Formation and characterization of porous InP layers in KOH Solutions

Porous InP layers were formed electrochemically on (100) oriented n-InP substrates in various concentrations of aqueous KOH under dark conditions. In KOH concentrations from 2 mol dm-3 to 5 mol dm-3, a porous layer is obtained underneath a dense near-surface layer. The pores within the porous layer appear to propagate from holes through the near-surface layer. Transmission electron microscopy studies of the porous layers formed under both potentiodynamic and potentiostatic conditions show that both the thickness of the porous layer and the mean pore diameter decrease with increasing KOH concentration. The degree of porosity, estimated to be 65%, was found to remain relatively constant for all the porous layers studied.

Comparison of oscillatory behavior on InP electrodes in KOH solutions

The observation of current oscillations under potential sweep conditions when an n-InP electrode is anodized in a KOH electrolyte is reported and compared to the oscillatory behavior noted during anodization in an (NH4)2S electrolyte. In both cases oscillations are observed above 1.7 V (SCE). The charge per cycle was found to increase linearly with potential for the InP/KOH system but was observed to be independent of potential for the InP/(NH4)2S system. The period of the oscillations in the InP/KOH was found to increase with applied potential. In this case the oscillations are asymmetrical and the rising and falling segments have a different dependence on potential. Although the exact mechanism is not yet know for either system, transmission electron microscopy studies show that in both cases, the electrode is covered by a thick porous film in the oscillatory region.

Anodic oxidation of InP in KOH electrolytes

The anodic behavior of InP in 1 mol dm-3 KOH was investigated and compared with its behavior at higher concentrations of KOH. At concentrations of 2 mol dm-3 KOH or greater, selective etching of InP occurs leading to thick porous InP layers near the surface of the sustrate. In contrast, in 1 mol dm-3 KOH, no such porous layers are formed but a thin surface film is formed at potentials in the range 0.6 V to 1.3 V. The thickness of this film was determined by spectroscopic ellipsometry as a function of the upper potential and the measured film thickness corresponds to the charge passed up to a potential of 1.0 V. Anodization to potentials above 1.5 V in 1 mol dm- 3 KOH results in the growth of thick, porous oxide films (~ 1.2 µm). These films are observed to crack, ex-situ, due to shrinkage after drying in ambient air. Comparisons between the charge density and film thickness measurements indicate a porosity of approximately 77% for such films.

Développement et caractérisation de dérivés dipyrrométhène pour des applications dans le domaine du photovoltaïque

Ce projet de recherche mené en collaboration industrielle avec St-Jean Photochimie Inc. / PCAS Canada vise le développement et la caractérisation de dérivés dipyrrométhène pour des applications dans le domaine du photovoltaïque. La quête du récoltage des photons se situant dans le proche-infrarouge a été au centre des modifications structurales explorées afin d’augmenter l’efficacité de conversion des cellules solaires de type organique et à pigments photosensibles. Trois familles de composés intégrant le motif dipyrrométhène ont été synthétisées et caractérisées du point de vue spectroscopique, électrochimique, structural ainsi que par modélisation moléculaire afin d’établir des relations structures-propriétés. La première famille comporte six azadipyrrométhènes au potentiel de coordination tétradentate sur des centres métalliques. Le développement d’une nouvelle voie synthétique asymétrique combinée à l’utilisation d’une voie symétrique classique ont permis d’obtenir l’ensemble des combinaisons de substituants possibles sur les aryles proximaux incluant les noyaux 2-hydroxyphényle, 2-méthoxyphényle et 2- pyridyle. La modulation du maximum d’absorption dans le rouge a pu être faite entre 598 et 619 nm. De même, la présence de groupements méthoxyle ou hydroxyle augmente l’absorption dans le violet (~410 nm) tel que démontré par modélisation. La caractérisation électrochimique a montré que les dérivés tétradentates étaient en général moins stables aux processus redox que leur contre-parti bidentate. La deuxième famille comporte dix dérivés BODIPY fusionnés de façon asymétrique en position [b]. L’aryle proximal a été modifié de façon systématique afin de mieux comprendre l’impact des substituents riches en électron et de la fusion de cycles aromatiques. De plus, ces dérivés ont été mis en relation avec une vaste série de composés analogues. Les résultats empiriques ont montré que les propriétés optoélectroniques de la plateforme sont régies par le degré de communication électronique entre l’aryle proximal, le pyrrole sur lequel il est attaché et le noyau indolique adjacent à ce dernier. Les maximums d’absorption dans le rouge sont modulables entre 547 et 628 nm et la fluorescence des composés se situe dans le proche- infrarouge. L’un des composé s’est révélé souhaitable pour une utilisation en photovoltaïque ainsi qu’à titre de sonde à pH. La troisième famille comporte cinq complexes neutres de RuII basés sur des polypyridines et portant un ligand azadipyrrométhène cyclométalé. Les composés ont montré une forte absorption de photons dans la région de 600 à 800 nm (rouge à proche- infrarouge) et qui a pu être étendue au-delà de 1100 nm dans le cas des dérivés portant un ligand terpyridine. L’analyse des propriétés optoélectroniques de façon empirique et théorique a montré un impact significatif de la cyclométalation et ouvert la voie pour leur étude en tant que photosensibilisateurs en OPV et en DSSC. La capacité d’un des complexes à photo-injecter un électron dans la bande de conduction du semi-conducteur TiO2 a été démontré en collaboration avec le groupe du Pr Gerald J. Meyer à University of North Carolina at Chapel Hill, premier pas vers une utilisation dans les cellules solaires à pigments photosensibles. La stabilité des complexes en solution s’est toutefois avérée problématique et des pistes de solutions sont suggérées basées sur les connaissances acquises dans le cadre de cette thèse.

