Synthesis and characterization of ZnO nanoflowers grown on AIN films by solution deposition

ZnO nanoflowers are synthesized on AIN films by solution method. The synthesized nanoflowers are composed of nanorods, which are pyramidal and grow from a central point, thus forming structures that are flower-shaped as a whole. The nanoflowers have two typical morphologies: plate-like and bush-like. The XRD spectrum corresponds to the side planes of the ZnO nanorods made up of the nanoflowers. The micro-Raman spectrum of the ZnO nanoflowers exhibits the E-2 (high) mode and the second order multiple-phonon mode. The photoluminescence spectrum of the ZnO nanoflowers exhibits ultraviolet emission centred at 375 nm and a broad green emission centred at 526 nm.

Bulge testing and fracture properties of plasma-enhanced chemical vapor deposited silicon nitride thin films

The mechanical properties and fracture behavior of silicon nitride (SiNx) thin film fabricated by plasma-enhanced chemical vapor deposition is reported. Plane-strain moduli, prestresses, and fracture strengths of silicon nitride thin film; deposited both oil a bare Si substrate and oil a thermally oxidized Si substrate were extracted using bulge testing combined with a refined load-deflection model of long rectangular membranes. The plane-strain modu i and prestresses of SiNx thin films have little dependence on the substrates, that is, for the bare Si substrate, they are 133 +/- 19 GPa and 178 +/- 22 MPa, respectively, while for the thermally oxidized substrate, they are 140 +/- 26 Gila and 194 +/- 34 MPa, respectively. However, the fracture strength values of SiNx films grown on the two substrates are quite different, i.e., 1.53 +/- 0.33 Gila and 3.08 +/- 0.79 GPa for the bare Si substrate a A the oxidized Si substrate, respectively. The reference stresses were computed by integrating the local stress of the membrane at the fracture over the edge, Surface, and volume of the specimens and fitted with the Weibull distribution function. For SiNx thin film produced oil the bare Si Substrate, the Volume integration gave a significantly better agreement between data and model, implying that the volume flaws re the dominant fracture origin. For SiNx thin film grown on the oxidized Si substrate, the fit quality of surface and edge integration was significantly better than the Volume integration, and the dominant surface and edge flaws could be caused by buffered HF attacking the SiNx layer during SiO2 removal. Crown Copyright (C) 2008 Published by Elsevier B.V. All rights reserved.

Synthesis and characterization of ZnO nanorods and nanoflowers grown on GaN-based LED epiwafer using a solution deposition method

We report the growth of hexagonal ZnO nanorods and nanoflowers on GaN-based LED epiwafer using a solution deposition method. We also discuss the mechanisms of epitaxial nucleation and of the growth of ZnO nanorods and nanoflowers. A GaN-based LED epiwafer was first deposited on a sapphire substrate by MOCVD with no electrode being fabricated on it. Vertically aligned ZnO nanorods with an average height of similar to 2.4 mu m were then grown on the LED epiwafer, and nanoflowers were synthesized on the nanorods. The growth orientation of the nanorods was perpendicular to the surface, and the synthesized nanoflowers were composed of nanorods. The micro-Raman spectra of the ZnO nanorods and nanoflowers are similar and both exhibit the E-2 (high) mode and the second-order multiple-phonon mode. The photoluminescence spectrum of ZnO nanostructures exhibits ultraviolet emission centred at about 380 nm and a broad and enhanced green emission centred at about 526 nm. The green emission of the ZnO nanostructures combined with the emission of InGaN quantum wells provides a valuable method to improve the colour rendering index (CRI) of LEDs.

