ω·cm) CZ silicon wafers with aluminum back-surface-field contact.

Domain matched epitaxial growth of Bi1.5Zn1Nb1.5O7 thin films by pulsed laser deposition

Bi1.5Zn1Nb1.5O7 (BZN) epitaxial thin films were grown by pulsed laser deposition on Al2O3 with a double ZnO buffer layer through domain matching epitaxy (DME) mechanism. The pole figure analysis and reciprocal space mapping revealed the single crystalline nature of the thin film. The pole figure analysis also shows a 60º twinning for the (222) oriented crystals. Sharp intense spots in the SAED pattern also indicate the high crystalline nature of BZN thin film. The Fourier filtered HRTEM images of the BZN-ZnO interface confirms the domain matched epitaxy of BZN with ZnO buffer. An electric field dependent dielectric tunability of 68% was obtained for the BZN thin films with inter digital capacitors patterned over the film.

Preparation and characterisation of certain II-VI, I-III-VI2 semiconductor thin films and transparent conducting oxides

There is an increasing demand for renewable energies due to the limited availability of fossil and nuclear fuels and due to growing environmental problems. Photovoltaic (PV) energy conversion has the potential to contribute significantly to the electrical energy generation in the future. Currently, the cost for photovoltaic systems is one of the main obstacles preventing production and application on a large scale. The photovoltaic research is now focused on the development of materials that will allow mass production without compromising on the conversion efficiencies. Among important selection criteria of PV material and in particular for thin films, are a suitable band gap, high absorption coefficient and reproducible deposition processes capable of large-volume and low cost production. The chalcopyrite semiconductor thin films such as Copper indium selenide and Copper indium sulphide are the materials that are being intensively investigated for lowering the cost of solar cells. Conversion efficiencies of 19 % have been reported for laboratory scale solar cell based on CuInSe2 and its alloys. The main objective of this thesis work is to optimise the growth conditions of materials suitable for the fabrication of solar cell, employing cost effective techniques. A typical heterojunction thin film solar cell consists of an absorber layer, buffer layer and transparent conducting contacts. The most appropriate techniques have been used for depositing these different layers, viz; chemical bath deposition for the window layer, flash evaporation and two-stage process for the absorber layer, and RF magnetron sputtering for the transparent conducting layer. Low cost experimental setups were fabricated for selenisation and sulphurisation experiments, and the magnetron gun for the RF sputtering was indigenously fabricated. The films thus grown were characterised using different tools. A powder X-ray diffractometer was used to analyse the crystalline nature of the films. The energy dispersive X-ray analysis (EDX) and scanning electron microscopy i (SEM) were used for evaluating the composition and morphology of the films. Optical properties were investigated using the UV-Vis-NIR spectrophotometer by recording the transmission/absorption spectra. The electrical properties were studied using the two probe and four probe electrical measurements. Nature of conductivity of the films was determined by thermoprobe and thermopower measurements. The deposition conditions and the process parameters were optimised based on these characterisations.

Non-destructive evaluation of photovoltaic materials and solar cells using Photoluminescence

Photoluminescence (PL) spectroscopy is an optical technique that has emerged successful in the field of semiconductor material and device characterization. This technique is quite a powerful one which gives idea about the defect levels in a material, the band gap of the material, composition as well as material quality. Over the recent years it has received an elevation as a mainstream characterization technique. This thesis is an attempt to characterize each individual layer used in a thin film solar cell with special focus on the electrical properties. This will be highly beneficial from the lab as well as industrial point of view because electrical measurements generally are contact mode measurements which tend to damage the surface. As far as a thin film solar cell is concerned, the constituent layers are the transparent conducting oxide (TCO), absorber layer, buffer layer and top electrode contact. Each layer has a specific role to play and the performance of a solar cell is decided and limited by the quality of each individual layer. Various aspects of PL spectroscopy have been employed for studying compound semiconductor thin films [deposited using chemical spray pyrolysis (CSP)] proposed for solar cell application. This thesis has been structured in to seven chapters

On the nucleation of GaP/GaAs and the effect of buried stress fields

We have recently shown that spatial ordering for epitaxially grown InP dots can be obtained using the periodic stress field of compositional modulation on the InGaP buffer layer. The aim of this present work is to study the growth of films of GaP by Chemical Beam Epitaxy (CBE), with in-situ monitoring by Reflection High Energy Electron Diffraction (RHEED), on layers of unstressed and stressed GaAs. Complementary, we have studied the role of a buried InP dot array on GaP nucleation in order to obtain three-dimensional structures. In both cases, the topographical characteristics of the samples were investigated by Atomic Force Microscopy (AFM) in non-contact mode. Thus vertically-coupled quantum dots of different materials have been obtained keeping the in-place spatial ordering originated from the composition modulation. © 2006 Materials Research Society.

