Mikromechanisch durchstimmbare, dielektrische Fabry-Pérot-Filter im nahen Infrarot-Bereich: Konzept, Herstellung und Charakterisierung

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Herstellung und Charakterisierung mikromechanisch durchstimmbarer, dielektrischer Fabry-Pérot-Filter im nahen Infrarot-Bereich bei einer Zentralwellenlänge von λc = 950 nm. Diese Bauelemente wurden auf Basis kostengünstiger Technologien realisiert, dank deren Entwicklung extreme Miniaturisierung und gleichzeitig hohe spektrale Anforderungen möglich sind. Der Vorteil solcher Filter liegt darin, dass sie direkt in einen Photodetektor integriert werden können und mit ganz wenigen Komponenten zu einem kompakten Spektrometermodul zusammengesetzt werden können. Die Baugröße ist nur durch die Größe des Photodetektors limitiert und die gesamte Intensität des einfallenden Lichts kann vorteilhaft auf eine einzelne Filtermembran des Fabry-Pérot-Filters fokussiert werden. Für den Filteraufbau werden zwei hochreflektierende, dielektrische DBR-Spiegel, ein organisches Opferschichtmaterial, welches zur Erzeugung einer Luftkavität im Filter dient, und zwei unterschiedliche Elektroden aus ITO und Aluminium verwendet. Die mikromechanische Auslenkung der freigelegten Filtermembran geschieht mittels elektrostatischer Aktuation, wobei auf diese Weise die Kavitätshöhe des Fabry-Pérot-Filters geändert wird und somit dieser im erforderlichen Spektralbereich optisch durchgestimmt wird. Das in dieser Arbeit gewählte Filterkonzept stellt eine Weiterentwicklung eines bereits bestehenden Filterkonzepts für den sichtbaren Spektralbereich dar. Zum Einen wurden in dieser Arbeit das vertikale und das laterale Design der Filterstrukturen geändert. Eine entscheidende Änderung lag im mikromechanisch beweglichen Teil des Fabry-Pérot-Filters. Dieser schließt den oberen DBR-Spiegel und ein aus dielektrischen Schichten und der oberen Aluminium-Elektrode bestehendes Membranhaltesystem ein, welches später durch Entfernung der Opferschicht freigelegt wird. Die Fläche des DBR-Spiegels wurde auf die Fläche der Filtermembran reduziert und auf dem Membranhaltesystem positioniert. Zum Anderen wurde im Rahmen dieser Arbeit der vertikale Schichtaufbau des Membranhaltesystems variiert und der Einfluss der gewählten Materialien auf die Krümmung der freistehenden Filterstrukturen, auf das Aktuationsverhalten und auf die spektralen Eigenschaften des gesamten Filters untersucht. Der Einfluss der mechanischen Eigenschaften dieser Materialien spielt nämlich eine bedeutende Rolle bei der Erhaltung der erforderlichen optischen Eigenschaften des gesamten Filters. Bevor Fabry-Pérot-Filter ausgeführt wurden, wurde die mechanische Spannung in den einzelnen Materialien des Membranhaltesystems bestimmt. Für die Messung wurde Substratkrümmungsmethode angewendet. Es wurde gezeigt, dass die Plasmaanregungsfrequenzen der plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung bei einer Prozesstemperatur von 120 °C die mechanische Spannung von Si3N4 enorm beeinflussen. Diese Ergebnisse wurden im Membranhaltesystem umgesetzt, wobei verschiedene Filter mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften des Membranhaltesystems gezeigt wurden. Darüber hinaus wurden optische Eigenschaften der Filter unter dem Einfluss des lateralen Designs der Filterstrukturen untersucht. Bei den realisierten Filtern wurden ein optischer Durchstimmbereich von ca. 70 nm und eine spektrale Auflösung von 5 nm erreicht. Die erreichte Intensität der Transmissionslinie liegt bei 45-60%. Diese Parameter haben für den späteren spektroskopischen Einsatz der realisierten Fabry-Pérot-Filter eine hohe Bedeutung. Die Anwendung soll erstmalig in einem „Proof of Concept“ stattfinden, wobei damit die Oberflächentemperatur eines GaAs-Wafers über die Messung der spektralen Lage seiner Bandlücke bestimmt werden kann.

