Trasporte eléctrico y magnetismo en sistemas electrodo - aislante - electrodo: hacia el desarrollo de dispositivos del tipo juntura tunel.

La presente tesis es un estudio dedicado a la optimización y desarrollo de sistemas del tipo juntura túnel. La metodología utilizada para la realización de la tesis consistió, en primer lugar, en la optimización de las componentes independientes de la juntura túnel: electrodo y barrera aislante. Posteriormente se optimizaron los procesos de fabricación para el desarrollo y caracterización de dispositivos del tipo juntura túnel en su forma final. En la primera parte de la tesis se analizan detalladamente los resultados obtenidos de la caracterización eléctrica y topografica de barreras aislantes en sistemas electrodo - barrera. Los sistemas bicapas estudiados, GdBa_2Cu_3_7/SrTiO_3, Nb/Ba_0,05Sr_0,95TiO_3 y YBa_2Cu_3O_7/SrTiO_3, fueron caracterizados utilizando un microscopio de fuerza atómica en modo conductor. Se propuso un modelo fenomenológico basado en los resultados experimentales, que permitió la obtención de parámetros críticos para el desarrollo de dispositivos del tipo juntura túnel con nuevas funcionalidades. La información obtenida de la caracterización de los sistemas bicapas (homogeneidad de crecimiento, baja densidad de defectos y de pinholes) indican un muy buen control de los parámetros de crecimiento de las barreras. Por otro lado, se obtuvo un buen comportamiento aislante para espesores mayores a 2 nm sin la presencia de pinholes en la barrera. La similitud en la estequiometría de las barreras (SrTiO_3) permitió comparar los distintos sistemas estudiados en términos de conductividad eléctrica. Se verificó que el modelo fenomenológico permite comparar la conductividad eléctrica de los sistemas mediante uno de los parámetros definidos en el modelo fenomenológico (obtenido de los ajustes lineales de las curvas I(V)). De los 3 sistemas estudiados, las bicapas GdBa_2Cu_3O_7/SrTiO_3 presentaron un mayor valor de longitud de atenuación de los portadores de carga a través de la barrera y una muy baja densidad de defectos superficiales. Las bicapas YBa_2Cu_3O_7/SrTiO_3 y Nb/Ba_0,05Sr_0,95TiO_3 permitieron validar el modelo fenomenológico propuesto para el análisis de la respuesta corriente - voltaje obtenida con el microscopio de fuerza atómica en modo conductor. La segunda parte de la tesis abarca conceptos de magnetismo y microfabricación para el desarrollo de junturas túnel magnéticas. Durante la caracterización de las películas ferromagnéticas individuales de Co_90Fe_10 (CoFe) se logró aumentar valor del campo coercitivo de films de 10 nm de espesor al incrementar la temperatura de depósito. Esto se debe a un aumento del tamaño de grano de los films. El aumento de la temperatura del sustrato durante el crecimiento influye en la morfología y las propiedades magnéticas de los films de CoFe favoreciendo la formación de granos y la pérdida del eje preferencial de magnetización. Estos resultados permitieron la fabricación de sistemas Co_90Fe_10/M_gO/Co_90Fe_10 con distintas orientaciones relativas accesibles con campo magnético para el estudio del acople magnético entre los films de CoFe. La caracterización eléctrica de estos sistemas, particularmente la respuesta corriente - voltaje obtenida con el microscopio de fuerza atómica en modo conductor, indicó que las propiedades de transporte eléctrico de las junturas presentan un alto grado de reproducibilidad. Se analizó además la inuencia del sustrato utilizado en la corriente túnel que atraviesa la barrera aislante. Por otro lado, se discuten los fenómenos relacionados a la optimización de las propiedades magnéticas de electrodos ferromagnéticos para la fabricación de junturas túnel Co_90Fe_10/MgO/Co_90Fe_10 y Co_90Fe_10/MgO /Fe_20Ni_80. En particular, se estudió el acople magnético entre capas ferromagnéticas y la inuencia del sustrato utilizado para el crecimiento de las tricapas. La optimización de los electrodos magnéticos involucró el análisis de la inuencia de la presencia de un aislante entre dos capas magnéticas en el acople de los electrodos. Se logró el desacople de films de 10 nm de Co_90Fe_10 y Fe_20Ni_80 separados por un espaciador de MgO de 2 nm. Finalmente se detallan los pasos para la fabricación de una red de junturas túnel magnéticas y su caracterización eléctrica a bajas temperaturas. El sistema estudiado fue la tricapa Co_90Fe_10 (10 nm)/M_gO (8 nm)/ Fe_20Ni_80 (10 nm) crecido sobre un sustrato de M_gO. La caracterización eléctrica confirmó la buena calidad de la junturas fabricadas. Las junturas obtenidas presentaron un comportamiento altamente resistivo (~ MΩ). Las mediciones de la corriente túnel en función de la temperatura permitieron descartar la presencia de pinholes en la barrera. El transporte de los portadores de carga es por efecto túnel a través de la barrera aislante. Las curvas de conductancia diferencial permitieron calcular el valor medio de la altura de la barrera de potencial (φ = 3.1 eV) a partir del modelo de Brinkman. Los resultados obtenidos en cada uno de los capítulos se complementan y son relevantes para la optimización de junturas túnel, debido a que brindan información crítica para su correcto funcionamiento. En la presente tesis se lograron obtener los primeros avances para la fabricación de arreglos de junturas túnel que permitan el desarrollo de dispositivos.

