超分辨近场结构中二元共晶合金掩膜的工作机制

超分辨近场结构(super-RENS)技术通过在传统光盘结构中插入掩膜结构而实现近场超分辨,是目前最具实用化前景的超高密度光存储技术之一,其中掩膜层的近场光学特性是决定其光存储性能的关键。利用三维时域有限差分法(3D-FDTD)对合金掩膜的近场光强分布进行了数值仿真和分析,提出二元共晶合金薄膜在激光作用下形成的规则微结构可能是以其作为掩膜层的超分辨近场结构光盘产生较高信噪比(SNR)的原因。

Corrugated surfaces formed on GaAs(331)A substrates: the template for laterally ordered InGaAs nanowires

Morphology evolution of high-index GaAs(331)A surfaces during molecular beam epitaxy (MBE) growth has been investigated in order to achieve regularly distributed step-array templates and fabricate spatially ordered low-dimensional nano-structures. Atomic force microscope (AFM) measurements have shown that the step height and terrace width of GaAs layers increase monotonically with increasing substrate temperature. By using the step arrays formed on GaAs(331)A surfaces as the templates, we have fabricated highly ordered InGaAs nanowires. The improved homogeneity and the increased density of the InGaAs nanowires are attributed to the modulated strain field caused by vertical multi-stacking, as well as the effect of corrugated surface of the template. Photoluminescence (PL) tests confirmed remarkable polarization anisotropy.

Optical and structural properties of self-assembled ZnO QD chains by L-MBE

ZnO complex 3D nano-structures have been self-organized on Al2O3 (0 0 0 1) substrate by laser molecular beam epitaxy (L-MBE). It is shown by AFM morphology that the structure is composed of ID quantum dot chains (QDCs) and larger nano-islands at the nodes of QDCs. The formation mechanism of the nano-structure is also investigated. XRD results indicate that the nano-structure is highly c-axis oriented, with the aligned in-plane oriented domains. Time-integrated photoluminescence (TIPL) of the sample shows obvious blue-shift and broadening of the near band-edge (NBE) emission at room temperature, which are related to the quantum confinement effects. Time-resolved PL (TRPL) result shows bi-exponential decay behavior of ZnO QDCs, with a fast decay time of 38.21 ps and a low decay time of 138.19ps, respectively, which is considered to be originated from the interdot coupling made by coherent emission and reabsorption of the photons in QDCs. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Fabrication of Novel Superhydrophobic Surfaces and Water Droplet Bouncing Behavior - Part 1: Stable ZnO-PDMS Superhydrophobic Surface with Low Hysteresis Constructed Using ZnO Nanoparticles

A superhydrophobic surface has many advantages in micro/nanomechanical applications, such as low adhesion, low friction and high restitution coefficient, etc. In this paper, we introduce a novel and simple route to fabricate superhydrophobic surfaces using ZnO nanocrystals. First, tetrapod-like ZnO nanocrystals were prepared via a one-step, direct chemical vapor deposition (CVD) approach. The nanostructured ZnO material was characterized by scanning electron microscope (SEM) and X-ray diffraction (XRD) and the surface functionalized by aminopropyltriethoxysilane (APS) was found to be hydrophobic. Then the superhydrophobic surface was constructed by depositing uniformly ZnO hydrophobic nanoparticles (HNPs) on the Poly(dimethylsiloxane) (PDMS) film substrate. Water wettability study revealed a contact angle of 155.4 +/- 2 degrees for the superhydrophobic surface while about 110 degrees for pure smooth PDMS films. The hysteresis was quite low, only 3.1 +/- 0.3 degrees. Microscopic observations showed that the surface was covered by micro- and nano-scale ZnO particles. Compared to other approaches, this method is rather convenient and can be used to obtain a large area superhydrophobic surface. The high contact angle and low hysteresis could be attributed to the micro/nano structures of ZnO material; besides, the superhydrophobic property of the as-constructed ZnO-PDMS surface could be maintained for at least 6 months. (C) Koninklijke Brill NV, Leiden, 2010