First-principles electronic theory of non-collinear magnetic order in transition-metal nanowires

The structural, electronic and magnetic properties of one-dimensional 3d transition-metal (TM) monoatomic chains having linear, zigzag and ladder geometries are investigated in the frame-work of first-principles density-functional theory. The stability of long-range magnetic order along the nanowires is determined by computing the corresponding frozen-magnon dispersion relations as a function of the 'spin-wave' vector q. First, we show that the ground-state magnetic orders of V, Mn and Fe linear chains at the equilibrium interatomic distances are non-collinear (NC) spin-density waves (SDWs) with characteristic equilibrium wave vectors q that depend on the composition and interatomic distance. The electronic and magnetic properties of these novel spin-spiral structures are discussed from a local perspective by analyzing the spin-polarized electronic densities of states, the local magnetic moments and the spin-density distributions for representative values q. Second, we investigate the stability of NC spin arrangements in Fe zigzag chains and ladders. We find that the non-collinear SDWs are remarkably stable in the biatomic chains (square ladder), whereas ferromagnetic order (q =0) dominates in zigzag chains (triangular ladders). The different magnetic structures are interpreted in terms of the corresponding effective exchange interactions J(ij) between the local magnetic moments μ(i) and μ(j) at atoms i and j. The effective couplings are derived by fitting a classical Heisenberg model to the ab initio magnon dispersion relations. In addition they are analyzed in the framework of general magnetic phase diagrams having arbitrary first, second, and third nearest-neighbor (NN) interactions J(ij). The effect of external electric fields (EFs) on the stability of NC magnetic order has been quantified for representative monoatomic free-standing and deposited chains. We find that an external EF, which is applied perpendicular to the chains, favors non-collinear order in V chains, whereas it stabilizes the ferromagnetic (FM) order in Fe chains. Moreover, our calculations reveal a change in the magnetic order of V chains deposited on the Cu(110) surface in the presence of external EFs. In this case the NC spiral order, which was unstable in the absence of EF, becomes the most favorable one when perpendicular fields of the order of 0.1 V/Å are applied. As a final application of the theory we study the magnetic interactions within monoatomic TM chains deposited on graphene sheets. One observes that even weak chain substrate hybridizations can modify the magnetic order. Mn and Fe chains show incommensurable NC spin configurations. Remarkably, V chains show a transition from a spiral magnetic order in the freestanding geometry to FM order when they are deposited on a graphene sheet. Some TM-terminated zigzag graphene-nanoribbons, for example V and Fe terminated nanoribbons, also show NC spin configurations. Finally, the magnetic anisotropy energies (MAEs) of TM chains on graphene are investigated. It is shown that Co and Fe chains exhibit significant MAEs and orbital magnetic moments with in-plane easy magnetization axis. The remarkable changes in the magnetic properties of chains on graphene are correlated to charge transfers from the TMs to NN carbon atoms. Goals and limitations of this study and the resulting perspectives of future investigations are discussed.

Spatio-temporal resolution studies on a highly compact ultrafast electron diffractometer

Time-resolved diffraction with femtosecond electron pulses has become a promising technique to directly provide insights into photo induced primary dynamics at the atomic level in molecules and solids. Ultrashort pulse duration as well as extensive spatial coherence are desired, however, space charge effects complicate the bunching of multiple electrons in a single pulse.Weexperimentally investigate the interplay between spatial and temporal aspects of resolution limits in ultrafast electron diffraction (UED) on our highly compact transmission electron diffractometer. To that end, the initial source size and charge density of electron bunches are systematically manipulated and the resulting bunch properties at the sample position are fully characterized in terms of lateral coherence, temporal width and diffracted intensity.Weobtain a so far not reported measured overall temporal resolution of 130 fs (full width at half maximum) corresponding to 60 fs (root mean square) and transversal coherence lengths up to 20 nm. Instrumental impacts on the effective signal yield in diffraction and electron pulse brightness are discussed as well. The performance of our compactUEDsetup at selected electron pulse conditions is finally demonstrated in a time-resolved study of lattice heating in multilayer graphene after optical excitation.

