Sub-micron structuring of silicon using femtosecond laser interferometry

We report the fabrication of planar sub-micron gratings in silicon with a period of 720 nm using a modified Michelson interferometer and femtosecond laser radiation. The gratings consist of alternated stripes of laser ablated and unmodified material. Ablated stripes are bordered by parallel ridges which protrude above the unmodified material. In the regions where ridges are formed, the laser radiation intensity is not sufficient to cause ablation. Nevertheless, melting and a significant temperature increase are expected, and ridges may be formed due to expansion of silicon during resolidification or silicon oxidation. These conclusions are consistent with the evolution of the stripes morphology as a function of the distance from the center of the grating. (C) 2013 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Multifunctional Biosensor Based on Localized Surface Plasmon Resonance for Monitoring Small Molecule–Protein Interaction

We report an optical sensor based on localized surface plasmon resonance (LSPR) to study small-molecule protein interaction combining high sensitivity refractive index sensing for quantitative binding information and subsequent conformation-sensitive plasmon-activated circular dichroism spectroscopy. The interaction of α-amylase and a small-size molecule (PGG, pentagalloyl glucose) was log concentration-dependent from 0.5 to 154 μM. In situ tests were additionally successfully applied to the analysis of real wine samples. These studies demonstrate that LSPR sensors to monitor small molecule–protein interactions in real time and in situ, which is a great advance within technological platforms for drug discovery.

Poly(2-hydroxyethyl methacrylate): A new star polymer

Multiarm star polymers are attractive materials due to their unusual bulk and solution properties. They are considered analogues of dendrimers with a wide range of applications, such as drug delivery, membranes, coatings and lithography.1 The advent of controlled polymerization made possible the existence of this unique class of organic nanoparticles (ONPs).2 Two major synthetic strategies are usually employed in the preparation of star polymers, the core-first and arm-first approaches. The core-first approach involves a controlled living polymerization using a multiarm initiator core while the arm-first methodology is based in the quenching of living polymers with multifunctional coupling agent or bifunctional vinyl compounds. Herein, we present the synthesis and characterization of a new star polymer, the multiarm star poly(2-hydroxyethyl methacrylate). The tetra-armed star polymer was prepared by reversible addition fragmentation chain-transfer (RAFT) polymerization using the core-first approach. The RAFT chain-transfer agent (RAFT CTA) pentaerythritol tetrakis[2-(dodecylthiocarbonothioylthio)-2-methylpropionate] was used as multiarm initiator core were 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA) was polymerized using AIBN as radical initiator. Structural characterization was performed by 1H NMR and FTIR. The new polymer is able to uptake large quantities of organic solvents, forming gels. The rheological behavior of these gels was also investigated.

Fabricació de Lents Zonals de Fresnel per aplicació als raigs X tous

Estudi elaborat a partir d’una estada al Paul Scherrer Institut del Maig a l’Octubre del 2006 amb l’ajuda i supervisió dels Dr. Konstantins Jefimovs i Dr. Christian David. Focalitzar raigs X tous és una necessitat essencial per al microanàlisis, la microscopia, i fer imatges en moltes Instal·lacions de Radiació Sincrotró. Les Lents Zonals de Fresnel (FZP, de la denominació anglesa “Fresnel Zone Plates”) han demostrat donar uns punts focals amb una resolució espacial destacada i una baixa il·luminació de fons. Tanmateix, la fabricació de FZP és complexa i no totalment reproduïble. A més a més, el temps de vida de les FZP és força curt, ja que estant situades sobre membranes de nitrur de silici molt fines i altament absorbents. Per tant, hem fet esforços per implementar FZP de silici, que s’espera que siguin més resistents. L’element està fet d’una oblia de cristall de silici poc absorbent, i no presenta cap interfase entre materials. Així doncs, aquestes lents són especialment adequades per a aguantar les extremes càrregues de radiació de les fonts de raigs X més brillants. Particularment, això és molt important per a les aplicacions a les pròximes generacions de fonts de raigs X, com els Làsers d’Electrons Lliures (FEL, de la denominació anglesa “Free Electron Laser”). El silici també garanteix que no hi hagi cap banda d’absorció en el rang d’energies de la finestra de l’aigua (200-520 eV), fent aquestes lents ideals per a fer imatges de mostres biològiques. En aquest informe, hi ha una descripció detallada de tots els passos involucrats en la fabricació de les Lents Zonals de Fresnel de silici. En resum, les estructures de FZP es modelen sobre una resina utilitzant litografia per feix d’electrons i llavors el patró es transmet al silici mitjançant un gravat d’ions reactius (RIE, de la denominació anglesa ‘Reactive Ion Etching’) utilitzant una fina (20 nm) màscara de Crintermitja. Les membranes de silici es poden aprimar després de la fabricació de les estructures per a garantir una transmissió suficient fins i tot a baixes energies. Aquest informe també inclou l’anàlisi i la discussió d’alguns experiments preliminars per avaluar el rendiment de les Si FZPs fets a la línia de llum PolLux del Swiss Ligth Source amb l’ajuda dels Dr. Jörg Raabe i Dr. George Tzvetkov.

