The microstructure of hydrogenated microcrystalline silicon thin films studied by small-angle x-ray scattering

The microstructures of hydrogenated microcrystalline silicon (tic-Si: H) thin films, prepared by plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD), hot wire CVD(HWCVD) and plasma assisted HWCVD (PE-HWCVD), have been analyzed by the small angle x-ray scattering(SAXS) measurement. The SAXS data show that the microstructures of the μ c-Si: H films display different characteristics for different deposition techniques. For films deposited by PECVD, the volume fraction of micro-voids and mean size are smaller than those in HWCVD sample. Aided by suitable ion-bombardment, PE-HWCVD samples show a more compact structure than the HWCVD sample. The microstructure parameters of the μ c-Si: H thin films deposited by two-steps HWCVD and PE-HWCVD with Ar ions are evidently improved. The result of 45° tilting SAXS measurement indicates that the distribution of micro-voids in the film is anisotropic. The Fouriertransform infrared spectra confirm the SAXS data.

Electrical properties and electroluminescence of 4H-SiC p-n junction diodes

Homoepitaxial growth of 4H-SiC on off-oriented Si-face(0001) substrates was performed by using the step-controlled epitaxy technique in a newly developed low-pressure hot-wall CVD (LP-HWCVD) system with a horizontal air-cooled quartz tube at around 1500 degreesC and 1.33 x 10(4) Pa by employing SiH4 + C2H4 + H-2. In-situ doping during growth was carried out by adding NH3 gas into the precursor gases. It was shown that the maximum Hall mobility of the undoped 4H-SiC epilayers at room temperature is about 430 cm(2) (.) V-1 (.) s(-1) with a carrier concentration of similar to 10(16) cm(-3) and the highest carrier concentration of the N-doped 4H-SiC epilayer obtained at NH3 flow rate of 3 sccm is about 2.7 x 10(21) cm(-3) with a mobility of 0.75 cm(2) (.) V-1 (.) s(-1). SiC p-n junctions were obtained by epitaxially growing N-doped 4H-SiC epilayers on Al-doped 4H-SiC substrates. The C - V characteristics of the diodes were linear in the 1/C-3 - V coordinates indicating that the obtained p-n junctions were graded with a built-in voltage of 2.7 eV. The room temperature electroluminescence spectra of 4H-SiC p-n junctions are studied as a function of forward current. The D-A pair recombination due to nitrogen donors and the unintentional, deep boron center is dominant at low forward bias, while the D-A pair recombination due to nitrogen donors and aluminum acceptors are dominant at higher forward biases. The p-n junctions could operate at temperature of up to 400 degreesC, which provides a potential for high-temperature applications.

Morphological defects and uniformity issues of 4H-SiC homoepitaxial layers grown on off-oriented (0001)Si faces

The morphological defects and uniformity of 4H-SiC epilayers grown by hot wall CVD at 1500 degrees C on off-oriented (0001) Si faces are characterized by atomic force microscope, Nomarski optical microscopy, and Micro-Raman spectroscopy. Typical morphological defects including triangular defects, wavy steps, round pits, and groove defects are observed in mirror-like SiC epilayers. The preparation of the substrate surface is necessary for the growth of high-quality 4H-SiC epitaxial layers with low-surface defect density under optimized growth conditions. (c) 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Blue-violet photoluminescence from large-scale highly aligned boron carbonitride nanofibers

We report on the strong blue-violet photoluminescence (PL) at room temperature from the large-scale highly aligned boron carbonitride (BCN) nanofibers synthesized by bias-assisted hot filament chemical vapor deposition. The photoluminescence peak wavelength shifts in the range of 470-390 nm by changing the chemical composition of the BCN nanofibers, which shows an interesting blue and violet-light-emitting material with adjustable optical properties. The mechanism for the shift of the PL peaks at room temperature is also discussed. (C) 2000 American Institute of Physics. [S0003-6951(00)04427-2].

