Fabrication et caractérisation de cellules solaires organiques nanostructurées par la méthode de nanoimpression thermique

La morphologie des couches actives des cellules solaires organiques joue un rôle important sur l’efficacité de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique de ces dispositifs. Les hétérojonctions planaires et les hétérojonctions en volume sont les plus communément utilisées. Cependant, la morphologie idéale pour l’efficacité se situerait à mis chemin entre celles-ci. Il s’agit de l’hétérojonction nanostructurée qui augmenterait la surface entre les couches actives de matériaux tout en favorisant le transport des porteurs de charge. L’objectif de ce projet de maîtrise est d’étudier l’impact de l’implantation de nanostructures dans les cellules solaires organiques sur leurs performances photovoltaïques. Pour ce faire, on utilise la méthode de nanoimpression thermique sur le matériau donneur, le P3HT, afin que celui-ci forme une interface nanostructurée avec le matériau accepteur, le PCBM. Pour effectuer les nanoimpressions, des moules en alumine nanoporeuse ont été fabriqués à l’aide du procédé d’anodisation en deux temps développé par Masuda et al. Ces moules ont subi un traitement afin de faciliter leur séparation du P3HT. Les agents antiadhésifs PDMS et FTDS ont été utilisés à cette fin. Les résultats obtenus témoignent de la complexité d’exécution du procédé de nanoimpression. Il a été démontré que la pression appliquée durant le procédé, la tension superficielle des éléments en contact et les dimensions des nanopores des moules sont des paramètres critiques pour le succès des nanoimpressions. Ceux-ci ont donc dû être optimisés de manière à réussir cette opération. Ainsi, des cellules à interface nanostructurée à 25% avec des nanobâtonnets de 35 nm de hauteur ont pu être fabriquées. Les cellules nanostructurées ont démontré une efficacité 2,3 ± 0,6 fois supérieure aux cellules sans nanostructures, dites planaires. D’autre part, un solvant a été proposé pour diminuer l’interdiffusion entre les couches de P3HT et de PCBM pouvant altérer les nanostructures. Ce phénomène bien connu survient lors du dépot de la couche de PCBM avec le dichlorométhane, un solvant orthogonal avec ces matériaux. Des mesures au TOF-SIMS ont démontré que le limonène permet de diminuer l’interdiffusion entre les couches de P3HT et de PCBM, ce qui en fait un meilleur solvant orthogonal que le dichlorométhane.

Functionalized Carbon Micro/Nanostructures for Biomolecular Detection

Advancements in the micro-and nano-scale fabrication techniques have opened up new avenues for the development of portable, scalable and easier-to-use biosensors. Over the last few years, electrodes made of carbon have been widely used as sensing units in biosensors due to their attractive physiochemical properties. The aim of this research is to investigate different strategies to develop functionalized high surface carbon micro/nano-structures for electrochemical and biosensing devices. High aspect ratio three-dimensional carbon microarrays were fabricated via carbon microelectromechanical systems (C-MEMS) technique, which is based on pyrolyzing pre-patterned organic photoresist polymers. To further increase the surface area of the carbon microstructures, surface porosity was introduced by two strategies, i.e. (i) using F127 as porogen and (ii) oxygen reactive ion etch (RIE) treatment. Electrochemical characterization showed that porous carbon thin film electrodes prepared by using F127 as porogen had an effective surface area (Aeff 185%) compared to the conventional carbon electrode. To achieve enhanced electrochemical sensitivity for C-MEMS based functional devices, graphene was conformally coated onto high aspect ratio three-dimensional (3D) carbon micropillar arrays using electrostatic spray deposition (ESD) technique. The amperometric response of graphene/carbon micropillar electrode arrays exhibited higher electrochemical activity, improved charge transfer and a linear response towards H2O2 detection between 250μM to 5.5mM. Furthermore, carbon structures with dimensions from 50 nano-to micrometer level have been fabricated by pyrolyzing photo-nanoimprint lithography patterned organic resist polymer. Microstructure, elemental composition and resistivity characterization of the carbon nanostructures produced by this process were very similar to conventional photoresist derived carbon. Surface functionalization of the carbon nanostructures was performed using direct amination technique. Considering the need for requisite functional groups to covalently attach bioreceptors on the carbon surface for biomolecule detection, different oxidation techniques were compared to study the types of carbon–oxygen groups formed on the surface and their percentages with respect to different oxidation pretreatment times. Finally, a label-free detection strategy using signaling aptamer/protein binding complex for platelet-derived growth factor oncoprotein detection on functionalized three-dimensional carbon microarrays platform was demonstrated. The sensor showed near linear relationship between the relative fluorescence difference and protein concentration even in the sub-nanomolar range with an excellent detection limit of 5 pmol.