Laser-induced forward transfer of liquids: Study of the droplet ejection process

Laser-induced forward transfer (LIFT) is a laser direct-write technique that offers the possibility of printing patterns with a high spatial resolution from a wide range of materials in a solid or liquid state, such as conductors, dielectrics, and biomolecules in solution. This versatility has made LIFT a very promising alternative to lithography-based processes for the rapid prototyping of biomolecule microarrays. Here, we study the transfer process through the LIFT of droplets of a solution suitable for microarray preparation. The laser pulse energy and beam size were systematically varied, and the effect on the transferred droplets was evaluated. Controlled transfers in which the deposited droplets displayed optimal features could be obtained by varying these parameters. In addition, the transferred droplet volume displayed a linear dependence on the laser pulse energy. This dependence allowed determining a threshold energy density value, independent of the laser focusing conditions, which acted as necessary conditions for the transfer to occur. The corresponding sufficient condition was given by a different total energy threshold for each laser beam dimension. The threshold energy density was found to be the dimensional parameter that determined the amount of the transferred liquid per laser pulse, and there was no substantial loss of material due to liquid vaporization during the transfer.

Diffraction grating couplers milled in Si3N4 rib waveguides with a focused ion beam

Focused ion beam milling is a processing technology which allows flexible direct writing of nanometer scale features efficiently substituting electron beam lithography. No mask need results in ability for patterns writing even on fragile micromechanical devices. In this work we studied the abilities of the tool for fabrication of diffraction grating couplers in silicon nitride waveguides. The gratings were fabricated on a chip with extra fragile cantilevers of sub micron thickness. Optical characterization of the couplers was done using excitation of the waveguides in visible range by focused Gaussian beams of different waist sizes. Influence of Ga+ implantation on the device performance was studied.

PEN as substrate for new solar cell technologies

The possible use of polyethylene naphthalate as substrate for low-temperature deposited solar cells has been studied in this paper. The transparency of this polymer makes it a candidate to be used in both substrate and superstrate configurations. ZnO:Al has been deposited at room temperature on top of PEN. The resulting structure PEN/ZnO:Al presented good optical and electrical properties. PEN has been successfully textured (nanometer and micrometer random roughness) using hot-embossing lithography. Reflector structures have been built depositing Ag and ZnO:Al on top of the stamped polymer. The deposition of these layers did not affect the final roughness of the whole. The reflector structure has been morphologically and optically analysed to verify its suitability to be used in solar cells.

Anisotropic surface properties of micro/nanostructured a-C:H:F thin films with self-assembly applications

The singular properties of hydrogenated amorphous carbon (a-C:H) thin filmsdeposited by pulsed DC plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD), such as hardness and wear resistance, make it suitable as protective coating with low surface energy for self-assembly applications. In this paper, we designed fluorine-containing a-C:H (a-C:H:F) nanostructured surfaces and we characterized them for self-assembly applications. Sub-micron patterns were generated on silicon through laser lithography while contact angle measurements, nanotribometer, atomic force microscopy (AFM), and scanning electron microscopy (SEM) were used to characterize the surface. a-C:H:F properties on lithographied surfaces such as hydrophobicity and friction were improved with the proper relative quantity of CH4 and CHF3 during deposition, resulting in ultrahydrophobic samples and low friction coefficients. Furthermore, these properties were enhanced along the direction of the lithographypatterns (in-plane anisotropy). Finally, self-assembly properties were tested with silicananoparticles, which were successfully assembled in linear arrays following the generated patterns. Among the main applications, these surfaces could be suitable as particle filter selector and cell colony substrate.