High epitaxial growth rate of 4H-SiC using TCS as silicon precursor

High homoepitaxial growth of 4H-SiC has been performed in a home-made horizontal hot wall CVD reactor on n-type 4H-SiC 8 degrees off-oriented substrates in the size of 10 mm x 10 mm, using trichlorosilane (TCS) as silicon precursor source together with ethylene as carbon precursor source. Cross-section Scanning Electron Microscopy (SEM), Raman scattering spectroscopy and Atomic Force Microscopy (AFM) were used to determine the growth rate, structural property and surface morphology, respectively. The growth rate reached to 23 mu m/h and the optimal epilayer was obtained at 1600 degrees C with TCS flow rate of 12 seem in C/Si of 0.42, which has a good surface morphology with a low Rms of 0.64 nm in 10 mu mx10 mu m area.

Morphological defects and uniformity issues of 4H-SiC homoepitaxial layers grown on off-oriented (0001)Si faces

The morphological defects and uniformity of 4H-SiC epilayers grown by hot wall CVD at 1500 degrees C on off-oriented (0001) Si faces are characterized by atomic force microscope, Nomarski optical microscopy, and Micro-Raman spectroscopy. Typical morphological defects including triangular defects, wavy steps, round pits, and groove defects are observed in mirror-like SiC epilayers. The preparation of the substrate surface is necessary for the growth of high-quality 4H-SiC epitaxial layers with low-surface defect density under optimized growth conditions. (c) 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Homoepitaxial growth and MOS structures of 4H-SiC on off oriented n-type (0001)Si-faces

Homoepitaxial growth of 4H-SiC on off-oriented n-type Si-face (0001) substrates was performed in a home-made hot-wall low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) reactor with SiH4 and C2H4 at temperature of 1500 C and pressure of 20 Torr. The surface morphology and intentional in-situ NH3 doping in 4H-SiC epilayers were investigated by using atomic force microscopy (AFM) and secondary ion mass spectroscopy (SIMS). Thermal oxidization of 4H-SiC homoepitaxial layers was conducted in a dry O-2 and H-2 atmosphere at temperature of 1150 C. The oxide was investigated by employing x-ray photoelectron spectroscopy (XPS). 4H-SiC MOS structures were obtained and their C-V characteristics were presented.

Comparative study of the surface passivation on crystalline silicon by silicon thin films with different structures

Si thin films with different structures were deposited by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD), and characterized via Raman spectroscopy and Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy. The passivation effect of such different Si thin films on crystalline Si surface was investigated by minority carrier lifetime measurement via a method, called microwave photoconductive decay (mu PCD), for the application in HIT (heterojunction with intrinsic thin-layer) solar cells. The results show that amorphous silicon (a-Si:H) has a better passivation effect due to its relative higher H content, compared with microcrystalline (mu c-Si) silicon and nanocrystalline silicon (nc-Si). Further, it was found that H atoms in the form of Si-H bonds are more preferred than those in the form of Si-H-2 bonds to passivate the crystalline Si surface. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Epitaxial growth on 4H-SiC by TCS as a silicon precursor

Epitaxial growth on n-type 4H-SiC 8°off-oriented substrates with a size of 10 × 10 mm~2 at different tem-peratures with various gas flow rates has been performed in a horizontal hot wall CVD reactor, using trichlorosilane (TCS) as a silicon precursor source together with ethylene as a carbon precursor source. The growth rate reached 23 μm/h and the optimal epilayer was obtained at 1600 ℃ with a TCS flow rate of 12 sccm in C/Si of 0.42, which has a good surface morphology with a low RMS of 0.64 nm in an area of 10 × 10μm~2. The homoepitaxial layer was oh-tained at 1500 ℃ with low growth rate (< 5μm/h) and the 3C-SiC epilayers were obtained at 1650 ℃ with a growth rate of 60-70μm/h. It is estimated that the structural properties of the epilayers have a relationship with the growth temperature and growth rate. Silicon droplets with different sizes are observed on the surface of the homoepitaxial layer in a low C/Si ratio of 0.32.

Light-induced change of Si-H bond absorption in hydrogenated amorphous silicon

Device-quality a-Si:H films were prepared by glow discharge CVD with pure or H-diluted silane as well as by hot-wire CVD. The hydrogen content was varied from similar to 2 to 15 at. %. The Si-H bond absorption and its light-soaking-induced changes were studied by IR and differential IR absorption spectroscopes. The results indicate that the more stable sample exhibits an increase of the absorption at wave number similar to 2000 cm(-1), and the less stable one exhibits a decrease at similar to 2040 cm(-1) and an increase at similar to 1880 cm(-1).

