INFRARED SURFACE-PLASMONS ON PLATINUM SILICIDE

It is shown that surface plasmons (SPs) are supported on thin PtSi films. Using a prism-air gap-sample configuration, p-polarised infra-red light (3.39-mu-m) has been coupled with approximately 95% efficiency to SPs on the silicide electrode of PtSi-Si Schottky barrier structures. Stimulating SPs offers both a means of optically characterising silicide films and of enhancing optical absorption with a view to significantly increasing the Schottky barrier photoresponse.

Spectral design of temperature-invariant narrow bandpass filters for the mid-infrared

The ability of narrow bandpass filters to discriminate wavelengths between closely-separated gas absorption lines is crucial in many areas of infrared spectroscopy. As improvements to the sensitivity of infrared detectors enables operation in uncontrolled high-temperature environments, this imposes demands on the explicit bandpass design to provide temperature-invariant behavior. The unique negative temperature coefficient (dn/dT<0) of Lead-based (Pb) salts, in combination with dielectric materials enable bandpass filters with exclusive immunity to shifts in wavelength with temperature. This paper presents the results of an investigation into the interdependence between multilayer bandpass design and optical materials together with a review on invariance at elevated temperatures.

Operator's and organizational maintenance manual : detecting sets, infrared AN/AAS-14A and AN/AAS-14B and transmitter, radio AN/ART-41A (airborne components of surveillance system, infrared AN/UAS-4A) and cable assembly sets, electrical MX-7268/AAS-14A and MX-7270/UAS-4A.

"5 August 1966."

Investigation on Nonequlibrium Radiation and Relaxation Phenomena in Shock Tubes

The experimental results for the excited time of the nonequlibrium radiation and the ionization behind strong shock waves are presented. Using an optical multichannel analyzer, InSb infrared detectors and near-free-molecular Langmuir probes, the infrared radiation, the electron density of air and the nonequilibrium radiation spectra at different moments of the relaxation process in nitrogen test gas behind normal shock waves were obtained, respectively, in hydrogen oxygen combustion driven shock tubes.

Growth and characterization of novel, III-V semiconductor heterostructures

The material presented in this thesis concerns the growth and characterization of III-V semiconductor heterostructures. Studies of the interactions between bound states in coupled quantum wells and between well and barrier bound states in AlAs/GaAs heterostructures are presented. We also demonstrate the broad array of novel tunnel structures realizable in the InAs/GaSb/AlSb material system. Because of the unique broken-gap band alignment of InAs/GaSb these structures involve transport between the conduction- and valence-bands of adjacent layers. These devices possess a wide range of electrical properties and are fundamentally different from conventional AlAs/GaAs tunnel devices. We report on the fabrication of a novel tunnel transistor with the largest reported room temperature current gains. We also present time-resolved studies of the growth fronts of InAs/GainSb strained layer superlattices and investigations of surface anion exchange reactions.

Chapter 2 covers tunneling studies of conventional AlAs/GaAs RTD's. The results of two studies are presented: (i) A test of coherent vs. sequential tunneling in triple barrier heterostructures, (ii) An optical measurement of the effect of barrier X-point states on Γ-point well states. In the first it was found if two quantum wells are separated by a sufficiently thin barrier, then the eigenstates of the system extend coherently across both wells and the central barriers. For thicker barriers between the wells, the electrons become localized in the individual wells and transport is best described by the electrons hopping between the wells. In the second, it was found that Γ-point well states and X-point barrier states interact strongly. The barrier X-point states modify the energies of the well states and increase the escape rate for carriers in the quantum well.

The results of several experimental studies of a novel class of tunnel devices realized in the InAs/GaSb/AlSb material system are presented in Chapter 3. These interband tunnel structures involve transport between conduction- and valence-band states in adjacent material layers. These devices are compared and contrasted with the conventional AlAs/GaAs structures discussed in Chapter 2 and experimental results are presented for both resonant and nonresonant devices. These results are compared with theoretical simulations and necessary extensions to the theoretical models are discussed.