Strain relaxation and stress-driven interdiffusion in InAsInGaAsInP nanowires

The authors have investigated strain relaxation in InAsInGaAsInP nanowires (NW's). Transmission electron microscopy images show an additional stress field attributed to compositional modulation in the ternary layer, which disrupts NW formation and drives Ga interdiffusion into InAs, according to grazing incidence x-Ray diffraction under anomalous scattering conditions. The strain profile along the NW, however, is not significantly affected when interdiffusion is considered. Results show that the InAs NW energetic stability is preserved with the introduction of ternary buffer layer in the structure. © 2007 American Institute of Physics.

Caracterização de filmes finos de YBa2Cu3O7-x e La0.7Ca0.3MnO3 produzidos via síntese química

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Nanoestruturas de GaN crescidas pelas técnicas de epitaxia por magnetron sputtering e epitaxia por feixe molecular

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Spektromikroskopische Analyse von Nukleationsdomänen in epitaktischen Diamantschichten auf Ir,SrTiO 3 und von präsolaren SiC-Meteoritenkörnern

Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Systeme untersucht, deren verbindende Gemeinsamkeit in den verwendeten ortsauflösenden, spektroskopischen Messmethoden der Oberflächenanalytik, wie z.B. abbildendes XPS, Röntgennahkanten-Photoemissionsmikroskopie (XANES-PEEM) und Augerspektroskopie (AES) liegt. Im ersten Teil der Arbeit wurden Diamant-Nukleationsdomänen auf Ir/SrTiO3 untersucht und mit vorherrschenden Modellen aus der Literatur verglichen. Die Nukleationsdomänen, wie sie im Mikrowellen-induzierten CVD Prozess unter Verwendung der BEN Prozedur (bias-enhanced nucleation) entstehen, bilden die „Startschicht“ für ein heteroepitaktisches Wachstum einer hoch orientierten Diamantschicht. Sie entwickeln sich aber unter Bedingungen, unter denen 3D-Diamant abgetragen und weggeätzt wird. Mittels XANES-PEEM Messungen konnte erstmals die lokale Bindungsumgebung des Kohlenstoffs in den Nukleationsdomänen ortsaufgelöst aufgezeigt werden und aus AES Messungen ließ sich die Schichtdicke der Nukleationsdomänen abschätzen. Es zeigte sich, dass die Nukleationsdomänen Bereiche mit etwa 1 nm Dicke darstellen, in denen der Übergang von eine sp2-koordinierte amorphen Kohlenstoff- zu einer Diamantschicht mit hohem sp3 Anteil abläuft. Zur Erklärung des Nukleationsprozesses wurde auf das „Clustermodell“ von Lifshitz et al. zurückgegriffen, welches um einen wesentlichen Aspekt erweitert wurde. Die Stabilität der Nukleationsdomänen gegen die Ätzwirkung des Nukleationsprozesses auf Volumendiamant wird durch eine starke Wechselwirkung zwischen dem Diamant und dem Iridiumsubstrat erklärt, wobei die Dicke von etwa 1 nm als Maß für die Ausdehnung dieses Wechselwirkungsbereichs angesehen wird. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Charakterisierung präsolarer SiC-Körner und darin eingeschlossener Spurenelemente. Neben den Hauptelementen Si und C wurden auch Spinelle wie Chromit (FeCr2O4), Korund (Al2O3) und auch verschiedene Spurenelemente (z. B. Al, Ba und Y) nachgewiesen. Ferner wurden XPS-Linien bei Energien nachgewiesen, welche sich den Seltenen Erden Erbium, Thulium und Dysprosium zuordnen lassen. Aufgrund von Abweichungen zur Literatur bzgl. der ausgeprägten Intensität der XPS-Linien, wurde als alternative Erklärungsmöglichkeit für verschiedene Signale der Nachweis von stark schwefelhaltigen Körnern (z.B. so genannte „Fremdlinge“) mit Aufladungen von mehreren Volt diskutiert. Es zeigt sich, dass abbildendes XPS und XANES-PEEM Methoden zur leistungsfähigen chemischen Charakterisierung von SiC-Körnern und anderer solarer und präsolarer Materie im Größenbereich bis herab zu 100 – 200 nm Durchmesser (z.B. als Grundlage für eine spätere massenspektrometrische Isotopenanalyse)darstellen.

