Influence of pressure and radio frequency power on deposition rate and structural properties of hydrogenated amorphous silicon thin films prepared by plasma deposition

The influence of radio frequency (rf) power and pressure on deposition rate and structural properties of hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) thin films, prepared by rf glow discharge decomposition of silane, have been studied by phase modulated ellipsometry and Fourier transform infrared spectroscopy. It has been found two pressure regions separated by a threshold value around 20 Pa where the deposition rate increases suddenly. This behavior is more marked as rf power rises and reflects the transition between two rf discharges regimes. The best quality films have been obtained at low pressure and at low rf power but with deposition rates below 0.2 nm/s. In the high pressure region, the enhancement of deposition rate as rf power increases first gives rise to a reduction of film density and an increase of content of hydrogen bonded in polyhydride form because of plasma polymerization reactions. Further rise of rf power leads to a decrease of polyhydride bonding and the material density remains unchanged, thus allowing the growth of a-Si:H films at deposition rates above 1 nm/s without any important detriment of material quality. This overcoming of deposition rate limitation has been ascribed to the beneficial effects of ion bombardment on the a-Si:H growing surface by enhancing the surface mobility of adsorbed reactive species and by eliminating hydrogen bonded in polyhydride configurations.

Progress in a-Si:H/c-Si heterojunction emitters obtained by Hot-Wire CVD at 200°C

In this work, we investigate heterojunction emitters deposited by Hot-Wire CVD on p-type crystalline silicon. The emitter structure consists of an n-doped film (20 nm) combined with a thin intrinsic hydrogenated amorphous silicon buffer layer (5 nm). The microstructure of these films has been studied by spectroscopic ellipsometry in the UV-visible range. These measurements reveal that the microstructure of the n-doped film is strongly influenced by the amorphous silicon buffer. The Quasy-Steady-State Photoconductance (QSS-PC) technique allows us to estimate implicit open-circuit voltages near 700 mV for heterojunction emitters on p-type (0.8 Ω·cm) FZ silicon wafers. Finally, 1 cm 2 heterojunction solar cells with 15.4% conversion efficiencies (total area) have been fabricated on flat p-type (14 Ω·cm) CZ silicon wafers with aluminum back-surface-field contact.

In situ spectroellipsometric study of the nucleation and growth of amorphous silicon

A detailed in situ spectroellipsometric analysis of the nucleation and growth of hydrogenated amorphous silicon (a:Si:H) is presented. Photoelectronic quality a‐Si:H films are deposited by plasma‐enhanced chemical vapor deposition on smooth metal (NiCr alloy) and crystalline silicon (c‐Si) substrates. The deposition of a‐Si:H is analyzed from the first monolayer up to a final thickness of 1.2 μm. In order to perform an improved analysis, real time ellipsometric trajectories are recorded, using fixed preparation conditions, at various photon energies ranging from 2.2 to 3.6 eV. The advantage of using such a spectroscopic experimental procedure is underlined. New insights into the nucleation and growth mechanisms of a‐Si:H are obtained. The nucleation mechanism on metal and c‐Si substrates is very accurately described assuming a columnar microstructural development during the early stage of the growth. Then, as a consequence of the incomplete coalescence of the initial nuclei, a surface roughness at the 10-15 Å scale is identified during the further growth of a‐Si:H on both substrates. The bulk a‐Si:H grows homogeneously beneath the surface roughness. Finally, an increase of the surface roughness is evidenced during the long term growth of a‐Si:H. However, the nature of the substrate influenced the film growth. In particular, the film thickness involved in the nucleation‐coalescence phase is found lower in the case of c‐Si (67±8 Å) as compared to NiCr (118±22 Å). Likewise films deposited on c‐Si present a smaller surface roughness even if thick samples are considered (>1 μm). More generally, the present study illustrates the capability of in situ spectroellipsometry to precisely analyze fundamental processes in thin‐film growth, but also to monitor the preparation of complex structures on a few monolayers scale.