In chapter 4 experimental results from a novel tunnel transistor are reported. The measured current gains in this transistor exceed 100 at room temperature. This is the highest reported gain at room temperature for any tunnel transistor. The device is analyzed and the current conduction and gain mechanisms are discussed.

Chapters 5 and 6 are studies of the growth of structures involving layers with different anions. Chapter 5 covers the growth of InAs/GainSb superlattices for far infrared detectors and time resolved, in-situ studies of their growth fronts. It was found that the bandgap of superlattices with identical layer thicknesses and compositions varied by as much as 40 meV depending on how their internal interfaces are formed. The absorption lengths in superlattices with identical bandgaps but whose interfaces were formed in different ways varied by as much as a factor of two. First the superlattice is discussed including an explanation of the device and the complications involved in its growth. The experimental technique of reflection high energy electron diffraction (RHEED) is reviewed, and the results of RHEED studies of the growth of these complicated structures are presented. The development of a time resolved, in-situ characterization of the internal interfaces of these superlattices is described. Chapter 6 describes the result of a detailed study of some of the phenomena described in chapter 5. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) studies of anion exchange reactions on the growth fronts of these superlattices are reported. Concurrent RHEED studies of the same physical systems studied with XPS are presented. Using the RHEED and XPS results, a real-time, indirect measurement of surface exchange reactions was developed.

A dual mode SOI CMOS MEMS based thermal conductivity and IR absorption gas sensor

Design, FEM modelling and characterization of a novel dual mode thermal conductivity and infrared absorption sensor using SOI CMOS technology is reported. The dual mode sensing capability is based on the temperature sensitivity and wideband infrared radiation emission of the resistive heating element. The sensor was fabricated at a commercial foundry using a 1 μm process and measures only 1×1 mm2. Infrared detectors usually use thermopiles in addition to a separate IR source. A single highly responsive dual mode source and sensing element targeting not only low molecular mass gases but also greenhouse gases, while consuming 40 mW power at 700°C in synthetic air, thus makes this sensor particularly viable for battery powered handheld devices. © 2013 IEEE.

Radiative recombination characteristics in GaAs multilayer n(+)-i interfaces

In this communication, we have carried out a detailed investigation of radiative recombination in n-GaAs homojunction far-infrared detector structures with multilayer emitter (n(+))-intrinsic (i) interfaces by temperature-dependent steady-state photoluminescence measurements. The observation of the emitter-layer luminescence structures has been identified from their luminescence characteristics, in combination with high density theoretical calculation. A photogenerated carrier transferring model has been proposed, which can well explain the dependencies of the luminescence intensities on the laser excitation intensity and temperature. Furthermore, the obtained radiative recombination behavior helps us to offer a proposal to improve the operating temperature of the detector. (C) 2001 American Institute of Physics.

Properties and turning of intraband optical absorption in InxGa1-xAs/GaAs self-assembled quantum dot superlattice

We investigated properties of intraband absorption in In-x Ga1-xAs quantum dots (QDs) superlattice. Energy levels in conduction band in QDs were calculated for a cone-shaped quantum dot associated with coupling between QDs in the framework of the effective-mass envelope-function theory. Theoretical results demonstrated that energy levels in conduction band were greatly affected by the vertical coupling between quantum dots, which can be used to modify transition wavelength by adjusting the space layer thickness. Intraband transition is really sensitive to normal incidence and the absorption peak intensity is dependent on the polarization. A satisfying agreement is found between theoretical and experimental values. This result opens up prospects for the fabrication of QDs infrared detectors, which work at atmospheric windows.

Intersubband absorption from In0.26Ga0.74As/GaAs quantum dot superlattice

We have grown a high-quality 20 period InGaAs/GaAs quantum dot superlattice with a standard structure typically used for quantum well infrared photodetector. Normal incident absorption was observed around 13-15 mu m. Potential applications for this work include high-performance quantum dot infrared detectors.

