Optical properties of zirconium oxynitride films: the effect of composition, electronic and crystalline structures

tThis work is devoted to the investigation of zirconium oxynitride (ZrOxNy) films with varied opticalresponses prompted by the variations in their compositional and structural properties. The films wereprepared by dc reactive magnetron sputtering of Zr, using Ar and a reactive gas mixture of N2+ O2(17:3).The colour of the films changed from metallic-like, very bright yellow-pale and golden yellow, for low gasflows to red-brownish for intermediate gas flows. Associated to this colour change there was a significantdecrease of brightness. With further increase of the reactive gas flow, the colour of the samples changedfrom red-brownish to dark blue or even to interference colourations. The variations in composition dis-closed the existence of four different zones, which were found to be closely related with the variationsin the crystalline structure. XRD analysis revealed the change from a B1 NaCl face-centred cubic zirco-nium nitride-type phase for films prepared with low reactive gas flows, towards a poorly crystallizedover-stoichiometric nitride phase, which may be similar to that of Zr3N4with some probable oxygeninclusions within nitrogen positions, for films prepared with intermediate reactive gas flows. For highreactive gas flows, the films developed an oxynitride-type phase, similar to that of -Zr2ON2with someoxygen atoms occupying some of the nitrogen positions, evolving to a ZrO2monoclinic type structurewithin the zone where films were prepared with relatively high reactive gas flows. The analysis carriedout by reflected electron energy loss spectroscopy (REELS) revealed a continuous depopulation of thed-band and an opening of an energy gap between the valence band (2p) and the Fermi level close to 5 eV.The ZrN-based coatings (zone I and II) presented intrinsic colourations, with a decrease in brightness anda colour change from bright yellow to golden yellow, red brownish and dark blue. Associated to thesechanges, there was also a shift of the reflectivity minimum to lower energies, with the increase of thenon-metallic content. The samples lying in the two last zones (zone III, oxynitride and zone IV, oxide films)revealed a typical semi-transparent-optical behaviour showing interference-like colourations only dueto the complete depopulation of the d band at the Fermi level. The samples lying in these zones presentedalso an increase of the optical bandgap from 2 to 3.6 eV.

Electron capture and emission by the Ti acceptor level in GaP

Previously reported results on deep level optical spectroscopy, optical absorption, deep level transient spectroscopy, photoluminescence excitation, and time resolved photoluminescence are reviewed and discussed in order to know which are the mechanisms involved in electron capture and emission of the Ti acceptor level in GaP. First, the analysis indicates that the 3T1(F) crystal¿field excited state is not in resonance with the conduction band states. Second, it is shown that both the 3T2 and 3T1(F) excited states do not play any significant role in the process of electron emission and capture.

Investigation of structural, optical and electrical properties and valence band splitting in cu-ln-se compounds

Investigations on thin films that started decades back due to scientific curiosity in the properties of a two-dimensional solid, has developed into a leading research field in recent years due to the ever expanding applications of the thin films in the fann of a variety of active and passive microminiaturized components and devices, solar cells, radiation sowces and detectors, magnetic memory devices, interference filters, refection and antireflection coatings etc. [1]. The recent environment and energy resource concerns have aroused an enonnous interest in the study of materials in thin film form suitable for renewable energy sources such as photovoltaic devices. Recognition of the immense potential applications of the chalcopyrites that can fonn homojunctions or heterojunctions for solar cell fabrication has attracted many researchers to extensive and intense research on them. In this thesis, we have started with studies performed on CuInSe, thin films, a technologically well recognized compound belonging to the l•ill-VI family of semiconductors and have riveted on investigations on the preparation and characterization of compoWlds Culn3Se5. Culn5Seg and CuIn7Se12, an interesting group of compounds related to CuInSe2 called Ordered Vacancy Compounds, having promising applications in photovoltaic devices. A pioneering work attempted on preparing and characterizing the compound Culn7Sel2 is detailed in the chapters on OVC's. Investigation on valence band splitting in avc's have also been attempted for the first time and included as the last chapter in the thesis. Some of the salient features of the chalcopyrite c.ompounds are given in the next section .of this introductory chapter.