Temperature dependence of the Raman-active modes in the nonpolar a-plane GaN film

Temperature dependences of the polarized Raman scattering spectra in the backscattering configuration of the nonpolar a-plane (or [11 (2) over bar0]-oriented) GaN thin film are analyzed in the range from 100 to 570 K. The nonpolar a-plane GaN film is grown on an r-plane [or (1 (1) over bar 02)-oriented] sapphire substrate by metal organic chemical vapor deposition. The spectral features of the Raman shifts, intensities, and linewidths of the active phonons modes A(1)(TO), E-1(TO), and E-2(high) are significantly revealed, and corresponding temperature coefficients are well deduced by the empirical relationships. With increasing the measurement temperature the Raman frequencies are substantially redshifted and the linewidths gradually broaden. The compressive-strain-free temperature for the nonpolar a-plane GaN film is found to be at about 400 K. Our studies will lead to a better understanding of the fundamental physical characteristics of the nonpolar GaN film. (c) 2007 American Institute of Physics.

Localized exciton dynamics in AlInGaN alloy

Carrier recombination dynamics in AlInGaN alloy has been studied by photoluminescence (PL) and time-resolved PL (TRPL) at various temperatures. The fast red-shift of PL peak energy is observed and well fitted by a physical model considering the thermal activation and transfer processes. This result provides evidence for the exciton localization in the quantum dot (QD)-like potentials in our AlInGaN alloy. The TRPL signals are found to be described by a stretched exponential function of exp[(-t/,tau)13], indicating the presence of a significant disorder in the material. The disorder is attributed to a randomly distributed QDs or clusters caused by indium fluctuations. By studying the dependence of the dispersive exponent beta on temperature and emission energy, we suggest that the exciton hopping dominate the diffusion of carriers localized in the disordered QDs. Furthermore, the localized states are found to have 0D density of states up to 250 K, since the radiative lifetime remains almost unchanged with increasing temperature. (C) 2003 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Carbonization process of Si(100) by ion-beam bombardment

The evolution of carbonization process on Si as a function of ion dose has been carried out by mass-selected ion-beam deposition technique. 3C-SiC layer has been obtained at low ion dose, which has been observed by reflection high energy electron diffraction and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The chemical states of Si and carbon have also been examined as a function of ion dose by XPS. Carbon enrichment was found regardless of the used ion dose here, which may be due to the high deposition rate. The formation mechanism of SiC has also been discussed based on the subplantation process. The work will also provide further understanding of the ion-bombardment effect. (C) 2001 Published by Elsevier Science B.V.

Dependence of wet etch rate on deposition, annealing conditions and etchants for PECVD silicon nitride film

The influence of deposition, annealing conditions, and etchants on the wet etch rate of plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) silicon nitride thin film is studied. The deposition source gas flow rate and annealing temperature were varied to decrease the etch rate of SiN_x:H by HF solution. A low etch rate was achieved by increasing the SiH_4 gas flow rate or annealing temperature, or decreasing the NH_3 and N_2 gas flow rate. Concen-trated, buffered, and dilute hydrofluoric acid were utilized as etchants for SiO_2 and SiN_x:H. A high etching selectivity of SiO_2 over SiN_x:H was obtained using highly concentrated buffered HF.

Synthesis and Application of Thiadiazoloquinoxaline-Containing Chromophores as Dopants for Efficient Near-Infrared Organic Light-Emitting Diodes

series of a donor-acceptor-donor type of near-infrared (NIR) fluorescent chromophores based on [1,2,5]thiadiazolo[3,4-g]quinoxaline (TQ) as an electron acceptor and triphenylamine as an electron donor are synthesized and characterized. By introducing pendent phenyl groups or changing the pi-conjugation length in the TQ core, we tuned tile energy levels of these chromophores, resulting in the NIR emission in a range from 784 to 868 nm. High thermal stability and glass transition temperatures allow these chromophores to be used as dopant emitters, which can be processed by vapor deposition for the fabrication of organic light-emitting diodes (OLEDs) having the multilayered structure of ITO/MoO3/NPB/Alq(3):dopant emitter/BCP/Alq(3)/LiF/Al. The electroluminescence spectra of the devices based on these new chromophores cover a range from 748 to 870 nm. With 2 wt % of dopant 1, the LED device shows an exclusive NIR emission at 752 nm with the external quantum efficiency (EQE) as high as 1.12% over a wide range of current density (e.g., around 200 mA cm(-2)).