Intraband optical absorption in semiconductor coupled quantum dots

In the framework of effective mass envelope function theory, absorption coefficients are calculated for intraband (intersubband in the conduction band) optical transition in InAs/GaAs coupled quantum dots. In our calculation the microscpic distributon of the strain is taken into account. The absorption in coupled quantum dots is quite different from that of superlattices. In superlattices, the absorption does not exist when the electric vector of light is parallel to the superlattice plane (perpendicular incident). This introduces somewhat of a difficulty in fabricating the infrared detector. In quantum dots, the absorption exists when light incident along any direction, which may be good for fabricating infrared detectors.

Characterization of optical properties of PtSi at 3.392 mu m from 300 K to 85 K and relation of morphological effects

PtSi/Si Schottky junctions, fabricated using a conventional technique of Pt deposition with a subsequent thermal anneal, are examined using X-ray diffraction, atomic force microscopy and a novel prism/gap/sample optical coupling system. With the aid of X-ray diffraction and atomic farce microscopy it is shown that a post-anneal etch in aqua regia is essential for the removal of an unreacted, rough surface layer of Pt, to leave a much smoother PtSi film. The prism/gap/sample or Otto coupling rig is mounted in a small UHV chamber and has facilities for remote variation of the gap (by virtue of a piezoactuator system) and variation of the temperature in the range of similar to 300 K - 85 K. The system is used to excite surface plasmon polaritons on the outer surface of the PtSi and thus produce sensitive optical characterisation as a function of temperature. This is performed in order to yield an understanding of the temperature dependence of phonon and interface scattering of carriers in the PtSi.

Monte Carlo calculations of quantum yield in inhomogeneous PtSi/p-Si Schottky barriers

Monte Carlo calculations of quantum yield in PtSi/p-Si infrared detectors are carried out taking into account the presence of a spatially distributed barrier potential. In the 1-4 mu m wavelength range it is found that the spatial inhomogeneity of the barrier has no significant effect on the overall device photoresponse. However, above lambda = 4.0 mu m and particularly as the cut-off wavelength (lambda approximate to 5.5 mu m) is approached, these calculations reveal a difference between the homogeneous and inhomogeneous barrier photoresponse which becomes increasingly significant and exceeds 50% at lambda = 5.3 mu m. It is, in fact, the inhomogeneous barrier which displays an increased photoyield, a feature that is confirmed by approximate analytical calculations assuming a symmetric Gaussian spatial distribution of the barrier. Furthermore, the importance of the silicide layer thickness in optimizing device efficiency is underlined as a trade-off between maximizing light absorption in the silicide layer and optimizing the internal yield. The results presented here address important features which determine the photoyield of PtSi/Si Schottky diodes at energies below the Si absorption edge and just above the Schottky barrier height in particular.