Mueller matrix microscope with a dual continuous rotating compensator setup and digital demodulation

In this paper we describe a new Mueller matrix (MM) microscope that generalizes and makes quantitative the polarized light microscopy technique. In this instrument all the elements of the MU are simultaneously determined from the analysis in the frequency domain of the time-dependent intensity of the light beam at every pixel of the camera. The variations in intensity are created by the two compensators continuously rotating at different angular frequencies. A typical measurement is completed in a little over one minute and it can be applied to any visible wavelength. Some examples are presented to demonstrate the capabilities of the instrument.

Formação de multicamadas de polissacarídeos e proteína

In this work the formation of multilayers composed by carboxymethylcellulose (CMC), chitosane and bovine serum albumin (BSA) was studied by ellipsometry. First, the adsorption behavior of carboxymethylcellulose onto amino-terminated surfaces was investigated as a function of molecular weight and average degree of substitution of CMC. The influence of these parameters on the adsorbed amount of CMC onto amino-terminated substrates was absent. However, the interaction of CMC covered surfaces with chitosane and BSA was favored when the average degree of substitution of CMC was increased. The adsorption of BSA onto the polysaccharide systems was studied as a function of pH. At the isoelectric point of BSA a maximum in the adsorbed amount was found.

Estudo sobre a adsorção do fluido de perfuração salgado contendo polímeros sobre SiO2

Polysaccharide-based drilling fluids have been often applied in horizontal wells of petroleum reservoirs in Campos, Rio de Janeiro. The present study aimed to understand the mechanism of adsorption and desorption of the drill-in fluid, xanthan, modified starch and lubricant on SiO2 by means of ellipsometry. The effect of pH and brine on the mean thickness (D) of adsorbed layer was systematically investigated. The adsorption was mainly favored under alkaline conditions. A model has been proposed to explain this effect. The adsorption isotherms determined separately for xanthan and starch on SiO2 surfaces could be fitted with the Langmuir model, which yielded similar adsorption constant values.

Obtenção de filmes finos de TiO2 nanoestruturado pelo método dos precursores poliméricos

This work focuses in optimizing setup for obtaining TiO2 thin films by polymeric precursor route due to its advantages on stoichiometric and morphological control. Precursor stoichiometry, synthesis pH, solids concentration and rotation speed at deposition were optimized evaluating thin films morphology and thickness. Thermogravimetry and RMN were applied for precursor's characterization and AFM, XRD and ellipsometry for thin films evaluation. Results showed successful attainment of homogeneous nanocrystalline anatase TiO2 thin films with outstanding control over morphological characteristics, mean grain size of 17 nm, packing densities between 57 and 75%, estimated surface areas of 90 m²/g and monolayers thickness within 20 and 128 nm.

Filmes ultrafinos de ésteres de celulose: preparo, caracterização e imobilização de proteínas

In this study cellulose acetate butyrate (CAB) and carboxymehtylcellulose acetate butyrate (CMCAB) films adsorbed onto silicon wafers were characterized by means of ellipsometry, atomic force microscopy (AFM), sum frequency generation spectroscopy (SFG) and contact angle measurements. The adsorption behavior of lysozyme (LIS) or bovine serum albumin (BSA) onto CAB and CMCAB films was investigated. The amounts of adsorbed LIS or BSA onto CMCAB films were more pronounced than those onto CAB films due to the presence of carboxymethyl group in the CMCAB structure. Besides, the adsorption of BSA molecules on CMCAB films was more favored than that of LIS molecules. Antimicrobial effect of LIS bound to CAB or CMCAB layers was evaluated using Micrococcus luteus as substrate.