COMPARAÇÃO E CONSTRUÇÃO DE REATORES DE "MILD" E "HARD ANODISATION" PARA FABRICAÇÃO DE ALUMINA ANÓDICA POROSA

The mild anodization (MA) reactor is exemplified for its operational simplicity and its excellent control over the experimental parameters that are involved in the anodization process. This method provides porous anodic alumina films with a regular cell-arrangement structure. This offers a better cost-benefit ratio than the other equipment configurations that are used to fabricate nanoporous structures (i.e., ion beam lithography). Conversely, the hard anodization (HA) reactor produces oxides at a rate that is 25 to 35 times faster than the MA reactor. The produced oxides also have greater layer thicknesses and interpore distance, and with a uniform nanopore spatial order (> 1000). In contrast to MA reactors, the construction of an HA reactor requires special components to maintain anodisation at a high potential regime. Herein, we describe and compare both reactors from a technical viewpoint.

Reducing contact resistance in graphene devices

In this thesis, the contact resistance of graphene devices was investigated because high contact resistance is detrimental to the performance of graphene field-effect transistors (GFET). Method for increasing so-called edge-contact area was applied in device fabrication process, as few nanometers thick Ni layer was used as a catalytic etchant during the annealing process. Finally, Ni was also used as a metal for contact. GFETs were fabricated using electron beam lithography using graphene fabricated by chemical vapor deposition (CVD). Critical part of the fabrication process was to preserve the high quality of the graphene channel while etching the graphene at contact areas with Ni during the annealing. This was achieved by optimizing the combination of temperature and gas flows. The structural properties of graphene were studied using scanning electron microscopy, scanning confocal μ-Raman spectroscopy and optical microscopy. Evaluation of electric transport properties including contact resistance was carried out by transmission line method and four-probe method. The lowest contact resistance found was about at 350 Ωμm. In addition, different methods to transfer CVD graphene synthesized on copper were studied. Typical method using PMMA as a supporting layer leaves some residues after its removal, thus effecting on the performance of a graphene devices. In a metal assisted transfer method, metal is used as an interfacial layer between PMMA and graphene. This allows more effective removal of PMMA. However, Raman spectra of graphene transferred by metal assisted method showed somewhat lower quality than the PMMA assisted method

Propriétés optiques et analytiques des nanotrous : vers la conception de biocapteurs en résonance des plasmons de surface localisés

Les biocapteurs sont utilisés quotidiennement pour déterminer la présence de molécules biologiques dans une matrice complexe, comme l’urine pour les tests de grossesses ou le sang pour les glucomètres. Les techniques courantes pour la détection des autres maladies nécessitent fréquemment le marquage de l’analyte avec une autre molécule, ce qui est à éviter pour fin de simplicité d’analyse. Ces travaux ont pour but la maximisation de la sensibilité d’une surface d’or ou d’argent nanotrouée, afin de permettre la détection de la liaison de molécules biologiques par résonance des plasmons de surface localisés (LSPR), en utilisant la spectroscopie de transmission. Un biocapteur portable, rapide et sans marquage pour quantifier des analytes d’intérêt médical ou environnemental pourrait être construit à partir de ces travaux. Dans l’objectif d’étudier de nombreuses configurations pour maximiser la sensibilité, le temps et le coût des méthodes de fabrication de nanostructures habituelles auraient limité le nombre de surfaces nanotrouées pouvant être étudiées. Un autre objectif du projet consiste donc au développement d’une technique de fabrication rapide de réseaux de nanotrous, et à moindres coûts, basée sur la lithographie de nanosphères (NSL) et sur la gravure au plasma à l’oxygène (RIE). La sensibilité à la variation d’indice de réfraction associée aux liaisons de molécules sur la surface du métal noble et la longueur d’onde d’excitation du plasmon de surface sont influencées par les caractéristiques des réseaux de nanotrous. Dans les travaux rapportés ici, la nature du métal utilisé, le diamètre ainsi que la périodicité des trous sont variés pour étudier leur influence sur les bandes LSPR du spectre en transmission pour maximiser cette sensibilité, visant la fabrication d’un biocapteur. Les surfaces d’argent, ayant un diamètre de nanotrous inférieur à 200 nm pour une périodicité de 450 nm et les nanotrous d’une périodicité de 650 nm démontre un potentiel de sensibilité supérieur.