Excitonic behaviour in polymeric semiconductors : the effect of morphology and composition in heterostructures

La compréhension des interrelations entre la microstructure et les processus électroniques dans les polymères semi-conducteurs est d’une importance primordiale pour leur utilisation dans des hétérostructures volumiques. Dans cette thèse de doctorat, deux systémes diffèrents sont étudiés ; chacun de ces systèmes représente une approche diffèrente pour optimiser les matériaux en termes de leur microstructure et de leur capacité à se mettre en ordre au niveau moléculaire. Dans le premier système, j’ai effectué une analyse complète des principes de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque hybride à base des nanocristaux d’oxyde de zinc (ZnO) et du poly (3-hexylthiophène) (P3HT) par absorption photoinduite en régime quasi-stationnaire (PIA) et la spectroscopie PIA en pompage modulé dépendant de la fréquence. L’interface entre le donneur (le polymère P3HT) et l’accepteur (les nanoparticules de ZnO), où la génération de charges se produit, joue un rôle important dans la performance des cellules photovoltaïques hybrides. Pour améliorer le mécanisme de génération de charges du P3H: ZnO, il est indispensable de modifier l’interface entre ses constituants. Nous avons démontré que la modification d’interface moléculaire avec cis-bis (4, 40 - dicarboxy-2, 20bipyridine) ruthénium (II) (N3-dye) et a-Sexithiophen-2 yl-phosphonique (6TP) a améliorée le photocourant et la performance dans les cellules P3HT: ZnO. Le 6TP et le N3 s’attachent à l’interface du ZnO, en augmentant ainsi l’aire effective de la surface donneur :accepteur, ce qui contribue à une séparation de charge accrue. De plus, le 6TP et le N3 réduisent la densité de pièges dans le ZnO, ce qui réduit le taux de recombinaison des paires de charges. Dans la deuxième partie, jai introduit une matrice hôte polymérique de polystyréne à masse molaire ulra-élevée, qui se comporte comme un solide pour piéger et protéger une solution de poly [2-méthoxy, 5- (2´-éthyl-hexoxy) -1,4-phénylènevinylène- PPV] (MEHPPV) pour utilisation dans des dispositifs optoèlectroniques quantiques. Des travaux antérieurs ont montré que MEH-PPV en solution subit une transition de conformation, d’une conformation enroulé à haute température (phase bleue) à une conformation de chaîne étendue à basse température (phase rouge). La conformation de la chaîne étendue de la solution MEH-PPV favorise les caractéristiques nécessaires à l’amélioration des dispositifs optoélectroniques quantiques, mais la solution ne peut pas être incorporées dans le dispositif. J’ai démontré que la caractéristique de la phase rouge du MEH-PPV en solution se maintient dans une matrice hôte polymérique de polystyrène transformé de masse molaire très élevée, qui se comporte comme un solide (gel de MEH-PPV/UHMW PS), par le biais de la spectroscopie de photoluminescence (PL) dépendant de la température (de 290K à 80 K). La phase rouge du gel MEH-PPV/UHMW PS se manifeste par des largeurs de raie étroites et une intensité augmentée de la transition 0-0 de la progression vibronique dans le spectre de PL ainsi qu’un petit décalage de Stokes entre la PL et le spectre d’absorption à basse température. Ces approches démontrent que la manipulation de la microstructure et des propriétés électroniques des polymères semi-conducteurs ont un impact direct sur la performance de dispositifs pour leurs développements technologiques continus.