Development, Evaluation and Optimization of Fabrication Processes for Daylight Guiding Systems Based on Micromirror Arrays

In this work, fabrication processes for daylight guiding systems based on micromirror arrays are developed, evaluated and optimized.Two different approaches are used: At first, nanoimprint lithography is used to fabricate large area micromirrors by means of Substrate Conformal Imprint Lithography (SCIL).Secondly,a new lithography technique is developed using a novel bi-layered photomask to fabricate large area micromirror arrays. The experimental results showing a reproducible stable process, high yield, and is consuming less material, time, cost and effort.

The optical properties of metamaterials

This thesis studies the parametric investigation, polarisation dependence and characterization of fishnet structure at near infrared wavelengths. Detailed simulations are performed to understand the behaviour of the structure at near infrared and optical wavelengths. Simulations are performed to obtain negative refractive index of the fishnet structure formed from nanoimprint lithography (NIL) by taking into account the effect of substrate and polymethyl methacrylate (PMMA) beneath it. Two different structures have been designed and fabricated of varying dimensions using NIL and their resonant wavelength measured in the near infrared at 1.45 µm and 1.88 µm. Simulations suggest that a negative refractive index real part with the magnitude -0.24 is found at 1.53 µm and this decrease to a maximum magnitude of -0.57 at 1.9 µm. The PMMA and suppressed pillars are here responsible for the increasing material losses and limiting the value of negative refractive index. An analytical approach has been suggested to characterise fishnet structures at oblique incidence. The expressions for an absorbing medium are rewritten for an alternative definition of refractive index. The expressions are initially validated for a dielectric slab and a metal film. These results provide the possibility that this proposal may yield a general algorithm for obtaining the complex reflection and transmission coefficients for artificial structures. FDTD simulations have been extensively used in this thesis to understand the optical metamaterials and their characterization.

Substrate Conformal Imprint Lithography als innovatives Verfahren zur Herstellung von Nanospektrometern im sichtbaren Spektralbereich

Selbstbestimmung und -gestaltung des eigenen Alltages gewinnen immer mehr an Bedeutung, insbesondere für ältere Mitmenschen in ländlichen Regionen, die auf ärztliche Versorgung angewiesen sind. Die Schaffung sogenannter smart personal environments mittels einer Vielzahl von, nahezu unsichtbar installierten Sensoren im gewohnten Lebensraum liefert dem Anwender (lebens-) notwendige Informationen über seine Umgebung oder seinen eigenen Körper. Dabei gilt es nicht den Anwender mit technischen Daten, wie Spektren, zu überfordern. Vielmehr sollte die Handhabung so einfach wie möglich gestaltet werden und die ausgewertete Information als Indikationsmittel zum weiteren Handeln dienen. Die Anforderungen an moderne Technologien sind folglich eine starke Miniaturisierung, zur optimalen Integration und Mobilität, bei gleichzeitig hoher Auflösung und Stabilität. Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ist die Miniaturisierung eines spektroskopischen Systems bei gleichzeitig hohem Auflösungsvermögen für die Detektion im sichtbaren Spektralbereich. Eine Möglichkeit für die Herstellung eines konkurrenzfähigen „Mini-„ oder „Mikrospektrometers“ basiert auf Fabry-Pérot (FP) Filtersystemen, da hierbei die Miniaturisierung nicht wie üblich auf Gittersysteme limitiert ist. Der maßgebliche Faktor für das spektrale Auflösungsvermögen des Spektrometers ist die vertikale Präzision und Homogenität der einzelnen 3D Filterkavitäten, die die unterschiedlichen Transmissionswellenlängen der einzelnen Filter festlegen. Die wirtschaftliche Konkurrenzfähigkeit des am INA entwickelten Nanospektremeters wurde durch die maximale Reduzierung der Prozessschritte, nämlich auf einen einzigen Schritt, erreicht. Erstmalig wird eine neuartige Nanoimprint Technologie, die sog. Substrate Conformal Imprint Lithography, für die Herstellung von wellenlängen-selektierenden Filterkavitäten von stark miniaturisierten Spektrometern eingesetzt. Im Zuge dieser Arbeit wird das Design des FP Filtersystems entwickelt und technologisch mittels Dünnschichtdeposition und der Nanoimprinttechnologie realisiert. Ein besonderer Schwerpunkt liegt hierbei in der Untersuchung des Prägematerials, dessen optische Eigenschaften maßgeblich über die Performance des Filtersystems entscheiden. Mit Hilfe eines speziell gefertigten Mikroskopspektrometers werden die gefertigten Filterfelder hinsichtlich ihrer Transmissionseigenschaften und ihres Auflösungsvermögens hin untersucht. Im Hinblick auf publizierte Arbeiten konkurrierender Arbeitsgruppen konnte eine deutliche Verbesserung des miniaturisierten Spektrometers erreicht werden. Die Minimierung der Prozessschritte auf einen einzigen Prägeschritt sorgt gleichzeitig für eine schnelle und zuverlässige Replikation der wellenlängenselektierenden Filterkavitäten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde aufgezeigt, dass das angestrebte Nanospektrometer, trotz der sehr geringen Größe, eine hohe Auflösung liefern kann und gerade wegen der starken Miniaturisierung mit kommerziellen Mini- und Mikro-spektrometern konkurrenzfähig ist.

