Electroluminiscence and optical amplification in silicon nanostructures: towards the integration of electronics and photonics

This line of research of my group intends to establish a Silicon technological platform in the field of photonics allowing the development of a wide set of applications. Particularly, what is still lacking in Silicon Photonics is an efficient and integrable light source such an LED or laser. Nanocrystals in silicon oxide or nitride matrices have been recently demonstrated as competitive materials for both active components (electrically and optically driven light emitters and optical amplifiers) and passive ones (waveguides and modulators). The final goal is the achievement of a complete integration of electronic and optical functions in the same CMOS chip. The first part of this paper will introduce the structural and optical properties of LEDs fabricated from silicon nanostructures. The second will treat the interaction of such nanocrystals with rare-earth elements (Er), which lead to an efficient hybrid system emitting in the third window of optical fibers. I will present the fabrication and assessment of optical waveguide amplifiers at 1.54 ¿m for which we have been able to demonstrate recently optical gain in waveguides made from sputtered silicon suboxide materials.

Design and production of protein nanostructures for biomolecular detection

Particulate nanostructures are increasingly used for analytical purposes. Such particles are often generated by chemical synthesis from non-renewable raw materials. Generation of uniform nanoscale particles is challenging and particle surfaces must be modified to make the particles biocompatible and water-soluble. Usually nanoparticles are functionalized with binding molecules (e.g., antibodies or their fragments) and a label substance (if needed). Overall, producing nanoparticles for use in bioaffinity assays is a multistep process requiring several manufacturing and purification steps. This study describes a biological method of generating functionalized protein-based nanoparticles with specific binding activity on the particle surface and label activity inside the particles. Traditional chemical bioconjugation of the particle and specific binding molecules is replaced with genetic fusion of the binding molecule gene and particle backbone gene. The entity of the particle shell and binding moieties are synthesized from generic raw materials by bacteria, and fermentation is combined with a simple purification method based on inclusion bodies. The label activity is introduced during the purification. The process results in particles that are ready-to-use as reagents in bioaffinity. Apoferritin was used as particle body and the system was demonstrated using three different binding moieties: a small protein, a peptide and a single chain Fv antibody fragment that represents a complex protein including disulfide bridge.If needed, Eu3+ was used as label substance. The results showed that production system resulted in pure protein preparations, and the particles were of homogeneous size when visualized with transmission electron microscopy. Passively introduced label was stably associated with the particles, and binding molecules genetically fused to the particle specifically bound target molecules. Functionality of the particles in bioaffinity assays were successfully demonstrated with two types of assays; as labels and in particle-enhanced agglutination assay. This biological production procedure features many advantages that make the process especially suited for applications that have frequent and recurring requirements for homogeneous functional particles. The production process of ready, functional and watersoluble particles follows principles of “green chemistry”, is upscalable, fast and cost-effective.

Hydrogen Sensor Application of Anodic Titanium Oxide Nanostructures

Hydrogen (H2) fuel cells have been considered a promising renewable energy source. The recent growth of H2 economy has required highly sensitive, micro-sized and cost-effective H2 sensor for monitoring concentrations and alerting to leakages due to the flammability and explosiveness of H2 Titanium dioxide (TiO2) made by electrochemical anodic oxidation has shown great potential as a H2 sensing material. The aim of this thesis is to develop highly sensitive H2 sensor using anodized TiO2. The sensor enables mass production and integration with microelectronics by preparing the oxide layer on suitable substrate. Morphology, elemental composition, crystal phase, electrical properties and H2 sensing properties of TiO2 nanostructures prepared on Ti foil, Si and SiO2/Si substrates were characterized. Initially, vertically oriented TiO2 nanotubes as the sensing material were obtained by anodizing Ti foil. The morphological properties of tubes could be tailored by varying the applied voltages of the anodization. The transparent oxide layer creates an interference color phenomena with white light illumination on the oxide surface. This coloration effect can be used to predict the morphological properties of the TiO2 nanostructures. The crystal phase transition from amorphous to anatase or rutile, or the mixture of anatase and rutile was observed with varying heat treatment temperatures. However, the H2 sensing properties of TiO2 nanotubes at room temperature were insufficient. H2 sensors using TiO2 nanostructures formed on Si and SiO2/Si substrates were demonstrated. In both cases, a Ti layer deposited on the substrates by a DC magnetron sputtering method was successfully anodized. A mesoporous TiO2 layer obtained on Si by anodization in an aqueous electrolyte at 5°C showed diode behavior, which was influenced by the work function difference of Pt metal electrodes and the oxide layer. The sensor enabled the detection of H2 (20-1000 ppm) at low operating temperatures (50–140°C) in ambient air. A Pd decorated tubular TiO2 layer was prepared on metal electrodes patterned SiO2/Si wafer by anodization in an organic electrolyte at 5°C. The sensor showed significantly enhanced H2 sensing properties, and detected hydrogen in the range of a few ppm with fast response/recovery time. The metal electrodes placed under the oxide layer also enhanced the mechanical tolerance of the sensor. The concept of TiO2 nanostructures on alternative substrates could be a prospect for microelectronic applications and mass production of gas sensors. The gas sensor properties can be further improved by modifying material morphologies and decorating it with catalytic materials.