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.

Diamond microelectrodes for corrosion studies

Este trabalho teve como objetivos a produção, caracterização e aplicação de microelétrodos (MEs) de diamante como sensores amperométricos e potenciométricos em sistemas de corrosão nos quais a agressividade do meio e a presença de produtos de corrosão, constituem obstáculos que podem diminuir o desempenho, ou inviabilizar a utilização, de outros tipos de sensores. Os microeléctrodos são baseados em filmes finos de diamante dopado com boro (BDD – Boron Doped Diamond) depositados sobre fios de tungsténio afiados, através do método de deposição química a partir da fase vapor, assistida por filamento quente (HFCVD – Hot Filament Chemical Vapor Deposition). A otimização das diversas etapas de fabricação dos MEs deu origem ao desenvolvimento de um novo sistema de afiamento eletroquímico para obtenção destes fios e a várias opções para a obtenção dos filmes de diamante condutor e seu isolamento com resinas para exposição apenas da ponta cilíndrica. A qualidade cristalina dos filmes de diamante foi avaliada por espectroscopia de Raman. Esta informação foi complementada com uma caracterização microestrutural dos filmes de diamante por microscopia eletrónica de varrimento (SEM), em que se fez a identificação da tipologia dos cristais como pertencendo às gamas de diamante nanocristalino ou microcristalino. Os filmes de BDD foram utilizados na sua forma não modificada, com terminações em hidrogénio e também com modificação da superfície através de tratamentos de plasma RF de CF4 e O2 indutores de terminações C-F no primeiro caso e de grupos C=O, C-O-C e C-OH no segundo, tal como determinado por XPS. A caracterização eletroquímica dos MEs não modificados revelou uma resposta voltamétrica com elevada razão sinal/ruído e baixa corrente capacitiva, numa gama de polarização quasi-ideal com extensão de 3 V a 4 V, dependente dos parâmetros de crescimento e pós-tratamentos de superfície. Estudou-se a reversibilidade de algumas reações heterogéneas com os pares redox Fe(CN)6 3-/4- e FcOH0/+ e verificou-se que a constante cinética, k0, é mais elevada em elétrodos com terminações em hidrogénio, nos quais não se procedeu a qualquer modificação da superfície. Estes MEs não modificados foram também testados na deteção de Zn2+ onde se observou, por voltametria cíclica, que a detecção da redução deste ião é linear numa escala log-log na gama de 10-5-10-2 M em 5 mM NaCl. Realizaram-se também estudos em sistemas de corrosão modelares, em que os microeléctrodos foram usados como sensores amperométricos para mapear a distribuição de oxigénio e Zn2+ sobre um par galvânico Zn-Fe, com recurso a um sistema SVET (Scanning Vibrating Electrode Technique). Foi possível detetar, com resolução lateral de 100 μm, um decréscimo da concentração de O2 junto a ambos os metais e produção de catiões de zinco no ânodo. Contudo verificou-se uma significativa deposição de zinco metálico na superfície dos ME utilizados. Os MEs com superfície modificada por plasma de CF4 foram testados como sensores de oxigénio dissolvido. A calibração dos microeléctrodos foi efetuada simultaneamente por voltametria cíclica e medição óptica através de um sensor de oxigénio comercial. Determinou-se uma sensibilidade de ~0.1422 nA/μM, com um limite de deteção de 0.63 μM. Os MEs modificados com CF4 foram também testados como sensores amperométricos com os quais se observou sensibilidade ao oxigénio dissolvido em solução, tendo sido igualmente utilizados durante a corrosão galvânica de pares Zn-Fe. Em alguns casos foi conseguida sensibilidade ao ião Zn2+ sem que o efeito da contaminação superficial com zinco metálico se fizesse sentir. Os microeléctrodos tratados em plasma de CF4 permitem uma boa deteção da distribuição de oxigénio, exibindo uma resposta mais rápida que os não tratados além de maior estabilidade de medição e durabilidade. Nos MEs em que a superfície foi modificada com plasma de O2 foi possível detetar, por cronopotenciometria a corrente nula, uma sensibilidade ao pH de ~51 mV/pH numa gama de pH 2 a pH 12. Este comportamento foi associado à contribuição determinante de grupos C-O e C=O, observados por XPS com uma razão O/C de 0,16. Estes MEs foram igualmente testados durante a corrosão galvânica do par Zn-Fe onde foi possível mapear a distribuição de pH associada ao desenvolvimento de regiões alcalinas causadas pela redução do oxigénio, acima da região catódica, e de regiões ácidas decorrentes da dissolução anódica do ânodo de zinco. Com o par galvânico imerso em 50 mM NaCl registou-se uma variação de pH aproximadamente entre 4,8 acima do ânodo de zinco a 9,3 sobre o cátodo de ferro. A utilização pioneira destes MEs como sensores de pH é uma alternativa promissora aos elétrodos baseados em membranas seletivas.