Multiscale Analysis for Field-Effect Penetration through Two-Dimensional Materials

Gate-tunable two-dimensional (2D) materials-based quantum capacitors (QCs) and van der Waals heterostructures involve tuning transport or optoelectronic characteristics by the field effect. Recent studies have attributed the observed gate-tunable characteristics to the change of the Fermi level in the first 2D layer adjacent to the dielectrics, whereas the penetration of the field effect through the one-molecule-thick material is often ignored or oversimplified. Here, we present a multiscale theoretical approach that combines first-principles electronic structure calculations and the Poisson–Boltzmann equation methods to model penetration of the field effect through graphene in a metal–oxide–graphene–semiconductor (MOGS) QC, including quantifying the degree of “transparency” for graphene two-dimensional electron gas (2DEG) to an electric displacement field. We find that the space charge density in the semiconductor layer can be modulated by gating in a nonlinear manner, forming an accumulation or inversion layer at the semiconductor/graphene interface. The degree of transparency is determined by the combined effect of graphene quantum capacitance and the semiconductor capacitance, which allows us to predict the ranking for a variety of monolayer 2D materials according to their transparency to an electric displacement field as follows: graphene > silicene > germanene > WS2 > WTe2 > WSe2 > MoS2 > phosphorene > MoSe2 > MoTe2, when the majority carrier is electron. Our findings reveal a general picture of operation modes and design rules for the 2D-materials-based QCs.

Electric Field Effects on Graphene Materials

Understanding the effect of electric fields on the physical and chemical properties of two-dimensional (2D) nanostructures is instrumental in the design of novel electronic and optoelectronic devices. Several of those properties are characterized in terms of the dielectric constant which play an important role on capacitance, conductivity, screening, dielectric losses and refractive index. Here we review our recent theoretical studies using density functional calculations including van der Waals interactions on two types of layered materials of similar two-dimensional molecular geometry but remarkably different electronic structures, that is, graphene and molybdenum disulphide (MoS2). We focus on such two-dimensional crystals because of they complementary physical and chemical properties, and the appealing interest to incorporate them in the next generation of electronic and optoelectronic devices. We predict that the effective dielectric constant (ε) of few-layer graphene and MoS2 is tunable by external electric fields (E ext). We show that at low fields (E ext < 0.01 V/Å) ε assumes a nearly constant value ∼4 for both materials, but increases at higher fields to values that depend on the layer thickness. The thicker the structure the stronger is the modulation of ε with the electric field. Increasing of the external field perpendicular to the layer surface above a critical value can drive the systems to an unstable state where the layers are weakly coupled and can be easily separated. The observed dependence of ε on the external field is due to charge polarization driven by the bias, which show several similar characteristics despite of the layer considered. All these results provide key information about control and understanding of the screening properties in two-dimensional crystals beyond graphene and MoS2

Development of functionalised multiwalled carbon nanotube/polyaniline composites for electrical applications