Trasporte eléctrico y magnetismo en sistemas electrodo - aislante - electrodo: hacia el desarrollo de dispositivos del tipo juntura tunel.

La presente tesis es un estudio dedicado a la optimización y desarrollo de sistemas del tipo juntura túnel. La metodología utilizada para la realización de la tesis consistió, en primer lugar, en la optimización de las componentes independientes de la juntura túnel: electrodo y barrera aislante. Posteriormente se optimizaron los procesos de fabricación para el desarrollo y caracterización de dispositivos del tipo juntura túnel en su forma final. En la primera parte de la tesis se analizan detalladamente los resultados obtenidos de la caracterización eléctrica y topografica de barreras aislantes en sistemas electrodo - barrera. Los sistemas bicapas estudiados, GdBa_2Cu_3_7/SrTiO_3, Nb/Ba_0,05Sr_0,95TiO_3 y YBa_2Cu_3O_7/SrTiO_3, fueron caracterizados utilizando un microscopio de fuerza atómica en modo conductor. Se propuso un modelo fenomenológico basado en los resultados experimentales, que permitió la obtención de parámetros críticos para el desarrollo de dispositivos del tipo juntura túnel con nuevas funcionalidades. La información obtenida de la caracterización de los sistemas bicapas (homogeneidad de crecimiento, baja densidad de defectos y de pinholes) indican un muy buen control de los parámetros de crecimiento de las barreras. Por otro lado, se obtuvo un buen comportamiento aislante para espesores mayores a 2 nm sin la presencia de pinholes en la barrera. La similitud en la estequiometría de las barreras (SrTiO_3) permitió comparar los distintos sistemas estudiados en términos de conductividad eléctrica. Se verificó que el modelo fenomenológico permite comparar la conductividad eléctrica de los sistemas mediante uno de los parámetros definidos en el modelo fenomenológico (obtenido de los ajustes lineales de las curvas I(V)). De los 3 sistemas estudiados, las bicapas GdBa_2Cu_3O_7/SrTiO_3 presentaron un mayor valor de longitud de atenuación de los portadores de carga a través de la barrera y una muy baja densidad de defectos superficiales. Las bicapas YBa_2Cu_3O_7/SrTiO_3 y Nb/Ba_0,05Sr_0,95TiO_3 permitieron validar el modelo fenomenológico propuesto para el análisis de la respuesta corriente - voltaje obtenida con el microscopio de fuerza atómica en modo conductor. La segunda parte de la tesis abarca conceptos de magnetismo y microfabricación para el desarrollo de junturas túnel magnéticas. Durante la caracterización de las películas ferromagnéticas individuales de Co_90Fe_10 (CoFe) se logró aumentar valor del campo coercitivo de films de 10 nm de espesor al incrementar la temperatura de depósito. Esto se debe a un aumento del tamaño de grano de los films. El aumento de la temperatura del sustrato durante el crecimiento influye en la morfología y las propiedades magnéticas de los films de CoFe favoreciendo la formación de granos y la pérdida del eje preferencial de magnetización. Estos resultados permitieron la fabricación de sistemas Co_90Fe_10/M_gO/Co_90Fe_10 