Fabrication des films microstructurés et leurs caractéristiques en spectroscopie de résonance des plasmons de surface

Cette thèse caractérise les propriétés optiques des matériaux plasmoniques microstructurés et procède à l’évaluation des paramètres analytiques afin de les employer comme plateforme de biodétection en spectroscopie de résonance des plasmons de surface (SPR). Aux dimensions micrométriques, les matériaux plasmoniques présentent des caractéristiques optiques propres aux nano- et macromatériaux. La cartographie physicooptiques en SPR de matériaux méso- et microscopiques s’est effectuée à l’aide de films structurés de motifs périodiques triangulaires et circulaires fabriqués par une technique modifiée de lithographie par nanosphères (nanosphere lithography, NSL). À partir de cette vue d’ensemble, quelques films structurés ont été sélectionné en fonction d’aspects analytiques tels que la sensibilité et la résolution face aux variations d’indice de réfraction (RI) pour déterminer le potentiel de ces matériaux comme plateforme de biodetection. Les propriétés optiques distinctes des films microstructurés proviennent d’interactions résonantes entre les modes de plasmons de surface (SP) localisé et délocalisé identifiés par la relation de dispersion en SPR ainsi que l’imagerie Raman. Les conditions de résonance des modes SP dépendant de paramètres expérimentaux (λ, θ, η) tel qu’observés numériquement par rigorous coupled wave analysis (RCWA) et empiriquement. Ces travaux démontrent la nature plasmonique distincte des micro-matériaux et leur potentiel d’intégration aux techniques analytiques SPR existantes. Les matériaux plasmoniques micrométriques furent également étudiés pour l’implémentation de la SPR à une pointe de microscopie à force atomique (atomic force microscopy, AFM) combinant ainsi la spectroscopie à l’imagerie topographique. Des travaux préliminaires se sont concentrés sur la signature spectroscopique de leviers en silicium (Si) et en nitrure de silicium (Si3N4), l’impact d’un revêtement d’or sur les pointes et l’influence de milieu environnant. Une image d’origine plasmonique a été obtenue avec des leviers en Si3N4 revêtus d’or en transmission dans un environnement aqueux, indiquant ainsi le potentiel de ces pointes comme micro-biocapteur SPR. Ces résultats préliminaires servent de fondement pour orienter les prochaines investigations dans ce projet.

Le façonnement identitaire des Européens d'Algérie avant la Guerre (1890-1914) : le rôle des cartes postales de scènes de rue

Ce mémoire analyse deux cartes postales de la ville d’Alger qui représentent des espaces publics. Ces espaces publics montrent des gens de communautés mixtes. Les cartes ont été produites à Alger entre 1890 et 1914 environ, une période qui fait coïncider l’essor de ce médium avec celui de la colonisation européenne en Algérie. Le corpus a été choisi parce qu’il diffère de la production générale de cartes postales algériennes ainsi que de l’ensemble des images représentant l’Algérie, en peinture, en lithographie et en photographie. Cette spécificité de notre corpus nous permet de soutenir l’existence d’une consommation locale de cartes postales à Alger, de la part de la communauté européenne. Pour appuyer notre argument, nous faisons une étude comparative avec Cagayous, un feuilleton très populaire parmi les Européens à Alger. Les chercheurs considèrent ce feuilleton représentatif de cette population et du contexte local. Nous montrons que, même si ces cartes postales semblent plus réalistes que les images orientalistes typiques, elles ne sont pas dépourvues de stratégies visuelles et idéologiques rattachées au système colonial. Ces stratégies sont détaillées et analysées au cours de cette étude.

Affectation de composantes basée sur des contraintes énergétiques dans une architecture multiprocesseurs en trois dimensions

La lithographie et la loi de Moore ont permis des avancées extraordinaires dans la fabrication des circuits intégrés. De nos jours, plusieurs systèmes très complexes peuvent être embarqués sur la même puce électronique. Les contraintes de développement de ces systèmes sont tellement grandes qu’une bonne planification dès le début de leur cycle de développement est incontournable. Ainsi, la planification de la gestion énergétique au début du cycle de développement est devenue une phase importante dans la conception de ces systèmes. Pendant plusieurs années, l’idée était de réduire la consommation énergétique en ajoutant un mécanisme physique une fois le circuit créé, comme par exemple un dissipateur de chaleur. La stratégie actuelle est d’intégrer les contraintes énergétiques dès les premières phases de la conception des circuits. Il est donc essentiel de bien connaître la dissipation d’énergie avant l’intégration des composantes dans une architecture d’un système multiprocesseurs de façon à ce que chaque composante puisse fonctionner efficacement dans les limites de ses contraintes thermiques. Lorsqu’une composante fonctionne, elle consomme de l’énergie électrique qui est transformée en dégagement de chaleur. Le but de ce mémoire est de trouver une affectation efficace des composantes dans une architecture de multiprocesseurs en trois dimensions en tenant compte des limites des facteurs thermiques de ce système.