Combining intrinsically conducting polymers with carbon nanotubes (CNT) helps in creating composites with superior electrical and thermal characteristics. These composites are capable of replacing metals and semiconductors as they possess unique combination of electrical conductivity, flexibility, stretchability, softness and bio-compatibility. Their potential for use in various organic devices such as super capacitors, printable conductors, optoelectronic devices, sensors, actuators, electrochemical devices, electromagnetic interference shielding, field effect transistors, LEDs, thermoelectrics etc. makes them excellent substitutes for present day semiconductors.However, many of these potential applications have not been fully exploited because of various open–ended challenges. Composites meant for use in organic devices require highly stable conductivity for the longevity of the devices. CNT when incorporated at specific proportions, and with special methods contributes quite positively to this end.The increasing demand for energy and depleting fossil fuel reserves has broadened the scope for research into alternative energy sources. A unique and efficient method for harnessing energy is thermoelectric energy conversion method. Here, heat is converted directly into electricity using a class of materials known as thermoelectric materials. Though polymers have low electrical conductivity and thermo power, their low thermal conductivity favours use as a thermoelectric material. The thermally disconnected, but electrically connected carrier pathways in CNT/Polymer composites can satisfy the so-called “phonon-glass/electron-crystal” property required for thermoelectric materials. Strain sensing is commonly used for monitoring in engineering, medicine, space or ocean research. Polymeric composites are ideal candidates for the manufacture of strain sensors. Conducting elastomeric composites containing CNT are widely used for this application. These CNT/Polymer composites offer resistance change over a large strain range due to the low Young‟s modulus and higher elasticity. They are also capable of covering surfaces with arbitrary curvatures.Due to the high operating frequency and bandwidth of electronic equipments electromagnetic interference (EMI) has attained the tag of an „environmental pollutant‟, affecting other electronic devices as well as living organisms. Among the EMI shielding materials, polymer composites based on carbon nanotubes show great promise. High strength and stiffness, extremely high aspect ratio, and good electrical conductivity of CNT make it a filler of choice for shielding applications. A method for better dispersion, orientation and connectivity of the CNT in polymer matrix is required to enhance conductivity and EMI shielding. This thesis presents a detailed study on the synthesis of functionalised multiwalled carbon nanotube/polyaniline composites and their application in electronic devices. The major areas focused include DC conductivity retention at high temperature, thermoelectric, strain sensing and electromagnetic interference shielding properties, thermogravimetric, dynamic mechanical and tensile analysis in addition to structural and morphological studies.

Effect of II‐VI Semiconductor Nanomaterials and Electron Irradiation on Polystyrene (PS) & Poly(ethylene‐co‐vinyl acetate) (EVA)

Organic-inorganic nanocomposites combine unique properties of both the constituents in one material. Among this group of materials, clay based as well as ZnO, TiO2 nanocomposites have been found to have diverse applications. Optoelectronic devices require polymerinorganic systems to meet certain desired properties. Dielectric properties of conventional polymers like poly(ethylene-co-vinyl acetate) (EVA) and polystyrene (PS) may also be tailor tuned with the incorporation of inorganic fillers in very small amounts. Electrical conductivity and surface resistivity of polymer matrices are found to improve with inorganic nanofillers. II-VI semiconductors and their nano materials have attracted material scientists because of their unique optical properties of photoluminescence, UV photodetection and light induced conductivity. Cadmium selenide (CdSe), zinc selenide (ZnSe) and zinc oxide (ZnO) are some of the most promising members of the IIVI semiconductor family, used in light-emitting diodes, nanosensors, non-linear optical (NLO) absorption etc. EVA and PS materials were selected as the matrices in the present study because they are commercially used polymers and have not been the subject of research for opto-electronic properties with semiconductor nanomaterials

Synthesis and characterization of Tellurium oxide glasses for photonic applications

Tellurite glasses are photonic materials of special interest to the branch of optoelectronic and communication, due to its important optical properties such as high refractive index, broad IR transmittance, low phonon energy etc. Tellurite glasses are solutions to the search of potential candidates for nonlinear optical devices. Low phonon energy makes it an efficient host for dopant ions like rare earths, allowing a better environment for radiative transitions. The dopant ions maintain majority of their individual properties in the glass matrix. Tellurites are less toxic than chalcogenides, more chemically and thermally stable which makes them a highly suitable fiber material for nonlinear applications in the midinfrared and they are of increased research interest in applications like laser, amplifier, sensor etc. Low melting point and glass transition temperature helps tellurite glass preparation easier than other glass families.In order to probe into the versatility of tellurite glasses in optoelectronic industry; we have synthesized and undertaken various optical studies on tellurite glasses. We have proved that the highly nonlinear tellurite glasses are suitable candidates in optical limiting, with comparatively lower optical limiting threshold. Tuning the optical properties of glasses is an important factor in the optoelectronic research. We have found that thermal poling is an efficient mechanism in tuning the optical properties of these materials. Another important nonlinear phenomenon found in zinc tellurite glasses is their ability to switch from reverse saturable absorption to saturable absorption in the presence of lanthanide ions. The proposed thesis to be submitted will have seven chapters.