Bottom up strategies for the morphology control of BaTiO3 particulates

As propriedades funcionais dos materiais ferroeléctricos tais como a polarização reversível, piroelectricidade, piezoelectricidade, elevada actividade óptica não linear e comportamento dieléctrico não linear são fundamentais para a sua aplicação em sensores, microactuadores, detectores de infravermelhos, filtros de fase de microondas e memórias não-voláteis. Nos últimos anos, motivado pelas necessidades industriais de redução do tamanho dos dispositivos microelectrónicos, aumentando a eficiência volumétrica, tem sido feito um grande esforço ao nível da investigação para desenvolver estruturas ferroeléctricas à escala micro- e nano- métrica. É sabido que a redução de tamanho em materiais ferroeléctricos afecta significamente as suas propriedades. Neste sentido e considerando que foi previsto teoreticamente por cálculos ab initio que estruturas do tipo nanocilindros e nanodiscos apresentariam um novo tipo de ordem ferroeléctrica e, na expectativa de alcançar conhecimento para o desenvolvimento de uma nova geração de dispositivos microelectróncos, existe um grande interesse em desenvolver métodos de fabrico de nanoestruturas ferroeléctricas unidimensionais (1D) tais como nanocilindros e nanotubos. As estratégias de fabrico de nanoestruturas 1D até agora descritas na literatura indicam claramente as dificuldades inerentes à sua preparação. Existem duas grandes vias de síntese destas nanoestruturas: i) o método “topdown” que consiste na redução de tamanho de um dado material até à obtenção duma estrutura 1D; e ii) o método “bottom-up” em que átomos, iões e moléculas são agrupados para formar um material 1D. O método “top down” envolve em geral técnicas de desgaste, como o uso do feixe de electrões, que apesar de permitirem elevada precisão no posicionamento e no controlo do tamanho, falham em termos de resolução, exigem muito tempo e causam facilmente defeitos que deterioram as propriedades físicas destes materiais. Na metodologia “bottom up” a utilização de moléculas ou estruturas “molde” tem sido a mais explorada. As estructuras 1D podem também ser preparadas sem recorrer a “moldes”. Neste caso a agregação orientada é promovida pelo recurso a aditivos que controlam o crescimento dos cristais em direcções preferenciais. Neste contexto, neste trabalho utilizaram-se duas estratégias “bottom up” de baixo custo para a preparação de nanopartículas de titanato de bário (BaTiO3) com morfologia controlada: 1) síntese química (em solução e em fase vapor) com utilização de nanotubos de titanato TiNTs) como “moldes” e precursores de titânio 2) síntese química em solução com presença de aditivos. Os nanotubos de titanato de sódio foram preparados por síntese hidrotermal. Como existiam muitas dúvidas acerca da natureza estrutural e do mecanismo de formação dos NTs, a parte inicial do trabalho foi dedicada à realização de um estudo sistemático dos parâmetros intervenientes na síntese e à caracterização da sua estrutura e microestrutura. Foi demonstrado que os NTs têm a fórmula geral A2Ti2O5 (A = H+ or Na+), e não TiO2 (anátase) com defendido por vários autores na literatura, e podem ser preparados por método hidrotermal em meio fortemente alcalino usando como fonte de titânio TiO2 comercial na forma de anátase ou rútilo. A menor reactividade do rútilo exige temperaturas de síntese superiores ou tempos de reacção mais longos. A forma tubular resulta do tratamento hidrotermal e não de processos de lavagem e neutralização subsequentes. Se os NTs forem tratados após a síntese hidrotérmica em água a 200 ºC, transformam-se em nanocilindros. Uma das partes principais desta tese consistiu na investigação do papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3. O potencial funcionamento dos NTs como “moldes” para além de