Hybrid optimization schemes for quantum control

Optimal control theory is a powerful tool for solving control problems in quantum mechanics, ranging from the control of chemical reactions to the implementation of gates in a quantum computer. Gradient-based optimization methods are able to find high fidelity controls, but require considerable numerical effort and often yield highly complex solutions. We propose here to employ a two-stage optimization scheme to significantly speed up convergence and achieve simpler controls. The control is initially parametrized using only a few free parameters, such that optimization in this pruned search space can be performed with a simplex method. The result, considered now simply as an arbitrary function on a time grid, is the starting point for further optimization with a gradient-based method that can quickly converge to high fidelities. We illustrate the success of this hybrid technique by optimizing a geometric phase gate for two superconducting transmon qubits coupled with a shared transmission line resonator, showing that a combination of Nelder-Mead simplex and Krotov’s method yields considerably better results than either one of the two methods alone.

Excitation of Phonons in Solids and Nanostructures by Intense Laser and XUV Pulses and by Low Energy Atomic Collision

Intensive, ultrakurze Laserpulse regen Festkörper in einen Zustand an, in dem die Elektronen hohe Temperaturen erlangen, während das Gitter kalt bleibt. Die heißen Elektronen beeinflussen das sog. Laser-angeregte interatomare Potential bzw. die Potentialenergiefläche, auf der die Ionen sich bewegen. Dieses kann neben anderen ultrakurzen Prozessen zu Änderungen der Phononfrequenzen (phonon softening oder phonon hardening) führen. Viele ultrakurze strukturelle Phänomene in Festkörpern hängen bei hohen Laseranregungen von Änderungen der Phononfrequenzen bei niedrigeren Anregungen ab. Um die Laser-bedingten Änderungen des Phononenspektrums von Festkörpern beschreiben zu können, haben wir ein auf Temperatur-abhängiger Dichtefunktionaltheorie basierendes Verfahren entwickelt. Die dramatischen Änderungen nach einer Laseranregung in der Potentialenergiefläche werden durch die starke Veränderung der Zustandsdichte und der Besetzungen der Elektronen hervorgerufen. Diese Änderungen in der Zustandsdichte und den Besetzungszahlen können wir mit unserer Methode berechnen, um dann damit das Verhalten der Phononen nach einer Laseranregung zu analysieren. Auf diese Art und Weise studierten wir den Einfluss einer Anregung mit einem intensiven, ultrakurzen Laserpuls auf repräsentative Phonon Eigenmoden in Magnesium, Kupfer und Aluminium. Wir stellten dabei in manchen Gitterschwingungen entweder eine Abnahme (softening) und in anderen eine Zunahme (hardening) der Eigenfrequenz fest. Manche Moden zeigten bei Variation der Laseranregungsstärke sogar beide Verhaltensweisen. Das eine Phonon-Eigenmode ein hardening und softening zeigen kann, wird durch das Vorhandensein von van Hove Singularitäten in der elektronischen Zustandsdichte des betrachteten Materials erklärt. Für diesen Fall stellt unser Verfahren zusammen mit der Sommerfeld-Entwicklung die Eigenschaften der Festkörper Vibrationen in Verbindung mit den Laser induzierten Veränderungen in den elektronischen Besetzungen für verschiedene Phonon-eingefrorene Atomkonfigurationen. Auch die absolute Größe des softening und hardening wurde berechnet. Wir nehmen an, dass unsere Theorie Licht in die Effekte der Laseranregung von verschiedenen Materialien bringt. Außerdem studierten wir mit Hilfe von Dichtefunktionaltheorie die strukturellen Material-Eigenschaften, die durch kurze XUV Pulse induziert werden. Warme dichte Materie in Ultrakurzpuls angeregten Magnesium wurde analysiert und verglichen mit den Ergebnissen bei durch Laser Anregung bedingten Änderungen. Unter Verwendung von elektronischer-Temperatur-abhängiger Dichtefunktionaltheorie wurden die Änderungen in den Bindungseigenschaften von warmen dichten Magnesium studiert. Wir stellten dabei beide Effekte, Verstärkung und Abschwächung von Bindungen, bei jeweils verschiedenen Phonon Eigenmoden von Magnesium auf Grund von der Erzeugung von Rumpflöchern und dem Vorhandensein von heißen Elektronen fest. Die zusätzliche Erzeugung von heißen Elektronen führt zu einer Änderung der Bindungscharakteristik, die der Änderung, die durch die bereits vorhandenen Rumpflöcher hervorgerufen wurde, entgegen wirkt. Die thermischen Eigenschaften von Nanostrukturen sind teilweise sehr wichtig für elektronische Bauteile. Wir studierten hier ebenfalls den Effekt einer einzelnen Graphen Lage auf Kupfer. Dazu untersuchten wir mit Dichtefunktionaltheorie die strukturellen- und Schwingungseigenschaften von Graphen auf einem Kupfer Substrat. Wir zeigen, dass die schwache Wechselwirkung zwischen Graphen und Kupfer die Frequenz der aus der Ebene gerichteten akustischen Phonon Eigenmode anhebt und die Entartung zwischen den aus der Ebene gerichteten akustischen und optischen Phononen im K-Punkt des Graphen Spektrums aufhebt. Zusätzlich führten wir ab initio Berechnungen zur inelastischen Streuung eines Helium Atoms mit Graphen auf einem Kuper(111) Substrat durch. Wir berechneten dazu das Leistungsspektrum, das uns eine Idee über die verschiedenen Gitterschwingungen des Graphene-Kuper(111) Systems gibt, die durch die Kollision des Helium Atom angeregt werden. Wir brachten die Positionen der Peaks im Leistungsspektrum mit den Phonon Eigenfrequenzen, die wir aus den statischen Rechnungen erhalten haben, in Beziehung. Unsere Ergebnisse werden auch verglichen mit den Ergebnissen experimenteller Daten zur Helium Streuung an Graphen-Kupfer(111) Oberflächen.