Air-gap based vertical cavity micro-opto-electro-mechanical Fabry-Perot filters

Mikrooptische Filter sind heutzutage in vielen Bereichen in der Telekommunikation unersetzlich. Wichtige Einsatzgebiete sind aber auch spektroskopische Systeme in der Medizin-, Prozess- und Umwelttechnik. Diese Arbeit befasst sich mit der Technologieentwicklung und Herstellung von luftspaltbasierenden, vertikal auf einem Substrat angeordneten, oberflächenmikromechanisch hergestellten Fabry-Perot-Filtern. Es werden zwei verschiedene Filtervarianten, basierend auf zwei verschiedenen Materialsystemen, ausführlich untersucht. Zum einen handelt es sich dabei um die Weiterentwicklung von kontinuierlich mikromechanisch durchstimmbaren InP / Luftspaltfiltern; zum anderen werden neuartige, kostengünstige Siliziumnitrid / Luftspaltfilter wissenschaftlich behandelt. Der Inhalt der Arbeit ist so gegliedert, dass nach einer Einleitung mit Vergleichen zu Arbeiten und Ergebnissen anderer Forschergruppen weltweit, zunächst einige theoretische Grundlagen zur Berechnung der spektralen Reflektivität und Transmission von beliebigen optischen Schichtanordnungen aufgezeigt werden. Auß erdem wird ein kurzer theoretischer Ü berblick zu wichtigen Eigenschaften von Fabry-Perot-Filtern sowie der Möglichkeit einer mikromechanischen Durchstimmbarkeit gegeben. Daran anschließ end folgt ein Kapitel, welches sich den grundlegenden technologischen Aspekten der Herstellung von luftspaltbasierenden Filtern widmet. Es wird ein Zusammenhang zu wichtigen Referenzarbeiten hergestellt, auf denen diverse Weiterentwicklungen dieser Arbeit basieren. Die beiden folgenden Kapitel erläutern dann ausführlich das Design, die Herstellung und die Charakterisierung der beiden oben erwähnten Filtervarianten. Abgesehen von der vorangehenden Epitaxie von InP / GaInAs Schichten, ist die Herstellung der InP / Luftspaltfilter komplett im Institut durchgeführt worden. Die Herstellungsschritte sind ausführlich in der Arbeit erläutert, wobei ein Schwerpunktthema das trockenchemische Ä tzen von InP sowie GaInAs, welches als Opferschichtmaterial für die Herstellung der Luftspalte genutzt wurde, behandelt. Im Verlauf der wissenschaftlichen Arbeit konnten sehr wichtige technische Verbesserungen entwickelt und eingesetzt werden, welche zu einer effizienteren technologischen Herstellung der Filter führten und in der vorliegenden Niederschrift ausführlich dokumentiert sind. Die hergestellten, für einen Einsatz in der optischen Telekommunikation entworfenen, elektrostatisch aktuierbaren Filter sind aus zwei luftspaltbasierenden Braggspiegeln aufgebaut, welche wiederum jeweils 3 InP-Schichten von (je nach Design) 357nm bzw. 367nm Dicke aufweisen. Die Filter bestehen aus im definierten Abstand parallel übereinander angeordneten Membranen, die über Verbindungsbrücken unterschiedlicher Anzahl und Länge an Haltepfosten befestigt sind. Da die mit 357nm bzw. 367nm vergleichsweise sehr dünnen Schichten freitragende Konstrukte mit bis zu 140 nm Länge bilden, aber trotzdem Positionsgenauigkeiten im nm-Bereich einhalten müssen, handelt es sich hierbei um sehr anspruchsvolle mikromechanische Bauelemente. Um den Einfluss der zahlreichen geometrischen Strukturparameter studieren zu können, wurden verschiedene laterale Filterdesigns implementiert. Mit den realisierten Filter konnte ein enorm weiter spektraler Abstimmbereich erzielt werden. Je nach lateralem Design wurden internationale Bestwerte für durchstimmbare Fabry-Perot-Filter von mehr als 140nm erreicht. Die Abstimmung konnte dabei kontinuierlich mit einer angelegten Spannung von nur wenigen Volt durchgeführt werden. Im Vergleich zu früher berichteten Ergebnissen konnten damit sowohl die Wellenlängenabstimmung als auch die dafür benötigte Abstimmungsspannung signifikant verbessert werden. Durch den hohen Brechungsindexkontrast und die geringe Schichtdicke zeigen die Filter ein vorteilhaftes, extrem weites Stopband in der Größ enordnung um 550nm. Die gewählten, sehr kurzen Kavitätslängen ermöglichen einen freien Spektralbereich des Filters welcher ebenfalls in diesen Größ enordnungen liegt, so dass ein weiter spektraler Einsatzbereich ermöglicht wird. Während der Arbeit zeigte sich, dass Verspannungen in den freitragenden InPSchichten die Funktionsweise der mikrooptischen Filter stark beeinflussen bzw. behindern. Insbesondere eine Unterätzung der Haltepfosten und die daraus resultierende Verbiegung der Ecken an denen sich die Verbindungsbrücken befinden, führte zu enormen vertikalen Membranverschiebungen, welche die Filtereigenschaften verändern. Um optimale Ergebnisse zu erreichen, muss eine weitere Verbesserung der Epitaxie erfolgen. Jedoch konnten durch den zusätzlichen Einsatz einer speziellen Schutzmaske die Unterätzung der Haltepfosten und damit starke vertikale Verformungen reduziert werden. Die aus der Verspannung resultierenden Verformungen und die Reaktion einzelner freistehender InP Schichten auf eine angelegte Gleich- oder Wechselspannung wurde detailliert untersucht. Mittels Weisslichtinterferometrie wurden lateral identische Strukturen verglichen, die aus unterschiedlich dicken InP-Schichten (357nm bzw. 1065nm) bestehen. Einen weiteren Hauptteil der Arbeit stellen Siliziumnitrid / Luftspaltfilter dar, welche auf einem neuen, im Rahmen dieser Dissertation entwickelten, technologischen Ansatz basieren. Die Filter bestehen aus zwei Braggspiegeln, die jeweils aus fünf 590nm dicken, freistehenden Siliziumnitridschichten aufgebaut sind und einem Abstand von 390nm untereinander aufweisen. Die Filter wurden auf Glassubstraten hergestellt. Der Herstellungsprozess ist jedoch auch mit vielen anderen Materialien oder Prozessen kompatibel, so dass z.B. eine Integration mit anderen Bauelemente relativ leicht möglich ist. Die Prozesse dieser ebenfalls oberflächenmikromechanisch hergestellten Filter wurden konsequent auf niedrige Herstellungskosten optimiert. Als Opferschichtmaterial wurde hier amorph abgeschiedenes Silizium verwendet. Der Herstellungsprozess beinhaltet die Abscheidung verspannungsoptimierter Schichten (Silizium und Siliziumnitrid) mittels PECVD, die laterale Strukturierung per reaktiven Ionenätzen mit den Gasen SF6 / CHF3 / Ar sowie Fotolack als Maske, die nasschemische Unterätzung der Opferschichten mittels KOH und das Kritisch-Punkt-Trocken der Proben. Die Ergebnisse der optischen Charakterisierung der Filter zeigen eine hohe Ü bereinstimmung zwischen den experimentell ermittelten Daten und den korrespondierenden theoretischen Modellrechnungen. Weisslichtinterferometermessungen der freigeätzten Strukturen zeigen ebene Filterschichten und bestätigen die hohe vertikale Positioniergenauigkeit, die mit diesem technologischen Ansatz erreicht werden kann.