Manipulation of magnetic anisotropy in nanostructures

Of late, the magnetic properties of micro/nano-structures have attracted intense research interest both fundamentally and technologically particularly to address the question that how the manipulation in the different layers of nanostructures, geometry of a patterned structure can affect the overall magnetic properties, while generating novel applications such as in magnetic sensors, storage devices, integrated inductive components and spintronic devices. Depending on the applications, materials with high, medium or low magnetic anisotropy and their possible manipulation are required. The most dramatic manifestation in this respect is the chance to manipulate the magnetic anisotropy over the intrinsic preferential direction of the magnetization, which can open up more functionality particularly for device applications. Types of magnetic anisotropies of different nanostructured materials and their manipulation techniques are investigated in this work. Detail experimental methods for the quantitative determination of magnetic anisotropy in nanomodulated Ni45Fe55 thin film are studied. Magnetic field induced in-plane rotations within the nanomodulated Ni45Fe55 continuous films revealed various rotational symmetries of magnetic anisotropy due to dipolar interactions showing a crossover from lower to higher fold of symmetry as a function of modulation geometry. In a second approach, the control of exchange anisotropy at ferromagnetic (FM) – aniferomagnetic (AFM) interface in multifferoic nanocomposite materials, where two different phase/types of materials were simultaneously synthesized, was investigated. The third part of this work was to study the electroplated thin films of metal alloy nanocomposite for enhanced exchange anisotropy. In this work a unique observation of an anti-clock wise as well as a clock wise hysteresis loop formation in the Ni,Fe solid solution with very low coercivity and large positive exchange anisotropy/exchange bias have been investigated. Hence, controllable positive and negative exchange anisotropy has been observed for the first time which has high potential applications such as in MRAM devices.

Uncertainty analysis to minimise risk in designing micro-electronics manufacturing processes

A design methodology based on numerical modelling, integrated with optimisation techniques and statistical methods, to aid the process control of micro and nano-electronics based manufacturing processes is presented in this paper. The design methodology is demonstrated for a micro-machining process called Focused Ion Beam (FIB). This process has been modelled to help understand how a pre-defined geometry of micro- and nano- structures can be achieved using this technology. The process performance is characterised on the basis of developed Reduced Order Models (ROM) and are generated using results from a mathematical model of the Focused Ion Beam and Design of Experiment (DoE) methods. Two ion beam sources, Argon and Gallium ions, have been used to compare and quantify the process variable uncertainties that can be observed during the milling process. The evaluations of the process performance takes into account the uncertainties and variations of the process variables and are used to identify their impact on the reliability and quality of the fabricated structure. An optimisation based design task is to identify the optimal process conditions, by varying the process variables, so that certain quality objectives and requirements are achieved and imposed constraints are satisfied. The software tools used and developed to demonstrate the design methodology are also presented.

Bottom up strategies for the morphology control of BaTiO3 particulates

As propriedades funcionais dos materiais ferroeléctricos tais como a polariza��ão reversível, piroelectricidade, piezoelectricidade, elevada actividade óptica não linear e comportamento dieléctrico não linear são fundamentais para a sua aplica��ão 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 investiga��ão 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 gera��ão 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 prepara��ão. 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 utiliza��ão de moléculas ou estruturas “molde” tem sido a mais explorada. As estructuras 1D podem também ser preparadas sem recorrer a “moldes”. Neste caso a agrega��ão 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 prepara��ão de nanopartículas de titanato de bário (BaTiO3) com morfologia controlada: 1) síntese química (em solução e em fase vapor) com utiliza��ão 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 forma��ão dos NTs, a parte inicial do trabalho foi dedicada à realiza��ão de um estudo sistemático dos parâmetros intervenientes na síntese e à caracteriza��ão 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 neutraliza��ão 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 investiga��ão 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 altera��ões estruturais e morfológicas das amostras, é possível concluir que a forma��ão 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 precipita��ão com forma��ão 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 concentra��ão 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 forma��ão 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 transforma��ão dos NTs em nanocilindros de anatase por um mecanismo de agrega��ão orientada. Quando se faz a deposição do precursor de bário, seguida de calcina��ão a 700 ºC em atmosfera oxidante de O2, verifica-se que a superficie dos NTs fica coberta com nanocristais de BaTiO3 independentemente da concentra��ão de bário. O papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em fase vapor é assim descrito pela primeira vez. Em rela��ão 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 altera��ão do seu padrão de crescimento ou por altera��ão 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 agrega��ão 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 activa��ão da etapa de nuclea��ão não ocorrendo forma��ão 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 prepara��ão de BaTiO3 propostas são de baixo custo, reprodutíveis e fáceis de efectuar. Os resultados contribuem para uma melhor compreensão da rela��ão tamanho – morfologia – propriedade em materiais ferroeléctricos nanométricos com vista à sua potencial aplica��ão.

Nanostructures in the terahertz range

With advances in technology, terahertz imaging and spectroscopy are beginning to move out of the laboratory and find applications in areas as diverse as security screening, medicine, art conservation and field archaeology. Nevertheless, there is still a need to improve upon the performance of existing terahertz systems to achieve greater compactness and robustness, enhanced spatial resolution, more rapid data acquisition times and operation at greater standoff distances. This chapter will review recent technological developments in this direction that make use of nanostructures in the generation, detection and manipulation of terahertz radiation. The chapter will also explain how terahertz spectroscopy can be used as a tool to characterize the ultrafast carrier dynamics of nanomaterials.