con distintas orientaciones relativas accesibles con campo magnético para el estudio del acople magnético entre los films de CoFe. La caracterización eléctrica de estos sistemas, particularmente la respuesta corriente - voltaje obtenida con el microscopio de fuerza atómica en modo conductor, indicó que las propiedades de transporte eléctrico de las junturas presentan un alto grado de reproducibilidad. Se analizó además la inuencia del sustrato utilizado en la corriente túnel que atraviesa la barrera aislante. Por otro lado, se discuten los fenómenos relacionados a la optimización de las propiedades magnéticas de electrodos ferromagnéticos para la fabricación de junturas túnel Co_90Fe_10/MgO/Co_90Fe_10 y Co_90Fe_10/MgO /Fe_20Ni_80. En particular, se estudió el acople magnético entre capas ferromagnéticas y la inuencia del sustrato utilizado para el crecimiento de las tricapas. La optimización de los electrodos magnéticos involucró el análisis de la inuencia de la presencia de un aislante entre dos capas magnéticas en el acople de los electrodos. Se logró el desacople de films de 10 nm de Co_90Fe_10 y Fe_20Ni_80 separados por un espaciador de MgO de 2 nm. Finalmente se detallan los pasos para la fabricación de una red de junturas túnel magnéticas y su caracterización eléctrica a bajas temperaturas. El sistema estudiado fue la tricapa Co_90Fe_10 (10 nm)/M_gO (8 nm)/ Fe_20Ni_80 (10 nm) crecido sobre un sustrato de M_gO. La caracterización eléctrica confirmó la buena calidad de la junturas fabricadas. Las junturas obtenidas presentaron un comportamiento altamente resistivo (~ MΩ). Las mediciones de la corriente túnel en función de la temperatura permitieron descartar la presencia de pinholes en la barrera. El transporte de los portadores de carga es por efecto túnel a través de la barrera aislante. Las curvas de conductancia diferencial permitieron calcular el valor medio de la altura de la barrera de potencial (φ = 3.1 eV) a partir del modelo de Brinkman. Los resultados obtenidos en cada uno de los capítulos se complementan y son relevantes para la optimización de junturas túnel, debido a que brindan información crítica para su correcto funcionamiento. En la presente tesis se lograron obtener los primeros avances para la fabricación de arreglos de junturas túnel que permitan el desarrollo de dispositivos.

Zero-bias conductance and energy gap measurements in LaNiO3-YBa2Cu3O7-x junctions

Conductance measurements of junctions between a high- superconductor and a metallic oxide have been carried out along the a-b plane to examine the tunnel-junction spectra. For these measurements, in situ films have been grown on c-axis oriented thin films using the pulsed laser deposition technique. Two distinctive energy gaps have been observed along with conductance peaks around zero bias. The analysis of zero-bias conductance and energy gap data suggests the presence of midgap states located at the centre of a finite energy gap. The results obtained are also in accordance with the d-wave nature of high- superconductors.