The electronic and optical properties of sodalite (Na(8)Al(6)Si(6)O(24)Cl(2)) from first principles

This study reports the results of ab initio electronic and optical calculations for pure socialite crystal using the linear augmented plane wave (LAPW) method within density functional theory (DFT). The calculated electronic structure revealed predominantly orbital characters of the valence band and the conduction band, and enabled us to determine the type and the value of the fundamental gap of the compound. The imaginary part of the dielectric tensor, extinction coefficient and refraction index were calculated as functions of the incident radiation wavelength. It is shown that the O 2p states and Na 3s states play the major role in optical transitions as initial and final states, respectively. The absorption spectrum is localized in the ultraviolet range between 40 and 250 nm. Furthermore, we concluded that the material does not absorb radiation in the visible range. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Gap solitons in Bose-Einstein condensates in linear and nonlinear optical lattices

Properties of localized states on array of BEC confined to a potential, representing superposition of linear and nonlinear optical lattices are investigated. For a shallow lattice case the coupled mode system has been derived. We revealed new types of gap solitons and studied their stability. For the first time a moving soliton solution has been found. Analytical predictions are confirmed by numerical simulations of the Gross-Pitaevskii equation with jointly acting linear and nonlinear periodic potentials. (c) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Gap solitons in a model of a superfluid fermion gas in optical lattices

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Optical and structural properties of GaAs/GaInP quantum wells grown by Chemical Beam Epitaxy

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Relationship between the optical gap and the optical-absorption tail breadth in amorphous GaAs

We study the relationship between the optical gap and the optical-absorption tail breadth for the case of amorphous gallium arsenide (a-GaAs). In particular, we analyze the optical-absorption spectra corresponding to some recently prepared a-GaAs samples. The optical gap and the optical-absorption tail breadth corresponding to each sample is determined. Plotting the optical gap as a function of the corresponding optical-absorption tail breadth, we note that a trend, similar to that found for the cases of the hydrogenated amorphous silicon and hydrogenated amorphous germanium, is also found for the case of a-GaAs. The impact of alloying on the optical-absorption spectrum associated with a-GaAs is also briefly examined. (C) 2004 American Institute of Physics.

Gap solitons in superfluid boson-fermion mixtures

Using coupled equations for the bosonic and fermionic order parameters, we construct families of gap solitons (GSs) in a nearly one-dimensional Bose-Fermi mixture trapped in a periodic optical-lattice (OL) potential, the boson and fermion components being in the states of the Bose-Einstein condensation and Bardeen-Cooper-Schrieffer superfluid, respectively. Fundamental GSs are compact states trapped, essentially, in a single cell of the lattice. Full families of such solutions are constructed in the first two band gaps of the OL-induced spectrum, by means of variational and numerical methods, which are found to be in good agreement. The families include both intragap and intergap solitons, with the chemical potentials of the boson and fermion components falling in the same or different band gaps, respectively. Nonfundamental states, extended over several lattice cells, are constructed too. The GSs are stable against strong perturbations.