precursores foi testado em reacção com hidróxido de bário em síntese em solução e por reacção com um precursor orgânico de bário em fase vapor. Tendo por base os estudos cinéticos realizados, bem como as alterações estruturais e morfológicas das amostras, é possível concluir que a formação do BaTiO3 a partir de NTs de titanato de sódio, ocorre por dois mecanismos dependendo da temperatura e tempo de reacção. Assim, a baixa temperatura e curto tempo de reacção verifica-se que se formam partículas dendríticas de BaTiO3 cuja superfície é bastante irregular (“wild”) e que apresentam estrutura pseudo-cúbica. Estas partículas formam-se por reacção topotáctica na fronteira dos nanotubos de titanato de sódio. A temperaturas mais altas e/ou reacções mais longas, a reacção é controlada por um mecanismo de dissolução e precipitação com formação de dendrites de BaTiO3 tetragonais com superfície mais regular (“seaweed”). A microscopia de força piezoeléctrica mostrou que as dendrites “seaweeds“ possuem actividade piezoeléctrica superior à das dendrites “wild”, o que confirma o papel desempenhado pela estrutura e pela concentração de defeitos na rede na coerência e ordem ferroeléctrica de nanoestruturas. Os nossos resultados confirmam que os NTs de titanato não actuam facilmente como “moldes” na síntese em solução de BaTiO3 já que a velocidade de dissolução dos NTs em condições alcalinas é superior à velocidade de formação do BaTiO3. Assumindo que a velocidade de reacção dos NTs com o precursor de bário é superior em fase vapor, efectuou-se a deposição de um precursor orgânico de bário por deposição química de vapor sobre um filme de NTs de titnato de sódio depositados por deposição electroforética. Estudou-se a estabilidade dos NTs nas diferentes condições do reactor. Quando os NTs são tratados a temperaturas superiores a 700 ºC, ocorre a transformação dos NTs em nanocilindros de anatase por um mecanismo de agregação orientada. Quando se faz a deposição do precursor de bário, seguida de calcinação a 700 ºC em atmosfera oxidante de O2, verifica-se que a superficie dos NTs fica coberta com nanocristais de BaTiO3 independentemente da concentração de bário. O papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em fase vapor é assim descrito pela primeira vez. Em relação à metodologias de crescimento de partículas na ausência de “moldes” mas com aditivos fez-se um estudo sistemático utilizando 5 aditivos de natureza differente. As diferenças entre aditivos foram sistematizadas tendo em conta as diferenças estruturais e morfológicas verificadas. Está provado que os aditivos podem funcionar como modificadores de crescimento cristalino por alteração do seu padrão de crescimento ou por alteração da cinética de crescimento das faces cristalográficas do cristal. Entre os aditivos testados verificou-se que o ácido poliacrilíco adsorve em faces específicas do BaTiO3 alterando a cinética de crescimento e induzindo a agregação orientada das partículas. O polivinilpirrolidona, o docecilsulfato de sódio e hidroxipropilmetilcelulose actuam mais como inibidores de crescimento do que como modificadores do tipo de crescimento. A D-frutose aumenta a energia de activação da etapa de nucleação não ocorrendo formação de BaTiO3 para as mesmas condições dos outros aditivos. Esta tese clarifica o papel dos NTs de titanato de sódio enquanto precursores e “moldes” no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em solução e em fase vapor. É feita também a abordagem do controlo morfológico do BaTiO3 através do uso de aditivos. As estratégias de preparação de BaTiO3 propostas são de baixo custo, reprodutíveis e fáceis de efectuar. Os resultados contribuem para uma melhor compreensão da relação tamanho – morfologia – propriedade em materiais ferroeléctricos nanométricos com vista à sua potencial aplicação.