Tunnelkontakte mit Heusler-Elektrode: Spinpolarisation von Co 2Cr 0,6Fe 0,4Al und Einfluss der Barriere

Ziel dieser Arbeit ist die Bestimmung der Spinpolarisation von der Heusler-Verbindung Co2Cr0,6Fe0,4Al. Dieses Ziel wurde durch die sorgfältige Präparation von Co2Cr0,6Fe0,4Al basierten Tunnelkontakten realisiert. Tunnelwiderstandsmessungen an Co2Cr0,6Fe0,4Al-basiertenrnTunnelkontakten ergaben einen Tunnelmagnetowiderstand von 101% bei 4 K. DieserrnTunnelmagnetowiderstand legt eine untere Grenze von 67% für die Spinpolarisation von Co2Cr0,6Fe0,4Al fest.rnrnCo2Cr0,6Fe0,4Al ist eine Heusler-Verbindung, der die Eigenschaften eines halbmetallischen Ferromagneten zugeschrieben werden. Ein halbmetallischer Ferromagnet hat an der Fermikante nur Elektronenspinzustände mit einer Polarisation. Als Folge davon können bei einem spinerhaltenden Tunnelprozess nur Elektronen einer Spinrichtung in den halbmetallischen Ferromagneten tunneln. Mit einem magnetischen Feld und einer durch einen Antiferromagneten fixierten Gegenelektrode, können an einem Tunnelkontakt mit einem spinpolarisierten Ferromagneten deshalb zwei Zustände, eine hohe und eine niedrige Tunnelleitfähigkeit, erzeugt werden. Daher finden spinpolarisierte Tunnelkontakte in Form von MRAM in der Datenspeicherung Verwendung. Bislang wurde jedoch keine Verbindung gefunden, der eine Spinpolarisation von 100% experimentell eindeutig nachgewiesen werden konnte. Für Co2Cr0,6Fe0,4Al lagen die höchsten gemessenen Spinpolarisationen um 50%.rnrnTunnelspektroskopie ist eine zuverlässige und anwendungsnahe Methode zur Untersuchung der Spinpolarisation. Inelastische Tunnelprozesse und eine reduzierte Ordnung an Grenzflächen bewirken einen reduzierten Tunnelmagnetowiderstand. Eine symmetriebrechende Barriere, wie amorphes AlOx, ist Voraussetzung für die Anwendung des Jullière-Modells zur Bestimmung der Spinpolarisation. Das Jullière-Modell verknüpft die Spin-aufgespaltenenrnZustandsdichten der Elektroden mit dem Tunnelmagnetowiderstand. Ohne einernsymmetriebrechende Barriere, zum Beispiel mit MgO als Isolatorschicht, können höhere Tunnelmagnetowiderstände erzwungen werden. Ein eindeutiger Rückschluss auf die Spinpolarisation ist dann jedoch nicht mehr möglich. Mit Aluminiumoxid-basierten Barrieren liefert die Anwendung des einfachen Jullière-Modells eine Untergrenze der Spinpolarisation.rnrnUm die Spinpolarisation von Co2Cr0,6Fe0,4Al durch Tunnelspektroskopie zu bestimmen, musste die Präparation der Tunnelkontakte verbessert werden. Dies wurde ermöglicht durch den Anbau einer neuen Sputterkammer mit besseren UHV-Bedingungen an ein bestehendes Präparationscluster. Co2Cr0,6Fe0,4Al wird mit Hilfe von Radiofrequenz-Kathodenzerstäuben deponiert. Die resultierenden Schichten verfügen nach ihrer Deposition über einen höheren Ordnungsgrad und über eine geordnete Oberfläche. Durch eine Magnesium-Pufferschicht war es möglich, auf diese Oberfläche eine homogene amorphe AlOx-Barriere zu deponieren. Als Gegenelektrode wurde CoFe als Ferromagnet mit MnFe als Antiferromagnet gewählt. Diese Gegenelektrode ermöglicht Tunnelmessungen bis hin zu Raumtemperatur.rnrnMit den in dieser Arbeit vorgestellten optimierten Analyse- und Präparationsmethoden ist es möglich, die Untergrenze der Spinpolarisation von Co2Cr0,6Fe0,4Al auf 67% anzuheben. Dies ist der bisher höchste veröffentlichte Wert der Spinpolarisation von Co2Cr0,6Fe0,4Al.rn

Präparation von Bismutsulfid-Absorberschichten für Dünnschichtsolarzellen mittels physikalischer Gasphasenabscheidung