Stimulated emission from distyrylbenzene derivative crystals grown by vapor

Narrowed spectra at 452 nm from a thin platelike crystal of distyrylbenzene derivative, 2,5-diphenyl-1,4-distyrylbenzene with two trans double bonds (trans-DPDSB) grown by vapor deposition, are observed. The trans-DPDSB crystal is irradiated by the third harmonic (355 nm) of a Nd:YAG laser. The FWHM of the narrowed spectra can reach 6 nm for the crystal when the pumping energy is 400 mu J/pulse. The threshold value for an optically pumped laser is approximately 350 mu J/pulse.

Study of (TPP)H-2 vapor deposited film on iron

The film by tetraphenylporphyrin((TPP)H-2) vapor deposition on iron was investigated by means of XPS, SEM and visible spectroscopy. N(1s) binding energy characteristic of(TPP)H-2 was gained directly from the deposited samples. N(1s) binding energy of the surface was greatly changed after the deposited sample was washed with solvent. It is indicated that the deposited film is composed of an outer-layer of physically adsorbed (TPP)H-2, and an inner-layer of chemically modified (TPP)H-2.

First principles modelling of nucleation and growth during atomic layer deposition onto III-V substrates

Atomic layer deposition (ALD) is now used in semiconductor fabrication lines to deposit nanometre-thin oxide films, and has thus enabled the introduction of high-permittivity dielectrics into the CMOS gate stack. With interest increasing in transistors based on high mobility substrates, such as GaAs, we are investigating the surface treatments that may improve the interface characteristics. We focus on incubation periods of ALD processes on III-V substrates. We have applied first principles Density Functional Theory (DFT) to investigate detailed chemistry of these early stages of growth, specifically substrate and ALD precursor interaction. We have modelled the ‘clean-up’ effect by which organometallic precursors: trimethylaluminium (TMA) or hafnium and titanium amides clean arsenic oxides off the GaAs surface before ALD growth of dielectric commences and similar effect on Si3N4 substrate. Our simulations show that ‘clean-up’ of an oxide film strongly depends on precursor ligand, its affinity to the oxide and the redox character of the oxide. The predominant pathway for a metalloid oxide such as arsenic oxide is reduction, producing volatile molecules or gettering oxygen from less reducible oxides. An alternative pathway is non-redox ligand exchange, which allows non-reducible oxides (e.g. SiO2) to be cleaned-up. First principles study shows also that alkylamides are more susceptible to decomposition rather than migration on the oxide surface. This improved understanding of the chemical principles underlying ‘clean-up’ allows us to rationalize and predict which precursors will perform the reaction. The comparison is made between selection of metal chlorides, methyls and alkylamides precursors.

Multi-scale modelling of atomic layer deposition

High-permittivity ("high-k") dielectric materials are used in the transistor gate stack in integrated circuits. As the thickness of silicon oxide dielectric reduces below 2 nm with continued downscaling, the leakage current because of tunnelling increases, leading to high power consumption and reduced device reliability. Hence, research concentrates on finding materials with high dielectric constant that can be easily integrated into a manufacturing process and show the desired properties as a thin film. Atomic layer deposition (ALD) is used practically to deposit high-k materials like HfO2, ZrO2, and Al2O3 as gate oxides. ALD is a technique for producing conformal layers of material with nanometer-scale thickness, used commercially in non-planar electronics and increasingly in other areas of science and technology. ALD is a type of chemical vapor deposition that depends on self-limiting surface chemistry. In ALD, gaseous precursors are allowed individually into the reactor chamber in alternating pulses. Between each pulse, inert gas is admitted to prevent gas phase reactions. This thesis provides a profound understanding of the ALD of oxides such as HfO2, showing how the chemistry affects the properties of the deposited film. Using multi-scale modelling of ALD, the kinetics of reactions at the growing surface is connected to experimental data. In this thesis, we use density functional theory (DFT) method to simulate more realistic models for the growth of HfO2 from Hf(N(CH3)2)4/H2O and HfCl4/H2O and for Al2O3 from Al(CH3)3/H2O.Three major breakthroughs are discovered. First, a new reaction pathway, ’multiple proton diffusion’, is proposed for the growth of HfO2 from Hf(N(CH3)2)4/H2O.1 As a second major breakthrough, a ’cooperative’ action between adsorbed precursors is shown to play an important role in ALD. By this we mean that previously-inert fragments can become reactive once sufficient molecules adsorb in their neighbourhood during either precursor pulse. As a third breakthrough, the ALD of HfO2 from Hf(N(CH3)2)4 and H2O is implemented for the first time into 3D on-lattice kinetic Monte-Carlo (KMC).2 In this integrated approach (DFT+KMC), retaining the accuracy of the atomistic model in the higher-scale model leads to remarkable breakthroughs in our understanding. The resulting atomistic model allows direct comparison with experimental techniques such as X-ray photoelectron spectroscopy and quartz crystal microbalance.