Cutting forces and wear analysis of Si3N4 diamond coated tools in high speed machining

Si3N4 tools were coated with a thin diamond film using a Hot-Filament Chemical Vapour Deposition (HFCVD) reactor, in order to machining a grey cast iron. Wear behaviour of these tools in high speed machining was the main subject of this work. Turning tests were performed with a combination of cutting speeds of 500, 700 and 900 m min−1, and feed rates of 0.1, 0.25 and 0.4 mm rot−1, remaining constant the depth of cut of 1 mm. In order to evaluate the tool behaviour during the turning tests, cutting forces were analyzed being verified a significant increase with feed rate. Diamond film removal occurred for the most severe set of cutting parameters. It was also observed the adhesion of iron and manganese from the workpiece to the tool. Tests were performed on a CNC lathe provided with a 3-axis dynamometer. Results were collected and registered by homemade software. Tool wear analysis was achieved by a Scanning Electron Microscope (SEM) provided with an X-ray Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) system. Surface analysis was performed by a profilometer.

Anodic oxidation of wastewater containing the Reactive Orange 16 Dye using heavily boron-doped diamond electrodes

Boron-doped diamond (BDD) films grown on the titanium substrate were used to study the electrochemical degradation of Reactive Orange (RO) 16 Dye. The films were produced by hot filament chemical vapor deposition (HFCVD) technique using two different boron concentrations. The growth parameters were controlled to obtain heavily doped diamond films. They were named as E1 and E2 electrodes, with acceptor concentrations of 4.0 and 8.0 x 10(21) atoms cm(-3), respectively. The boron levels were evaluated from Mott-Schottky plots also corroborated by Raman`s spectra, which characterized the film quality as well as its physical property. Scanning Electron Microscopy showed well-defined microcrystalline grain morphologies with crystal orientation mixtures of (1 1 1) and (1 00). The electrode efficiencies were studied from the advanced oxidation process (AOP) to degrade electrochemically the Reactive Orange 16 azo-dye (RO16). The results were analyzed by UV/VIS spectroscopy, total organic carbon (TOC) and high-performance liquid chromatography (HPLC) techniques. From UV/VIS spectra the highest doped electrode (E2) showed the best efficiency for both, the aromaticity reduction and the azo group fracture. These tendencies were confirmed by the TOC and chromatographic measurements. Besides, the results showed a direct relationship among the BDD morphology, physical property, and its performance during the degradation process. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Electron field emission from boron doped microcrystalline diamond

Field emission properties of hot filament chemical vapor deposited boron doped polycrystalline diamond have been studied. Doping level (N-B) of different samples has been varied by the B/C concentration in the gas feed during the growth process and doping saturation has been observed for high B/C ratios. Threshold field (E-th) for electron emission as function of B/C concentration has been measured, and the influences of grain boundaries, doping level and surface morphology on field emission properties have been investigated. Carrier transport through conductive grains and local emission properties of surface sites have been figured out to be two independent limiting effects in respect of field emission. Emitter current densities of 500 nA cm(-2) were obtained using electric fields less than 8 V/mu m. (c) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.