Photoreflectance studies of optical transitions in cubic GaN grown on GaAs(001) substrates

The optical properties of cubic GaN epitaxial layers were investigated by modulated photoreflectance (PR) and photoluminescence in the temperature interval from 5 to 300 K. The epilayers were grown on GaAs(001) substrates by molecular beam epitaxy using a nitrogen RIF-activated plasma source. The PR spectra show a transition which is well fitted using the third-derivative functional form of the unperturbed dielectric function, which we interpret as band-to-band transition. Our results allow determination of the temperature dependence of the main gap of c-GaN and give insights into the residual strain in the film, as well as allow us to estimate the binding energy of the complex formed by an exciton bound to a neutral acceptor. (C) 2003 Elsevier B.V. B.V. All rights reserved.

Evaluation of Different Methods of Optical Impression Making on the Marginal Gap of Onlays Created with CEREC 3D

Objectives: This study evaluated the marginal gaps on several surfaces of onlays created with the Cerec 3D system using one intraoral and two extraoral optical impression methods. Methods: A human molar (#19) was mounted with its adjacent teeth on a typodont (Frasaco) and prepared for a MODL onlay. The typodont was assembled in the mannequin head in order to simulate clinical conditions. The same operator took 36 individual optical impressions using a CEREC 3D camera. For group 1 (IP), a thin layer of titanium dioxide powder (CEREC powder-VITA) was applied directly onto the surface of the preparation for imaging (n=12). For group 2 (EP), a sectional impression was taken with hydrocolloid Identic Syringable (Dux Dental), a die made with polyvinylsiloxane KwikkModel Scan (R-dental Dentalerzeugnisse GmbH) and powdered with titanium dioxide for imaging (n=12). For group 3 (ES), a sectional impression was taken with PVS and a sectional stock tray, a die fabricated in stone (Diamond die- HI-TEC Dental Products) and the die being imaged without powdering (n=12). One operator designed and machined the onlays in Vita Blocks Mark II for Cerec (VITA) using a CEREC 3D. The marginal gaps (pm) were measured with an optical microscope (50x) at 12 points, three on each surface of the MODL. The results were analyzed by two-way ANOVA/Tukey's (p=0.05). Results: The overall mean marginal gaps (mu m) for the three methods were: IP=111.6 (+/- 34.0); EP=161.4 (+/- 37.6) and ES=116.8 (+/- 42.3). IP and ES were equal, but both were significantly less than EP. The pooled mean marginal gaps (mu m) for the occlusal = 110.5 (+/- 39) and lingual = 111.5 (+/- 30.5) surfaces were equivalent and significantly less than the distal = 136.5 (+/- 42.5) and mesial = 161.1 (+/- 43.3). Conclusion: The marginal gap of CEREC 3D onlay restorations was not different when the optical impression was taken intraorally vs extraorally using a stone cast that does not require powdering. The lingual and occlusal surfaces showed the lowest gaps.

Elucidating the optical properties of novel heterolayered materials based on MoTe2-InN for photovoltaic applications

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Conformationally Controlled Electron Delocalization in n-Type Rods: Synthesis, Structure, and Optical, Electrochemical, and Spectroelectrochemical Properties of Dicyanocyclophanes

A series of dicyanobiphenyl-cyclophanes 1-6 with various pi-backbone conformations and characteristic n-type semiconductor properties is presented. Their synthesis, optical, structural, electrochemical, spectroelectrochemical, and packing properties are investigated. The X-ray crystal structures of all n-type rods allow the systematic correlation of structural features with physical properties. In addition, the results are supported by quantum mechanical calculations based on density functional theory. A two-step reduction process is observed for all n-type rods, in which the first step is reversible. The potential gap between the reduction processes depends linearly on the cos(2) value of the torsion angle phi between the pi-systems. Similarly, optical absorption spectroscopy shows that the vertical excitation energy of the conjugation band correlates with the cos(2) value of the torsion angle phi. These correlations demonstrate that the fixed intramolecular torsion angle phi is the dominant factor determining the extent of electron delocalization in these model compounds, and that the angle phi measured in the solid-state structure is a good proxy for the molecular conformation in solution. Spectroelectrochemical investigations demonstrate that conformational rigidity is maintained even in the radical anion form. In particular, the absorption bands corresponding to the SOMO-LUMO+i transitions are shifted bathochromically, whereas the absorption bands corresponding to the HOMO-SOMO transition are shifted hypsochromically with increasing torsion angle phi.