DNA-lipid systems: A physical chemistry study

It is well known that the interaction of polyelectrolytes with oppositely charged surfactants leads to an associative phase separation; however, the phase behavior of DNA and oppositely charged surfactants is more strongly associative than observed in other systems. A precipitate is formed with very low amounts of surfactant and DNA. DNA compaction is a general phenomenon in the presence of multivalent ions and positively charged surfaces; because of the high charge density there are strong attractive ion correlation effects. Techniques like phase diagram determinations, fluorescence microscopy, and ellipsometry were used to study these systems. The interaction between DNA and catanionic mixtures (i.e., mixtures of cationic and anionic surfactants) was also investigated. We observed that DNA compacts and adsorbs onto the surface of positively charged vesicles, and that the addition of an anionic surfactant can release DNA back into solution from a compact globular complex between DNA and the cationic surfactant. Finally, DNA interactions with polycations, chitosans with different chain lengths, were studied by fluorescence microscopy, in vivo transfection assays and cryogenic transmission electron microscopy. The general conclusion is that a chitosan effective in promoting compaction is also efficient in transfection.

Étude de films de nanotubes de carbone dans le domaine de fréquences térahertz : propriété antiréfléchissante

Les expériences de spectroscopie ont été réalisées en collaboration avec Jean-François Allard du groupe de Denis Morris de l'Université de Sherbrooke.

Synthesis of polyelectrolyte brushes on silica-based substrates through surface-initiated polymerization : brush characterization and responsiveness to variation in pH and ionic strength

Les brosses de polyélectrolytes font l’objet d’une attention particulière pour de nombreuses applications car elles présentent la capacité de changer de conformation et, par conséquent, de propriétés de surface en réponse aux conditions environnementales appliquées. Le contrôle des principaux paramètres de ces brosses telles que l'épaisseur, la composition et l'architecture macromoléculaire, est essentiel pour obtenir des polymères greffés bien définis. Ceci est possible avec la Polymérisation Radicalaire par Transfert d’Atomes - Initiée à partir de la Surface (PRTA-IS), qui permet la synthèse de brosses polymériques de manière contrôlée à partir d’une couche d'amorceurs immobilisés de manière covalente sur une surface. Le premier exemple d’une synthèse directe de brosses de poly(acide acrylique) (PAA) par polymérisation radicalaire dans l’eau a été démontré. Par greffage d’un marqueur fluorescent aux brosses de PAA et via l’utilisation de la microscopie de fluorescence par réflexion totale interne, le dégreffage du PAA en temps réel a pu être investigué. Des conditions environnementales de pH ≥ 9,5 en présence de sel, se sont avérées critiques pour la stabilité de la liaison substrat-amorceur, conduisant au dégreffage du polymère. Afin de protéger de l’hydrolyse cette liaison substrat-amorceur sensible et prévenir le dégreffage non souhaité du polymère, un espaceur hydrophobique de polystyrène (PS) a été inséré entre l'amorceur et le bloc de PAA stimuli-répondant. Les brosses de PS-PAA obtenues étaient stables pour des conditions extrêmes de pH et de force ionique. La réponse de ces brosses de copolymère bloc a été étudiée in situ par ellipsométrie, et le changement réversible de conformation collapsée à étirée, induit par les variations de pH a été démontré. De plus, des différences de conformation provenant des interactions du bloc de PAA avec des ions métalliques de valence variable ont été obtenues. Le copolymère bloc étudié semble donc prometteur pour la conception de matériaux répondant rapidement a divers stimuli. Par la suite, il a été démontré qu’un acide phosphonique pouvait être employé en tant qu’ amorceur PRTA-IS comme alternative aux organosilanes. Cet amorceur phosphonate a été greffé pour la première fois avec succès sur des substrats de silice et une PRTA-IS en milieux aqueux a permis la synthèse de brosses de PAA et de poly(sulfopropyl méthacrylate). La résistance accrue à l’hydrolyse de la liaison Sisubstrat-O- Pamorceur a été confirmée pour une large gamme de pH 7,5 à 10,5 et a permis l’étude des propriétés de friction des brosses de PAA sous différentes conditions expérimentales par mesure de forces de surface. Malgré la stabilité des brosses de PAA à haute charge appliquée, les études des propriétés de friction ne révèlent pas de changement significatif du coefficient de friction en fonction du pH et de la force ionique.