Angiorresonancia versus angiografía por sustracción digital en el seguimiento de aneurismas intracraneales embolizados. Comparación del desempeño diagnóstico

Introducción: La DSA es el método de elección para el seguimiento de pacientes con aneurismas intracraneales embolizados; esta se puede asociar a complicaciones incapacitantes o mortales. La MRA se ha propuesto como método alternativo por menor costo y menos morbi-mortalidad, aunque su desempeño diagnóstico permanece en discusión debido al desarrollo de nuevos protocolos, resonadores más potentes y nuevas aplicaciones de la DSA. Metodología: Exploramos la literatura hasta la actualidad y comparamos el desempeño diagnóstico de la MRA con la DSA para detectar flujo residual posterior a la embolización terapéutica de aneurismas intracraneales. Realizamos una revisión sistemática de la literatura y meta-análisis basados en 34 artículos detectados en la búsqueda que incluyó las bases de datos PubMed, Scopus, ScIELO y BVS. Resultados: La TOF-MRA demostró sensibilidad de 86.8% (84.3%-89.1%) y especificidad de 91.2% (89%-93.1%); la SROC para TOF-MRA demostró un AUC de 0.95. El desempeño de la CE-MRA demostró sensibilidad de 88.1% (84.6%-91.1%) y especificidad de 89.1% (85.7%-91.9%); la SROC presentó una AUC de 0.93. El análisis estratificado por potencia del resonador encontró que la TOF-MRA tiene mejor desempeño con el resonador de 3T, aunque no es estadísticamente significativo. La concordancia interobservador con TOF-MRA y CE-MRA fue moderada a muy buena. Discusión: El desempeño diagnóstico de la MRA en el seguimiento de aneurismas intracraneales embolizados demostró ser bueno, con sensibilidad mayor a 84%, siendo ligeramente mejor con TOF-MRA, sin lograr reemplazar la DSA. Sin embargo, los resultados deben ser evaluados con precaución por la heterogeneidad de los resultados de los estudios incluidos. (Abreviaturas: DSA: Angiografía por Sustracción Digital; MRA: Angiografía por Resonancia Magnética; TOF-MRA: Angiorresonancia por Tiempo de Vuelo; CE-MRA: Angiorresonancia contrastada).