Comprendre et maîtriser le passage de type I à type II de puits quantiques d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) sur substrat de GaSb

Les antimoniures sont des semi-conducteurs III-V prometteurs pour le développement de dispositifs optoélectroniques puisqu'ils ont une grande mobilité d'électrons, une large gamme spectrale d'émission ou de détection et offrent la possibilité de former des hétérostructures confinées dont la recombinaison est de type I, II ou III. Bien qu'il existe plusieurs publications sur la fabrication de dispositifs utilisant un alliage d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) qui émet ou détecte à une certaine longueur d'onde, les détails, à savoir comment sont déterminés les compositions et surtout les alignements de bande, sont rarement explicites. Très peu d'études fondamentales sur l'incorporation d'indium et d'arsenic sous forme de tétramères lors de l'épitaxie par jets moléculaires existent, et les méthodes afin de déterminer l'alignement des bandes des binaires qui composent ces alliages donnent des résultats variables. Un modèle a été construit et a permis de prédire l'alignement des bandes énergétiques des alliages d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) avec celles du GaSb pour l'ensemble des compositions possibles. Ce modèle tient compte des effets thermiques, des contraintes élastiques et peut aussi inclure le confinement pour des puits quantiques. De cette manière, il est possible de prédire la transition de type de recombinaison en fonction de la composition. Il est aussi montré que l'indium ségrègue en surface lors de la croissance par épitaxie par jets moléculaires d'In(x)Ga(1-x)Sb sur GaSb, ce qui avait déjà été observé pour ce type de matériau. Il est possible d'éliminer le gradient de composition à cette interface en mouillant la surface d'indium avant la croissance de l'alliage. L'épaisseur d'indium en surface dépend de la température et peut être évaluée par un modèle simple simulant la ségrégation. Dans le cas d'un puits quantique, il y aura une seconde interface GaSb sur In(x)Ga(1-x)Sb où l'indium de surface ira s'incorporer. La croissance de quelques monocouches de GaSb à basse température immédiatement après la croissance de l'alliage permet d'incorporer rapidement ces atomes d'indium et de garder la seconde interface abrupte. Lorsque la composition d'indium ne change plus dans la couche, cette composition correspond au rapport de flux d'atomes d'indium sur celui des éléments III. L'arsenic, dont la source fournit principalement des tétramères, ne s'incorpore pas de la même manière. Les tétramères occupent deux sites en surface et doivent interagir par paire afin de créer des dimères d'arsenic. Ces derniers pourront alors être incorporés dans l'alliage. Un modèle de cinétique de surface a été élaboré afin de rendre compte de la diminution d'incorporation d'arsenic en augmentant le rapport V/III pour une composition nominale d'arsenic fixe dans l'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y). Ce résultat s'explique par le fait que les réactions de deuxième ordre dans la décomposition des tétramères d'arsenic ralentissent considérablement la réaction d'incorporation et permettent à l'antimoine d'occuper majoritairement la surface. Cette observation montre qu'il est préférable d'utiliser une source de dimères d'arsenic, plutôt que de tétramères, afin de mieux contrôler la composition d'arsenic dans la couche. Des puits quantiques d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) sur GaSb ont été fabriqués et caractérisés optiquement afin d'observer le passage de recombinaison de type I à type II. Cependant, celui-ci n'a pas pu être observé puisque les spectres étaient dominés par un niveau énergétique dans le GaSb dont la source n'a pu être identifiée. Un problème dans la source de gallium pourrait être à l'origine de ce défaut et la résolution de ce problème est essentielle à la continuité de ces travaux.