Angesichts der sich abzeichnenden Erschöpfung fossiler Ressourcen ist die Erforschung alternativer Energiequellen derzeit eines der meistbeachteten Forschungsgebiete. Durch ihr enormes Potential ist die Photovoltaik besonders im Fokus der Wissenschaft. Um großflächige Beschichtungsverfahren nutzen zu können, wird seit einigen Jahren auf dem Gebiet der Dünnschichtphotovoltaik intensiv geforscht. Jedoch sind die gegenwärtigen Solarzellenkonzepte allesamt durch die Verwendung giftiger (Cd, As) oder seltener Elemente (In, Ga) oder durch eine komplexe Phasenbildung in ihrem Potential beschränkt. Die Entwicklung alternativer Konzepte erscheint daher naheliegend.rnAufgrund dessen wurde in einem BMBF-geförderten Verbundprojekt die Abscheidung von Dünnschichten des binären Halbleiters Bi2S3 mittels physikalischer Gasphasenabscheidung mit dem Ziel der Etablierung als quasi-intrinsischer Absorber in Solarzellenstrukturen mit p-i-n-Schichtfolge hin untersucht.rnDurch sein von einem hochgradig anisotropen Bindungscharakter geprägtes Kristallwachstum war die Abscheidung glatter, einphasiger und für die Integration in eine Multischichtstruktur geeigneter Schichten mit Schichtdicken von einigen 100 nm eine der wichtigsten Herausforderungen. Die Auswirkungen der beiden Parameter Abscheidungstemperatur und Stöchiometrie wurden hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die relevanten Kenngrößen (wie Morphologie, Dotierungsdichte und Photolumineszenz) untersucht. Es gelang, erfolgreich polykristalline Schichten mit geeigneter Rauigkeit und einer Dotierungsdichte von n ≈ 2 1015cm-3 auf anwendungsrelevanten Substraten abzuscheiden, wobei eine besonders starke Abhängigkeit von der Gasphasenzusammensetzung ermittelt werden. Es konnten weiterhin die ersten Messungen der elektronischen Zustandsdichte unter Verwendung von Hochenergie-Photoemissionsspektroskopie durchgeführt werden, die insbesondere den Einfluss variabler Materialzusammensetzungen offenbarten.rnZum Nachweis der Eignung des Materials als Absorberschicht standen innerhalb des Projektes mit SnS, Cu2O und PbS prinzipiell geeignete p-Kontaktmaterialien zur Verfügung. Es konnten trotz der Verwendung besonders sauberer Abscheidungsmethoden im Vakuum keine funktionstüchtigen Solarzellen mit Bi2S3 deponiert werden. Jedoch war es unter Verwendung von Photoemissionspektroskopie möglich, die relevanten Grenzflächen zu spektroskopieren und die Ursachen für die Beobachtungen zu identifizieren. Zudem konnte erfolgreich die Notwendigkeit von Puffermaterialien bei der Bi2S3-Abscheidung nachgewiesen werden, um Oberflächenreaktionen zu unterbinden und die Transporteigenschaften an der Grenzfläche zu verbessern.rn

'Enhancement of the crystallization process of TbxFe1-x thin films upon the formation of alpha-Tb phase'

TbxFe1−x thin films deposited by sputtering on Mo were investigated structurally and magnetically. The microstructure consists of TbFe2 nanoparticles embedded in an amorphous matrix, and the Tb content can be correlated with an increase in the volume of these nanoparticles. Similar microstructure and behavior were found when TbFe2 was deposited on glass and on a Pt buffer layer. Nevertheless, thermal treatments promote a different effect, depending on the mechanical stiffness of the buffer layer. The layers deposited on Mo, a rigid material, show crystalline TbFe2 together with α-Tb phase upon thermal treatment. In contrast, TbFe2 does not crystallize properly on Pt, a material with a lower stiffness than Mo. Intermediate results were observed on the film deposited on glass. Experimental results show the impact of the buffer stiffness on the crystallization process. Moreover, the formation of α-Tb appears to be fundamental to crystallized TbFe2 on layers deposited on rigid buffers

Integrated luminescent chemical microsensors based on GaN LEDs for security applications using smartphones

Development of PCB-integrateable microsensors for monitoring chemical species is a goal in areas such as lab-on-a-chip analytical devices, diagnostics medicine and electronics for hand-held instruments where the device size is a major issue. Cellular phones have pervaded the world inhabitants and their usefulness has dramatically increased with the introduction of smartphones due to a combination of amazing processing power in a confined space, geolocalization and manifold telecommunication features. Therefore, a number of physical and chemical sensors that add value to the terminal for health monitoring, personal safety (at home, at work) and, eventually, national security have started to be developed, capitalizing also on the huge number of circulating cell phones. The chemical sensor-enabled “super” smartphone provides a unique (bio)sensing platform for monitoring airborne or waterborne hazardous chemicals or microorganisms for both single user and crowdsourcing security applications. Some of the latest ones are illustrated by a few examples. Moreover, we have recently achieved for the first time (covalent) functionalization of p- and n-GaN semiconductor surfaces with tuneable luminescent indicator dyes of the Ru-polypyridyl family, as a key step in the development of innovative microsensors for smartphone applications. Chemical “sensoring” of GaN-based blue LED chips with those indicators has also been achieved by plasma treatment of their surface, and the micrometer-sized devices have been tested to monitor O2 in the gas phase to show their full functionality. Novel strategies to enhance the sensor sensitivity such as changing the length and nature of the siloxane buffer layer are discussed in this paper.