Anisotropie de la photoluminescence dans des nanostructures organiques chirales autoassemblées

Nous investiguons dans ce travail la dynamique des excitons dans une couche mince d’agrégats H autoassemblés hélicoïdaux de molécules de sexithiophène. Le couplage intermoléculaire (J=100 meV) place ce matériau dans la catégorie des semi-conducteurs à couplage de type intermédiaire. Le désordre énergétique et la forte interaction électronsphonons causent une forte localisation des excitons. Les espèces initiales se ramifient en deux états distincts : un état d’excitons autopiégés (rendement de 95 %) et un état à transfert de charge (rendement de 5%). À température de la pièce (293K), les processus de sauts intermoléculaires sont activés et l’anisotropie de la fluorescence décroît rapidement à zéro en 5 ns. À basse température (14K), les processus de sauts sont gelés. Pour caractériser la dynamique de diffusion des espèces, une expérience d’anisotropie de fluorescence a été effectuée. Celle-ci consiste à mesurer la différence entre la photoluminescence polarisée parallèlement au laser excitateur et celle polarisée perpendiculairement, en fonction du temps. Cette mesure nous donne de l’information sur la dépolarisation des excitons, qui est directement reliée à leur diffusion dans la structure supramoléculaire. On mesure une anisotropie de 0,1 après 20 ns qui perdure jusqu’à 50ns. Les états à transfert de charge causent une remontée de l’anisotropie vers une valeur de 0,15 sur une plage temporelle allant de 50 ns jusqu’à 210 ns (période entre les impulsions laser). Ces résultats démontrent que la localisation des porteurs est très grande à 14K, et qu’elle est supérieure pour les espèces à transfert de charge. Un modèle numérique simple d’équations différentielles à temps de vie radiatif et de dépolarisation constants permet de reproduire les données expérimentales. Ce modèle a toutefois ses limitations, notamment en ce qui a trait aux mécanismes de dépolarisation des excitons.

Nanostructures de surface obtenues par dépôt de films minces à base d'assemblage supramoléculaire de copolymères blocs

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Dynamique des photoexcitations de nanostructures supramoléculaires d'oligothiophènes

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Étude de la formation et de l'évolution de nanostructures par méthodes Monte Carlo

Cette thèse, composée de quatre articles scientifiques, porte sur les méthodes numériques atomistiques et leur application à des systèmes semi-conducteurs nanostructurés. Nous introduisons les méthodes accélérées conçues pour traiter les événements activés, faisant un survol des développements du domaine. Suit notre premier article, qui traite en détail de la technique d'activation-relaxation cinétique (ART-cinétique), un algorithme Monte Carlo cinétique hors-réseau autodidacte basé sur la technique de l'activation-relaxation nouveau (ARTn), dont le développement ouvre la voie au traitement exact des interactions élastiques tout en permettant la simulation de matériaux sur des plages de temps pouvant atteindre la seconde. Ce développement algorithmique, combiné à des données expérimentales récentes, ouvre la voie au second article. On y explique le relâchement de chaleur par le silicium cristallin suite à son implantation ionique avec des ions de Si à 3 keV. Grâce à nos simulations par ART-cinétique et l'analyse de données obtenues par nanocalorimétrie, nous montrons que la relaxation est décrite par un nouveau modèle en deux temps: "réinitialiser et relaxer" ("Replenish-and-Relax"). Ce modèle, assez général, peut potentiellement expliquer la relaxation dans d'autres matériaux désordonnés. Par la suite, nous poussons l'analyse plus loin. Le troisième article offre une analyse poussée des mécanismes atomistiques responsables de la relaxation lors du recuit. Nous montrons que les interactions élastiques entre des défauts ponctuels et des petits complexes de défauts contrôlent la relaxation, en net contraste avec la littérature qui postule que des "poches amorphes" jouent ce rôle. Nous étudions aussi certains sous-aspects de la croissance de boîtes quantiques de Ge sur Si (001). En effet, après une courte mise en contexte et une introduction méthodologique supplémentaire, le quatrième article décrit la structure de la couche de mouillage lors du dépôt de Ge sur Si (001) à l'aide d'une implémentation QM/MM du code BigDFT-ART. Nous caractérisons la structure de la reconstruction 2xN de la surface et abaissons le seuil de la température nécessaire pour la diffusion du Ge en sous-couche prédit théoriquement par plus de 100 K.