Conception, caractérisation et optimisation de SPAD en technologie Dalsa HV CMOS 0.8 μm pour intégration dans un 3D-SiPM

Résumé : Les photodiodes à avalanche monophotonique (SPAD) sont d'intérêts pour les applications requérant la détection de photons uniques avec une grande résolution temporelle, comme en physique des hautes énergies et en imagerie médicale. En fait, les matrices de SPAD, souvent appelés photomultiplicateurs sur silicium (SiPM), remplacent graduellement les tubes photomultiplicateurs (PMT) et les photodiodes à avalanche (APD). De plus, il y a une tendance à utiliser les matrices de SPAD en technologie CMOS afin d'obtenir des pixels intelligents optimisés pour la résolution temporelle. La fabrication de SPAD en technologie CMOS commerciale apporte plusieurs avantages par rapport aux procédés optoélectroniques comme le faible coût, la capacité de production, l'intégration d'électronique et la miniaturisation des systèmes. Cependant, le défaut principal du CMOS est le manque de flexibilité de conception au niveau de l'architecture du SPAD, causé par le caractère fixe et standardisé des étapes de fabrication en technologie CMOS. Un autre inconvénient des matrices de SPAD CMOS est la perte de surface photosensible amenée par la présence de circuits CMOS. Ce document présente la conception, la caractérisation et l'optimisation de SPAD fabriqués dans une technologie CMOS commerciale (Teledyne DALSA 0.8µm HV CMOS - TDSI CMOSP8G). Des modifications de procédé sur mesure ont été introduites en collaboration avec l'entreprise CMOS pour optimiser les SPAD tout en gardant la compatibilité CMOS. Les matrices de SPAD produites sont dédiées à être intégrées en 3D avec de l'électronique CMOS économique (TDSI) ou avec de l'électronique CMOS submicronique avancée, produisant ainsi un SiPM 3D numérique. Ce SiPM 3D innovateur vise à remplacer les PMT, les APD et les SiPM commerciaux dans les applications à haute résolution temporelle. L'objectif principal du groupe de recherche est de développer un SiPM 3D avec une résolution temporelle de 10 ps pour usage en physique des hautes énergies et en imagerie médicale. Ces applications demandent des procédés fiables avec une capacité de production certifiée, ce qui justifie la volonté de produire le SiPM 3D avec des technologies CMOS commerciales. Ce mémoire étudie la conception, la caractérisation et l'optimisation de SPAD fabriqués en technologie TDSI-CMOSP8G.

Multiscale morphology design of hybrid halide perovskites through a polymeric template

Hybrid halide perovskites have emerged as promising active constituents of next generation solution processable optoelectronic devices. During their assembling process, perovskite components undergo very complex dynamic equilibria starting in solution and progressing throughout film formation. Finding a methodology to control and affect these equilibria, responsible for the unique morphological diversity observed in perovskite films, constitutes a fundamental step towards a reproducible material processability. Here we propose the exploitation of polymer matrices as cooperative assembling components of novel perovskite CH3NH3PbI3 : polymer composites, in which the control of the chemical interactions in solution allows a predictable tuning of the final film morphology. We reveal that the nature of the interactions between perovskite precursors and polymer functional groups, probed by Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy and Dynamic Light Scattering (DLS) techniques, allows the control of aggregates in solution whose characteristics are strictly maintained in the solid film, and permits the formation of nanostructures that are inaccessible to conventional perovskite depositions. These results demonstrate how the fundamental chemistry of perovskite precursors in solution has a paramount influence on controlling and monitoring the final morphology of CH3NH3PbI3 (MAPbI3) thin films, foreseeing the possibility of designing perovskite : polymer composites targeting diverse optoelectronic applications.

Development of Zirconia based phosphors for application in lighting and as luminescent bioprobes