Greffage irréversible de polyélectrolytes sur des substrats de silice et de mica et étude des propriétés de surface et de gonflement

Le protocole pour le greffage irréversible du copolymère amphiphile polystyrène-b-poly (acrylate de sodium) PS-b-PANa, sur un substrat de mica et de silice hydrophobe a été développé, en utilisant la méthode de greffage à partir de solution. Les propriétés de surface du bloc chargé ont été évaluées. L’effet de la force ionique sur le gonflement des chaînes a été investigué par ellipsométrie. Les forces d’interaction entre les surfaces recouvertes du copolymère ont été évaluées par la technique SFA. Les profils de force ont démontré être stables et nettement répulsifs en compression et décompression, montrant l’irréversibilité du greffage. Les forces de frottement entre les brosses de PANa sont élevées, mais aucune évidence d’endommagement de la surface n’a été observée. La comparaison entre le comportement à la surface des chaînes de l’acide polyacrylique PAA et celles du PANa, obtenues par deux méthodes de greffage différentes, est également investiguée.

Dynamique de croissance par plasma RF magnétron des couches minces à base d’oxyde de zinc

Le but de cette thèse était d’étudier la dynamique de croissance par pulvérisation par plasma RF magnétron des couches minces à base d’oxyde de zinc destinées à des applications électroniques, optoélectroniques et photoniques de pointe. Dans ce contexte, nous avons mis au point plusieurs diagnostics permettant de caractériser les espèces neutres et chargées dans ce type de plasmas, notamment la sonde électrostatique, la spectroscopie optique d’émission et d’absorption, ainsi que la spectrométrie de masse. Par la suite, nous avons tenté de corréler certaines caractéristiques physiques de croissance des couches de ZnO, en particulier la vitesse de dépôt, aux propriétés fondamentales du plasma. Nos résultats ont montré que l’éjection d’atomes de Zn, In et O au cours de la pulvérisation RF magnétron de cibles de Zn, ZnO et In2O3 n’influence que très peu la densité d’ions positifs (et donc la densité d’électrons en supposant la quasi-neutralité) ainsi que la fonction de distribution en énergie des électrons (populations de basse et haute énergie). Cependant, le rapport entre la densité d’atomes d’argon métastables (3P2) sur la densité électronique décroît lorsque la densité d’atomes de Zn augmente, un effet pouvant être attribué à l’ionisation des atomes de Zn par effet Penning. De plus, dans les conditions opératoires étudiées (plasmas de basse pression, < 100 mTorr), la thermalisation des atomes pulvérisés par collisions avec les atomes en phase gazeuse demeure incomplète. Nous avons montré que l’une des conséquences de ce résultat est la présence d’ions Zn+ suprathermiques près du substrat. Finalement, nous avons corrélé la quantité d’atomes de Zn pulvérisés déterminée par spectroscopie d’émission avec la vitesse de dépôt d’une couche mince de ZnO mesurée par ellipsométrie spectroscopique. Ces travaux ont permis de mettre en évidence que ce sont majoritairement les atomes de Zn (et non les espèces excitées et/ou ioniques) qui gouvernent la dynamique de croissance par pulvérisation RF magnétron des couches minces de ZnO.

Surface studies of some metallic thin films by optical methods

The thesis aims to present the results of experimental investigations on the changes of optical properties of metallic thin films due to heating. The parameters which are measured are reflectivity, refractive indices and the ellipsometric quantities V and A . The materials used in the studies are metals like Silver, Aluminium and Copper. By applying the optical method the interdiffusion taking place in multilayer ‘films of Aluminium and Silver has also been studied. Special interest has been taken to reveal the mechanisms of the hillock growth and surface roughness caused by heating and their relation with the stress in the film