Structural transformation of graphite by arc-discharge

The formation of novel structures by the passage of an electric current through graphite is described. These structures apparently consist of hollow three-dimensional graphitic shells bounded by curved and faceted planes, typically made up of two graphene layers. The curved structures were frequently decorated with nano-scale carbon particles, or short nanotubes. In some cases, nanotubes were found to be seamlessly connected to the thin shells, indicating that the formation of the shells and the nanotubes is intimately connected. Small nanotubes or nanoparticles were also sometimes found encapsulated inside the hollow structures, while fullerene-like particles were often seen attached to the outside surfaces. With their high surface areas and structural perfection, the new carbon structures may have applications as anodes of lithium ion batteries or as components of composite materials.

Ultrathin graphitic structures and carbon nanotubes in a purified synthetic graphite

A new class of carbon structure is reported, which consists of microscale graphitic shells bounded by curved and faceted planes containing two to five layers. These structures were originally found in a commercial graphite produced by the Acheson process, followed by a purification treatment. The particles, which could be several hundreds of nanometres in size, were frequently decorated with nanoscale carbon particles, or short nanotubes. In some cases, nanotubes were found to be seamlessly connected to the thin shells, indicating that the formation of the shells and that of the nanotubes are intimately connected. The structures are believed to form during a purification process which involves passing an electric current through the graphite in the presence of a reactive gas. In support of this, it is shown that similar particles can be produced in a standard carbon arc apparatus. With their extremely thin graphene walls and high surface areas, the new structures may have a range of useful properties.

Characterization of safe nanostructured polymeric materials

The addition of small quantities of nanoparticles to conventional and sustainable thermoplastics leads to property enhancements with considerable potential in many areas of applications including food packaging 1, lightweight composites and high performance materials 2. In the case of sustainable polymers 3, the addition of nanoparticles may well sufficiently enhance properties such that the portfolio of possible applications is greatly increased. Most engineered nanoparticles are highly stable and these exist as nanoparticles prior to compounding with the polymer resin. They remain as nanoparticles during the active use of the packaging material as well as in the subsequent waste and recycling streams. It is also possible to construct the nanoparticles within the polymer films during processing from organic compounds selected to present minimal or no potential health hazards 4. In both cases the characterisation of the resultant nanostructured polymers presents a number of challenges. Foremost amongst these are the coupled challenges of the nanoscale of the particles and the low fraction present in the polymer matrix. Very low fractions of nanoparticles are only effective if the dispersion of the particles is good. This continues to be an issue in the process engineering but of course bad dispersion is much easier to see than good dispersion. In this presentation we show the merits of a combined scattering (neutron and x-ray) and microscopy (SEM, TEM, AFM) approach. We explore this methodology using rod like, plate like and spheroidal particles including metallic particles, plate-like and rod-like clay dispersions and nanoscale particles based on carbon such as nanotubes and graphene flakes. We will draw on a range of material systems, many explored in partnership with other members of Napolynet. The value of adding nanoscale particles is that the scale matches the scale of the structure in the polymer matrix. Although this can lead to difficulties in separating the effects in scattering experiments, the result in morphological studies means that both the nanoparticles and the polymer morphology are revealed.

A contribution to the wireless transmission of power

A resonant transmitter–receiver system is described for the wireless transmission of energy at a useful distance for grid-coordinate power and information. Experimental results are given showing delivery of power of an unmodified Tesla resonator contrasted with a modified version achieving improved efficiency over a 4 m range. A theoretical basis is provided to back up the experimental results obtained and to link the study with previous research in the field. A number of potential routes are suggested for further investigations and some possible applications of the technology are considered.

Eigenvalues of a one-dimensional Dirac operator pencil

We study the spectrum of a one-dimensional Dirac operator pencil, with a coupling constant in front of the potential considered as the spectral parameter. Motivated by recent investigations of graphene waveguides, we focus on the values of the coupling constant for which the kernel of the Dirac operator contains a square integrable function. In physics literature such a function is called a confined zero mode. Several results on the asymptotic distribution of coupling constants giving rise to zero modes are obtained. In particular, we show that this distribution depends in a subtle way on the sign variation and the presence of gaps in the potential. Surprisingly, it also depends on the arithmetic properties of certain quantities determined by the potential. We further observe that variable sign potentials may produce complex eigenvalues of the operator pencil. Some examples and numerical calculations illustrating these phenomena are presented.