The strong progress evidenced in photonic and optoelectronic areas, accompanied by an exponential development in the nanoscience and nanotechnology, gave rise to an increasing demand for efficient luminescent materials with more and more exigent characteristics. In this field, wide band gap hosts doped with lanthanide ions represent a class of luminescent materials with a strong technological importance. Within wide band gap material, zirconia owns a combination of physical and chemical properties that potentiate it as an excellent host for the aforementioned ions, envisaging its use in different areas, including in lighting and optical sensors applications, such as pressure sensors and biosensors. Following the demand for outstanding luminescent materials, there is also a request for fast, economic and an easy scale-up process for their production. Regarding these demands, laser floating zone, solution combustion synthesis and pulsed laser ablation in liquid techniques are explored in this thesis for the production of single crystals, nanopowders and nanoparticles of lanthanides doped zirconia based hosts. Simultaneously, a detailed study of the morphological, structural and optical properties of the produced materials is made. The luminescent characteristics of zirconia and yttria stabilized zirconia (YSZ) doped with different lanthanide ions (Ce3+ (4f1), Pr3+ (4f2), Sm3+ (4f5), Eu3+ (4f6), Tb3+ (4f8), Dy3+ (4f9), Er3+ (4f11), Tm3+ (4f12), Yb3+ (4f13)) and co-doped with Er3+,Yb3+ and Tm3+,Yb3+ are analysed. Besides the Stokes luminescence, the anti- Stokes emission upon infrared excitation (upconversion and black body radiation) is also analysed and discussed. The comparison of the luminescence characteristics in materials with different dimensions allowed to analyse the effect of size in the luminescent properties of the dopant lanthanide ions. The potentialities of application of the produced luminescent materials in solid state light, biosensors and pressure sensors are explored taking into account their studied characteristics.

Plasma diagnostics and ITO film deposition by RF-assisted closed-field dual magnetron system

Deposition of indium tin oxide (ITO) among various transparent conductive materials on flexible organic substrates has been intensively investigated among academics and industrials for a whole new array of imaginative optoelectronic products. One critical challenge coming with the organic materials is their poor thermal endurances, considering that the process currently used to produce industry-standard ITO usually involves relatively high substrate temperature in excess of 200°C and post-annealing. A lower processing temperature is thus demanded, among other desires of high deposition rate, large substrate area, good uniformity, and high quality of the deposited materials. For this purpose, we developed an RF-assisted closed-field dual magnetron sputtering system. The “prototype” system consists of a 3-inch unbalanced dual magnetron operated at a closed-field configuration. An RF coil was fabricated and placed between the two magnetron cathodes to initiate a secondary plasma. The concept is to increase the ionization faction with the RF enhancement and utilize the ion energy instead of thermal energy to facilitate the ITO film growth. The closed-field unbalanced magnetrons create a plasma in the intervening region rather than confine it near the target, thus achieving a large-area processing capability. An RF-compensated Langmuir probe was used to characterize and compare the plasmas in mirrored balanced and closed-field unbalanced magnetron configurations. The spatial distributions of the electron density ne and electron temperature Te were measured. The density profiles reflect the shapes of the plasma. Rather than intensively concentrated to the targets/cathodes in the balanced magnetrons, the plasma is more dispersive in the closed-field mode with a twice higher electron density in the substrate region. The RF assistance significantly enhances ne by one or two orders of magnitude higher. The effect of various other parameters, such as pressure, on the plasma was also studied. The ionization fractions of the sputtered atoms were measured using a gridded energy analyzer (GEA) combined with a quartz crystal microbalance (QCM). The presence of the RF plasma effectively increases the ITO ionization fraction to around 80% in both the balanced and closed-field unbalanced configurations. The ionization fraction also varies with pressure, maximizing at 5-10 mTorr. The study of the ionization not only facilitates understanding the plasma behaviors in the RF-assisted magnetron sputtering, but also provides a criterion for optimizing the film deposition process. ITO films were deposited on both glass and plastic (PET) substrates in the 3-inch RF-assisted closed-field magnetrons. The electrical resistivity and optical transmission transparency of the ITO films were measured. Appropriate RF assistance was shown to dramatically reduce the electrical resistivity. An ITO film with a resistivity of 1.2×10-3 Ω-cm and a visible light transmittance of 91% was obtained with a 225 W RF enhancement, while the substrate temperature was monitored as below 110°C. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was employed to confirm the ITO film stoichiometry. The surface morphology of the ITO films and its effect on the film properties were studied using atomic force microscopy (AFM). The prototype of RF-assisted closed-field magnetron was further extended to a larger rectangular shaped dual magnetron in a flat panel display manufacturing system. Similar improvement of the ITO film conductivities by the auxiliary RF was observed on the large-area PET substrates. Meanwhile, significant deposition rates of 25-42 nm/min were achieved.