Spontane Strukturbildung in Mehrschichtsystemen unter Verwendung Molekularer Gläser

Den Schwerpunkt dieser Dissertation bildet zum einen die Entwicklung eines theoretischen Modells zur Beschreibung des Strukturbildungsprozesses in organisch/anorganischen Doppelschichtsystemen und zum anderen die Untersuchung der Übertragbarkeit dieser theoretisch gewonnenen Ergebnisse auf reale Systeme. Hierzu dienen systematische experimentelle Untersuchungen dieses Phänomens an einem Testsystem. Der Bereich der selbstorganisierenden Systeme ist von hohem wissenschaftlichen Interesse, erlaubt er doch die Realisierung von Strukturen, die nicht den Begrenzungen heutiger Techniken unterliegen, wie etwa der Beugung bei lithographischen Verfahren. Darüber hinaus liefert ein vertieftes Verständnis des Strukturbildungsprozesses auch eine Möglichkeit, im Falle entsprechender technischer Anwendungen Instabilitäten innerhalb der Schichtsysteme zu verhindern und somit einer Degradation der Bauteile entgegenzuwirken. Im theoretischen Teil der Arbeit konnte ein Modell im Rahmen der klassischen Elastizitätstheorie entwickelt werden, mit dessen Hilfe sich die Entstehung der Strukturen in Doppelschichtsystemen verstehen läßt. Der hier gefundene funktionale Zusammenhang zwischen der Periode der Strukturen und dem Verhältnis der Schichtdicken von organischer und anorganischer Schicht, wird durch die experimentellen Ergebnisse sehr gut bestätigt. Die Ergebnisse zeigen, daß es technologisch möglich ist, über die Vorgabe der Schichtdicke in einem Materialsystem die Periodizität der entstehenden Strukturen vorzugeben. Darüber hinaus liefert das vorgestellte Modell eine Stabilitätsbedingung für die Schichtsysteme, die es ermöglicht, zu jedem Zeitpunkt die dominierende Mode zu identifizieren. Ein Schwerpunkt der experimentellen Untersuchungen dieser Arbeit liegt auf der Strukturbildung innerhalb der Schichtsysteme. Das Testsystem wurde durch Aufbringen einer organischen Schicht - eines sog. Molekularen Glases - auf ein Glassubstrat realisiert, als Deckschicht diente eine Siliziumnitrid-Schicht. Es wurden Proben mit variierenden Schichtdicken kontrolliert erwärmt. Sobald die Temperatur des Schichtsystems in der Größenordnung der Glasübergangstemperatur des jeweiligen organischen Materials lag, fand spontan eine Strukturbildung auf Grund einer Spannungsrelaxation statt. Es ließen sich durch die Wahl einer entsprechenden Heizquelle unterschiedliche Strukturen realisieren. Bei Verwendung eines gepulsten Lasers, also einer kreisförmigen Wärmequelle, ordneten sich die Strukturen konzentrisch an, wohingegen sich ihre Ausrichtung bei Verwendung einer flächenhaften Heizplatte statistisch verteilte. Auffällig bei allen Strukturen war eine starke Modulation der Oberfläche. Ferner konnte in der Arbeit gezeigt werden, daß sich durch eine gezielte Veränderung der Spannungsverteilung innerhalb der Schichtsysteme die Ausrichtung der Strukturen (gezielt) manipulieren ließen. Unabhängig davon erlaubte die Variation der Schichtdicken die Realisierung von Strukturen mit einer Periodizität im Bereich von einigen µm bis hinunter zu etwa 200 nm. Die Kontrolle über die Ausrichtung und die Periodizität ist Grundvoraussetzung für eine zukünftige technologische Nutzung des Effektes zur kontrollierten Herstellung von Mikro- bzw. Nanostrukturen. Darüber hinaus konnte ein zunächst von der Strukturbildung unabhängiges Konzept eines aktiven Sensors für die optische Raster-Nahfeld-Mikroskopie vorgestellt werden, das das oben beschriebene System, bestehend aus einem fluoreszierenden Molekularen Glas und einer Siliziumnitrid-Deckschicht, verwendet. Erste theoretische und experimentelle Ergebnisse zeigen das technologische Potential dieses Sensortyps.