Fabrication and Characterization of Efficient Optical Filter Arrays Implemented by 3D Nanoimprint

In dieser Arbeit werden optische Filterarrays für hochqualitative spektroskopische Anwendungen im sichtbaren (VIS) Wellenlängenbereich untersucht. Die optischen Filter, bestehend aus Fabry-Pérot (FP)-Filtern für hochauflösende miniaturisierte optische Nanospektrometer, basieren auf zwei hochreflektierenden dielektrischen Spiegeln und einer zwischenliegenden Resonanzkavität aus Polymer. Jeder Filter erlaubt einem schmalbandigem spektralen Band (in dieser Arbeit Filterlinie genannt) ,abhängig von der Höhe der Resonanzkavität, zu passieren. Die Effizienz eines solchen optischen Filters hängt von der präzisen Herstellung der hochselektiven multispektralen Filterfelder von FP-Filtern mittels kostengünstigen und hochdurchsatz Methoden ab. Die Herstellung der multiplen Spektralfilter über den gesamten sichtbaren Bereich wird durch einen einzelnen Prägeschritt durch die 3D Nanoimprint-Technologie mit sehr hoher vertikaler Auflösung auf einem Substrat erreicht. Der Schlüssel für diese Prozessintegration ist die Herstellung von 3D Nanoimprint-Stempeln mit den gewünschten Feldern von Filterkavitäten. Die spektrale Sensitivität von diesen effizienten optischen Filtern hängt von der Genauigkeit der vertikalen variierenden Kavitäten ab, die durch eine großflächige ‚weiche„ Nanoimprint-Technologie, UV oberflächenkonforme Imprint Lithographie (UV-SCIL), ab. Die Hauptprobleme von UV-basierten SCIL-Prozessen, wie eine nichtuniforme Restschichtdicke und Schrumpfung des Polymers ergeben Grenzen in der potenziellen Anwendung dieser Technologie. Es ist sehr wichtig, dass die Restschichtdicke gering und uniform ist, damit die kritischen Dimensionen des funktionellen 3D Musters während des Plasmaätzens zur Entfernung der Restschichtdicke kontrolliert werden kann. Im Fall des Nanospektrometers variieren die Kavitäten zwischen den benachbarten FP-Filtern vertikal sodass sich das Volumen von jedem einzelnen Filter verändert , was zu einer Höhenänderung der Restschichtdicke unter jedem Filter führt. Das volumetrische Schrumpfen, das durch den Polymerisationsprozess hervorgerufen wird, beeinträchtigt die Größe und Dimension der gestempelten Polymerkavitäten. Das Verhalten des großflächigen UV-SCIL Prozesses wird durch die Verwendung von einem Design mit ausgeglichenen Volumen verbessert und die Prozessbedingungen werden optimiert. Das Stempeldesign mit ausgeglichen Volumen verteilt 64 vertikal variierenden Filterkavitäten in Einheiten von 4 Kavitäten, die ein gemeinsames Durchschnittsvolumen haben. Durch die Benutzung der ausgeglichenen Volumen werden einheitliche Restschichtdicken (110 nm) über alle Filterhöhen erhalten. Die quantitative Analyse der Polymerschrumpfung wird in iii lateraler und vertikaler Richtung der FP-Filter untersucht. Das Schrumpfen in vertikaler Richtung hat den größten Einfluss auf die spektrale Antwort der Filter und wird durch die Änderung der Belichtungszeit von 12% auf 4% reduziert. FP Filter die mittels des Volumengemittelten Stempels und des optimierten Imprintprozesses hergestellt wurden, zeigen eine hohe Qualität der spektralen Antwort mit linearer Abhängigkeit zwischen den Kavitätshöhen und der spektralen Position der zugehörigen Filterlinien.