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.

Sensores de Bragg para bioaplicações

Nas últimas décadas, os sensores de Bragg têm sido frequentemente utilizados em inúmeras aplicações, em resultado das características únicas desta tecnologia. Contudo, a comunidade científica tem feito um esforço contínuo em desenvolver sensores que respondam tanto quanto possível aos requisitos e interesses de cada aplicação em particular. As bioaplicações são um campo de crescente interesse pelos sensores de Bragg, atendendo à heterogeneidade e complexidade dos meios de análise em questão. No âmbito desta dissertação foi realizada uma análise teórica dos princípios de funcionamento das redes de Bragg, focada em redes uniformes e inclinadas. Foi também descrito o processo de produção de redes de Bragg regeneradas. Redes de Bragg uniformes foram aplicadas na caracterização da reacção de polimerização e cura de materiais dentários, nomeadamente resina para base de dentadura, cimentos e gessos. Foi feita uma análise comparativa do desempenho de diferentes tipos de cimentos e gessos. Em relação ao gesso foi ainda avaliada a influência do rácio água/pó nas propriedades do material. Devido à importância que o índice de refracção tem na detecção de substâncias, doenças e controlo de qualidade de produtos, foi desenvolvido um sensor de índice de refracção baseado numa rede de Bragg inclinada. Implementaram-se também sensores para medição simultânea de índice de refracção e deformação, índice de refracção e temperatura e índice de refracção, deformação e temperatura, todos baseados numa única rede inclinada. O último dispositivo foi validado em ambiente laboratorial. Com o propósito de desenvolver um sensor baseado em redes de Bragg para monitorização da deformação óssea, foi avaliada a biocompatibilidade da fibra óptica em cultura de células osteoblásticas, e analisada a integridade física e funcionalidade da rede de Bragg nesse meio. O interesse em aumentar a sensibilidade e alargar a gama de trabalho dos sensores conduziu ao revestimento das fibras ópticas. Atendendo ao potencial índole biológica e biomédica do trabalho, usou-se como material de recobrimento o diamante, dada a excelente resposta em termos de biocompatibilidade, resistência à corrosão, não toxicidade e afinidade para espécies químicas e biológicas. Os filmes foram obtidos por deposição química a partir da fase vapor assistida por filamento quente. Para além de amostras de fibra óptica, foram revestidas redes de Bragg uniformes e regeneradas. Os sensores revestidos com diamante foram caracterizados à deformação e à temperatura.

Calorimetry of hydrogen desorption from a-Si nanoparticles

The process of hydrogen desorption from amorphous silicon (a-Si) nanoparticles grown by plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) has been analyzed by differential scanning calorimetry (DSC), mass spectrometry, and infrared spectroscopy, with the aim of quantifying the energy exchanged. Two exothermic peaks centered at 330 and 410 C have been detected with energies per H atom of about 50 meV. This value has been compared with the results of theoretical calculations and is found to agree with the dissociation energy of Si-H groups of about 3.25 eV per H atom, provided that the formation energy per dangling bond in a-Si is about 1.15 eV. It is shown that this result is valid for a-Si:H films, too.