Engineering the electronic bandgaps and band edge positions in carbon-substituted 2D boron nitride: a first-principles investigation

Modification of graphene to open a robust gap in its electronic spectrum is essential for its use in field effect transistors and photochemistry applications. Inspired by recent experimental success in the preparation of homogeneous alloys of graphene and boron nitride (BN), we consider here engineering the electronic structure and bandgap of C2xB1−xN1−x alloys via both compositional and configurational modification. We start from the BN end-member, which already has a large bandgap, and then show that (a) the bandgap can in principle be reduced to about 2 eV with moderate substitution of C (x < 0.25); and (b) the electronic structure of C2xB1−xN1−x can be further tuned not only with composition x, but also with the configuration adopted by C substituents in the BN matrix. Our analysis, based on accurate screened hybrid functional calculations, provides a clear understanding of the correlation found between the bandgap and the level of aggregation of C atoms: the bandgap decreases most when the C atoms are maximally isolated, and increases with aggregation of C atoms due to the formation of bonding and anti-bonding bands associated with hybridization of occupied and empty defect states. We determine the location of valence and conduction band edges relative to vacuum and discuss the implications on the potential use of 2D C2xB1−xN1−x alloys in photocatalytic applications. Finally, we assess the thermodynamic limitations on the formation of these alloys using a cluster expansion model derived from first-principles.

To what extent can mutual shifting of folded carbonaceous walls in slit-like pores affect their adsorption properties?

We have performed systematic Monte Carlo studies on the influence of shifting the walls in slit-like systems constructed from folded graphene sheets on their adsorption properties. Specifically, we have analysed the effect on the mechanism of argon adsorption (T = 87 K) and on adsorption and separation of three binary gas mixtures: CO2/N2, CO2/CH4 and CH4/N2 (T = 298 K). The effects of the changes in interlayer distance were also determined. We show that folding of the walls significantly improves the adsorption and separation properties in comparison to ideal slit-like systems. Moreover, we demonstrate that mutual shift of sheets (for small interlayer distances) causes the appearance of small pores between opposite bulges. This causes an increase in vapour adsorption at low pressures. Due to overlapping of interactions with opposite walls causing an increase in adsorption energy, the mutual shift of sheets is also connected with the rise in efficiency of mixtures separation. The effects connected with sheet orientation vanish as the interlayer distance increases.

Energetics and stability of vacancies in carbon nanotubes

In this work we present ab initio calculations of the formation energies and stability of different types of multi-vacancies in carbon nanotubes. We demonstrate that, as in the case of graphene, the reconstruction of the defects has drastic effects on the energetics of the tubes. In particular, the formation of pentagons eliminates the dangling bonds thus lowering the formation energy. This competition leads to vacancies having an even number of carbon atoms removed to be more stable. Finally the appearance of magic numbers indicating more stable defects can be represented by a model for the formation energies that is based on the number of dangling bonds of the unreconstructed system, the pentagons and the relaxation of the final form of the defect formed after the relaxation. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Realistic calculations of carbon-based disordered systems

Carbon nanotubes rank amongst potential candidates for a new family of nanoscopic devices, in particular for sensing applications. At the same time that defects in carbon nanotubes act as binding sites for foreign species, our current level of control over the fabrication process does not allow one to specifically choose where these binding sites will actually be positioned. In this work we present a theoretical framework for accurately calculating the electronic and transport properties of long disordered carbon nanotubes containing a large number of binding sites randomly distributed along a sample. This method combines the accuracy and functionality of ab initio density functional theory to determine the electronic structure with a recursive Green`s functions method. We apply this methodology on the problem of nitrogen-rich carbon nanotubes, first considering different types of defects and then demonstrating how our simulations can help in the field of sensor design by allowing one to compute the transport properties of realistic nanotube devices containing a large number of randomly distributed binding sites.