3D nanoimprint technology for NIR Fabry-Pérot filter arrays

Im Rahmen dieser Arbeit wird die Herstellung von miniaturisierten NIR-Spektrometern auf Basis von Fabry-Pérot (FP) Filter Arrays behandelt. Bisher ist die kostengünstige Strukturierung von homogenen und vertikal erweiterten Kavitäten für NIR FP-Filter mittels Nanoimprint Technologie noch nicht verfügbar, weil die Qualität der Schichten des Prägematerials unzureichend ist und die geringe Mobilität der Prägematerialien nicht ausreicht, um die vertikal erweiterten Kavitäten zu füllen. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Reduzierung des technischen Aufwands zur Herstellung von homogenen und vertikal erweiterten Kavitäten. Zur Strukturierung der Kavitäten wird ein großflächiger substratkonformer UV-Nanoimprint Prozess (SCIL - Substrate Conformal Imprint Lithoghaphy) verwendet, der auf einem Hybridstempel basiert und Vorteile von harten und weichen Stempeln vereint. Um die genannten Limitierungen zu beseitigen, werden alternative Designs der Kavitäten untersucht und ein neues Prägematerial eingesetzt. Drei Designlösungen zur Herstellung von homogenen und erweiterten Kavitäten werden untersucht und verglichen: (i) Das Aufbringen des Prägematerials mittel mehrfacher Rotationsbeschichtung, um eine höhere Schichtdicke des Prägematerials vor dem Prägeprozess zu erzeugen, (ii) die Verwendung einer hybriden Kavität bestehend aus einer strukturierten Schicht des Prägematerials eingebettet zwischen zwei Siliziumoxidschichten, um die Schichtdicke der organischen Kavität zu erweitern und (iii) die Optimierung des Prägeprozesses durch Verwendung eines neuen Prägematerials. Die mit diesen drei Ansätzen hergestellten FP-Filter Arrays zeigen, hohe Transmissionen (beste Transmission > 90%) und kleine Linienbreiten (Halbwertsbreiten <5 nm).

Diffractive phase-shift lithography photomask operating in proximity printing mode

A phase shift proximity printing lithographic mask is designed, manufactured and tested. Its design is based on a Fresnel computer-generated hologram, employing the scalar diffraction theory. The obtained amplitude and phase distributions were mapped into discrete levels. In addition, a coding scheme using sub-cells structure was employed in order to increase the number of discrete levels, thus increasing the degree of freedom in the resulting mask. The mask is fabricated on a fused silica substrate and an amorphous hydrogenated carbon (a:C-H) thin film which act as amplitude modulation agent. The lithographic image is projected onto a resist coated silicon wafer, placed at a distance of 50 mu m behind the mask. The results show a improvement of the achieved resolution - linewidth as good as 1.5 mu m - what is impossible to obtain with traditional binary masks in proximity printing mode. Such achieved dimensions can be used in the fabrication of MEMS and MOEMS devices. These results are obtained with a UV laser but also with a small arc lamp light source exploring the partial coherence of this source. (C) 2010 Optical Society of America

Surface reconstruction from microscopic images in optical lithography.