Characterisation of gas and particle emissions from wildfires

Os incêndios florestais são uma importante fonte de emissão de compostos gasosos e de aerossóis. Em Portugal, onde a maioria dos incêndios ocorre no norte e centro do país, os incêndios destroem todos os anos milhares de hectares, com importantes perdas em termos económicos, de vidas humanas e qualidade ambiental. As emissões podem alterar consideravelmente a química da atmosfera, degradar a qualidade do ar e alterar o clima. Contudo, a informação sobre as caraterísticas das emissões dos incêndios florestais nos países do Mediterrâneo é limitada. Tanto a nível nacional como internacional, existe um interesse crescente na elaboração de inventários de emissões e de regulamentos sobre as emissões de carbono para a atmosfera. Do ponto de vista atmosférico da monitorização atmosférica, os incêndios são considerados um desafio, dada a sua variabilidade temporal e espacial, sendo de esperar um aumento da sua frequência, dimensão e severidade, e também porque as estimativas de emissões dependem das caraterísticas dos biocombustíveis e da fase de combustão. O objetivo deste estudo foi quantificar e caraterizar as emissões de gases e aerossóis de alguns dos mais representativos incêndios florestais que ocorreram no centro de Portugal nos verões de 2009 e de 2010. Efetuou-se a colheita de amostras de gases e de duas frações de partículas (PM2.5 e PM2.5-10) nas plumas de fumo em sacos Tedlar e em filtros de quartzo acoplados a um amostrador de elevado volume, respetivamente. Os hidrocarbonetos totais (THC) e óxidos de carbono (CO e CO2) nas amostras gasosas foram analisados em instrumentos automáticos de ionização de chama e detetores não dispersivos de infravermelhos, respetivamente. Para algumas amostras, foram também quantificados alguns compostos de carbonilo após reamostragem do gás dos sacos Tedlar em cartuchos de sílica gel revestidos com 2,4-dinitrofenilhidrazina (DNPH), seguida de análise por cromatografia líquida de alta resolução. Nas partículas, analisou-se o carbono orgânico e elementar (técnica termo-óptica), iões solúveis em água (cromatografia iónica) e elementos (espectrometria de massa com plasma acoplado por indução ou análise instrumental por ativação com neutrões). A especiação orgânica foi obtida por cromatografia gasosa acoplada a espectrometria de massa após extração com recurso a vários solventes e separação dos extratos orgânicos em diversas classes de diferentes polaridades através do fracionamento com sílica gel. Os fatores de emissão do CO e do CO2 situaram-se nas gamas 52-482 e 822-1690 g kg-1 (base seca), mostrando, respetivamente, correlação negativa e positiva com a eficiência de combustão. Os fatores de emissão dos THC apresentaram valores mais elevados durante a fase de combustão latente sem chama, oscilando entre 0.33 e 334 g kg-1 (base seca). O composto orgânico volátil oxigenado mais abundante foi o acetaldeído com fatores de emissão que variaram desde 1.0 até 3.2 g kg-1 (base seca), seguido pelo formaldeído e o propionaldeído. Observou-se que as emissões destes compostos são promovidas durante a fase de combustão latente sem chama. Os fatores de emissão de PM2.5 e PM10 registaram valores entre 0.50-68 e 0.86-72 g kg-1 (base seca), respetivamente. A emissão de partículas finas e grosseiras é também promovida em condições de combustão lenta. As PM2.5 representaram cerca de 90% da massa de partículas PM10. A fração carbonosa das partículas amostradas em qualquer dos incêndios foi claramente dominada pelo carbono orgânico. Foi obtida uma ampla gama de rácios entre o carbono orgânico e o carbono elementar, dependendo das condições de combustão. Contudo, todos os rácios refletiram uma maior proporção de carbono orgânico em relação ao carbono elementar, típica das emissões de queima de biomassa. Os iões solúveis em água obtidos nas partículas da pluma de fumo contribuíram com valores até 3.9% da massa de partículas PM2.5 e 2.8% da massa de partículas de PM2.5-10. O potássio contribuiu com valores até 15 g mg-1 PM2.5 e 22 g mg-1 PM2.5-10, embora em massa absoluta estivesse maioritariamente presente nas partículas finas. Os rácios entre potássio e carbono elementar e entre potássio e carbono orgânico obtidos nas partículas da pluma de fumo enquadram-se na gama de valores relatados na literatura para emissões de queima de biomassa. Os elementos detetados nas amostras representaram, em média, valores até 1.2% e 12% da massa de PM2.5 e PM2.5-10, respetivamente. Partículas resultantes de uma combustão mais completa (valores elevados de CO2 e baixos de CO) foram caraterizadas por um elevado teor de constituintes inorgânicos e um menor conteúdo de matéria orgânica. Observou-se que a matéria orgânica particulada é composta principalmente por componentes fenólicos e produtos derivados, séries de compostos homólogos (alcanos, alcenos, ácidos alcanóicos e alcanóis), açúcares, biomarcadores esteróides e terpenóides, e hidrocarbonetos aromáticos policíclicos. O reteno, um biomarcador das emissões da queima de coníferas, foi o hidrocarboneto aromático dominante nas amostras das plumas de fumo amostradas durante a campanha que decorreu em 2009, devido ao predomínio de amostras colhidas em incêndios em florestas de pinheiros. O principal açúcar anidro, e sempre um dos compostos mais abundantes, foi o levoglucosano. O rácio levoglucosano/OC obtido nas partículas das plumas de fumo, em média, registaram valores desde 5.8 a 23 mg g-1 OC. Os rácios levoglucosano/manosano e levoglucosano/(manosano+galactosano) revelaram o predomínio de amostras provenientes da queima de coníferas. Tendo em conta que a estimativa das emissões dos incêndios florestais requer um conhecimento de fatores de emissão apropriados para cada biocombustível, a base de dados abrangente obtida neste estudo é potencialmente útil para atualizar os inventários de emissões. Tem vindo a ser observado que a fase de combustão latente sem chama, a qual pode ocorrer simultaneamente com a fase de chama e durar várias horas ou dias, pode contribuir para uma quantidade considerável de poluentes atmosféricos, pelo que os fatores de emissão correspondentes devem ser considerados no cálculo das emissões globais de incêndios florestais. Devido à falta de informação detalhada sobre perfis químicos de emissão, a base de dados obtida neste estudo pode também ser útil para a aplicação de modelos no recetor no sul da Europa.