Etude spectroscopique d’un plasma micro-onde à la pression atmosphérique et son application à la synthèse de nanostructures

L’objectif de ce mémoire de maîtrise est de caractériser la distribution axiale des plasmas tubulaires à la pression atmosphérique créés et entretenus par une onde électromagnétique de surface ainsi que d’explorer le potentiel de ces sources pour la synthèse de matériaux et de nanomatériaux. Un précédent travail de thèse, qui avait pour objectif de déterminer les mécanismes à l’origine de la contraction radiale du plasma créé dans des gaz rares, a mis en lumière un phénomène jusque-là inconnu dans les plasmas d’onde de surface (POS). En effet, la distribution axiale varie différemment selon la puissance incidente ce qui constitue une différence majeure par rapport aux plasmas à pression réduite. Dans ce contexte, nous avons réalisé une étude paramétrique des POS à la pression atmosphérique dans l’Ar. À partir de nos mesures de densité électronique, de température d’excitation et de densité d’atomes d’Ar dans un niveau métastable (Ar 3P2), résolues axialement, nous avons conclu que le comportement axial de l’intensité lumineuse avec la puissance n’est pas lié à un changement de la cinétique de la décharge (qui est dépendante de la température des électrons et de la densité d’atomes d’Ar métastables), mais plutôt à une distribution anormale de dissipation de puissance dans le plasma (reliée à la densité d’électrons). Plus précisément, nos résultats suggèrent que ce dépôt anormal de puissance provient d’une réflexion de l’onde dans le fort gradient de densité de charges en fin de colonne, un effet plus marqué pour de faibles longueurs de colonnes à plasma. Ensuite, nous avons effectué une étude spectroscopique du plasma en présence de précurseurs organiques, en particulier le HMDSO pour la synthèse de matériaux organosiliciés et l’IPT pour la synthèse de matériaux organotitaniques. Les POS à la PA sont caractérisés par des densités de charges très élevées (>10^13 cm^-3), permettant ainsi d’atteindre des degrés de dissociation des précurseurs nettement plus élevés que ceux d'autres plasmas froids à la pression atmosphérique comme les décharges à barrière diélectrique. Dans de tels cas, les matériaux synthétisés prennent la forme de nanopoudres organiques de taille inférieure à 100 nm. En présence de faibles quantités d’oxygène dans le plasma, nous obtenons plutôt des nanopoudres à base d’oxyde de silicium (HMDSO) ou à base de titanate de silicium (IPT), avec très peu de carbone.

Template assisted fabrication of I-D nanostructures of Nickel,Cobalt, Iron Oxide and Carbon nanotubes and a study on their structural, magnetic and nonlinear optical properties for applications

Department of Physics, Cochin University of Science & Technology

On the Synthesis and Characterisation of Magnetic Metal and Metal oxide Nanostructures

Department of Physics, Cochin University of Science and Technology

Growth of metal and semiconductor nanostructures for nonlinear optical applications

Nonlinear optics has been a rapidly growing field in recent decades since the invention of lasers. The systematic progress in the laser technology increases our efficiency in the generation and control of coherent optical radiations. Nonlinear optics is based on the study ofeffects and phenomena related to the interaction of intense coherent light radiation with matter. Compared to other light sources laser radiation can provide high directionality, high monochromaticiry, high brightness and high photon degeneracy. At such a very intense incident beam, the matter responds in a nonlinear manner to the incident radiation fields, which endows the media :1 characteristic to change the refractive index or absorption coe fflcient of the media or the wavelength, or the frequency of the incident electromagnetic waves. This thesis encompasses the fabrication of nonlinear optical devices based on semiconductor and metal nanostructures. The presented work focus on the experimental and theoretical discussions on nonlinear optical effects especially nonlinear absorption and refraction exhibitted by metal and semiconductor nanostructures

Exchange bias effect in partially oxidized amorphous Fe–Ni–B based metallic glass nanostructures

The magnetic properties of amorphous Fe–Ni–B based metallic glass nanostructures were investigated. The nanostructures underwent a spin-glass transition at temperatures below 100 K and revealed an irreversible temperature following the linear de Almeida–Thouless dependence. When the nanostructures were cooled below 25 K in a magnetic field, they exhibited an exchange bias effect with enhanced coercivity. The observed onset of exchange bias is associated with the coexistence of the spin-glass phase along with the appearance of another spin-glass phase formed by oxidation of the structurally disordered surface layer, displaying a distinct training effect and cooling field dependence. The latter showed a maximum in exchange bias field and coercivity, which is probably due to competing multiple equivalent spin configurations at the boundary between the two spin-glass phases

Synthesis and characterization of 3d-transition metals doped ZnO thin films and nanostructures for possible spintronic applications

The objective of the present study is the formation of single phase Zn1−xTMxO thin films by PLD and increase the solubility limit of TM dopants. The TM doped ZnO nanostructures were also grown by hydrothermal method. The structural and morphological variation of ZnO:TM thin films and nanostructures with TM doping concentration is also investigated. The origin and enhancement of ferromagnetism in single phase Zn1−xTMxO thin films and nanostructures using spectroscopic techniques were also studied. The dependence of ablation parameters on the structural and optical properties of ZnO thin films were studied