This paper presents a method to reconstruct 3D surfaces of silicon wafers from 2D images of printed circuits taken with a scanning electron microscope. Our reconstruction method combines the physical model of the optical acquisition system with prior knowledge about the shapes of the patterns in the circuit; the result is a shape-from-shading technique with a shape prior. The reconstruction of the surface is formulated as an optimization problem with an objective functional that combines a data-fidelity term on the microscopic image with two prior terms on the surface. The data term models the acquisition system through the irradiance equation characteristic of the microscope; the first prior is a smoothness penalty on the reconstructed surface, and the second prior constrains the shape of the surface to agree with the expected shape of the pattern in the circuit. In order to account for the variability of the manufacturing process, this second prior includes a deformation field that allows a nonlinear elastic deformation between the expected pattern and the reconstructed surface. As a result, the minimization problem has two unknowns, and the reconstruction method provides two outputs: 1) a reconstructed surface and 2) a deformation field. The reconstructed surface is derived from the shading observed in the image and the prior knowledge about the pattern in the circuit, while the deformation field produces a mapping between the expected shape and the reconstructed surface that provides a measure of deviation between the circuit design models and the real manufacturing process.

Lithography-free micro- and nanostructuring based on conventional plasma etching

In now-a-days semiconductor and MEMS technologies the photolithography is the working horse for fabrication of functional devices. The conventional way (so called Top-Down approach) of microstructuring starts with photolithography, followed by patterning the structures using etching, especially dry etching. The requirements for smaller and hence faster devices lead to decrease of the feature size to the range of several nanometers. However, the production of devices in this scale range needs photolithography equipment, which must overcome the diffraction limit. Therefore, new photolithography techniques have been recently developed, but they are rather expensive and restricted to plane surfaces. Recently a new route has been presented - so-called Bottom-Up approach - where from a single atom or a molecule it is possible to obtain functional devices. This creates new field - Nanotechnology - where one speaks about structures with dimensions 1 - 100 nm, and which has the possibility to replace the conventional photolithography concerning its integral part - the self-assembly. However, this technique requires additional and special equipment and therefore is not yet widely applicable. This work presents a general scheme for the fabrication of silicon and silicon dioxide structures with lateral dimensions of less than 100 nm that avoids high-resolution photolithography processes. For the self-aligned formation of extremely small openings in silicon dioxide layers at in depth sharpened surface structures, the angle dependent etching rate distribution of silicon dioxide against plasma etching with a fluorocarbon gas (CHF3) was exploited. Subsequent anisotropic plasma etching of the silicon substrate material through the perforated silicon dioxide masking layer results in high aspect ratio trenches of approximately the same lateral dimensions. The latter can be reduced and precisely adjusted between 0 and 200 nm by thermal oxidation of the silicon structures owing to the volume expansion of silicon during the oxidation. On the basis of this a technology for the fabrication of SNOM calibration standards is presented. Additionally so-formed trenches were used as a template for CVD deposition of diamond resulting in high aspect ratio diamond knife. A lithography-free method for production of periodic and nonperiodic surface structures using the angular dependence of the etching rate is also presented. It combines the self-assembly of masking particles with the conventional plasma etching techniques known from microelectromechanical system technology. The method is generally applicable to bulk as well as layered materials. In this work, layers of glass spheres of different diameters were assembled on the sample surface forming a mask against plasma etching. Silicon surface structures with periodicity of 500 nm and feature dimensions of 20 nm were produced in this way. Thermal oxidation of the so structured silicon substrate offers the capability to vary the fill factor of the periodic structure owing to the volume expansion during oxidation but also to define silicon dioxide surface structures by selective plasma etching. Similar structures can be simply obtained by structuring silicon dioxide layers on silicon. The method offers a simple route for bridging the Nano- and Microtechnology and moreover, an uncomplicated way for photonic crystal fabrication.

Offset Lithography

A group of students are shown working in the Offset Lithography Department at the New York Trade School. Several presses can be seen in the room. Black and white photograph.

View of Lithography Lab at the New York Trade School

Part of a lithography lab at the New York Trade School is depicted in this photograph. To the right sample prints are hung on a board, while other prints can be seen on the table, possibly drying. Black and white photograph.

Members of the Stripping Class in the Lithography Department

In this photo, members of the Stripping Class in the Lithography Department of the New York Trade School are shown at work. Original caption reads, "Members of the Stripping Class. Equipment loaned by the United States Printing & Litho. Company and Local #1." Black and white photograph.