Direct Band-to-Band Tunneling in Reverse Biased MoS2 Nanoribbon p-n Junctions

We investigate the direct band-to-band tunneling (BTBT) in a reverse biased molybdenum disulfide (MoS2) nanoribbon p-n junction by analyzing the complex band structure obtained from semiempirical extended Huckel method under relaxed and strained conditions. It is demonstrated that the direct BTBT is improbable in relaxed monolayer nanoribbon; however, with the application of certain uniaxial tensile strain, the material becomes favorable for it. On the other hand, the relaxed bilayer nanoribbon is suitable for direct BTBT but becomes unfavorable when the applied uniaxial tensile or compressive strain goes beyond a certain limit. Considering the Wentzel-Kramers-Brillouin approximation, we evaluate the tunneling probability to estimate the tunneling current for a small applied reverse bias. Reasonably high tunneling current in the MoS2 nanoribbons shows that it can take advantage over graphene nanoribbon in future tunnel field-effect transistor applications.

Magnetic tunneling junctions with the Heusler compound Co 2 Cr 0.6 Fe 0.4 Al

Materialen mit sehr hoher Spinpolarisation werden für Anwendungen im Bereich der Spin-Elektronik benötigt. Deshalb werden große Forschungsanstrengungen zur Untersuchung der Eigenschaften von Verbindungen mit potentiell halbmetallischem Charakter, d. h.mit 100% Spinpolarisation, unternommen. In halbmetallischen Verbindungen, erwartet man eine Lücke in der Zustandsdichte an der Fermi Energie für Ladungsträger einer Spinrichtung, wahrend die Ladungsträger mit der anderen Spinrichtung sich metallisch verhalten. Eine Konsequenz davon ist, dass ein Strom, der durch solche Verbindung fließt, voll spinpolarisiert ist. Die hohe Curie-Temperatur Tc (800 K) und der theoretisch vorhergesagte halbmetallische Charakter machen Co2Cr0.6Fe0.4Al (CCFA) zu einem guten Kandidaten für Spintronik-Anwendungen wie magnetische Tunnelkontakte (MTJs = Magnetic Tunneling Junctions). In dieser Arbeit werden die Ergebnisse der Untersuchung der elektronischen und strukturellen Eigenschaften von dünnen CCFA Schichten dargestellt. Diese Schichten wurden in MTJs integriert und der Tunnel-Magnetowiderstands-Effekt untersucht. Hauptziele waren die Messung der Spinpolarisation und Untersuchungen der elektronischen Struktur von CCFA. Der Einfluss verschiedener Depositionsparameter auf die Eigenschaften der Schichten, speziell auf der Oberflächenordnung und damit letztlich auf den Tunnel-Magnetowiderstand (TMR), wurde bestimmt. Epitaktische d¨unne CCFA Schichten mit zwei verschiedenen Wachstumsrichtungen wurden auf verschiedene Substrate und Pufferschichten deponiert. Ein Temperverfahren wurde eingesetzt um die strukturelle Eigenschaften der dünnen Schichten zu verbessern. Für die MTJs wurde Al2O3 als Barrierenmaterial verwendet und Co als Gegenelektrode gewählt. Die Mehrschicht-Systeme wurden in Mesa-Geometrie mit lithographischen Methoden strukturiert. Eine maximal Jullière Spinpolarisation von 54% wurde an Tunnelkontakte mit epitaktischen CCFA Schichten gemessen. Ein starker Einfluss der Tempernbedingungen auf dem TMR wurde festgestellt. Eine Erhörung des TMR wurde mit einer Verbesserung der Oberflächenordung der CCFA Schichten korreliert. Spektroskopische Messungen wurden an den MTJs durchgeführt. Diesen Messungen liefern Hinweise auf inelastische Elektron-Magnon und Elektron-Phonon Stossprozesse an den Grenzflächen. Einige der beobachteten Strukturen konnten mit der berechneten elektronischen Struktur von CCFA korreliert worden.

Diesel bus emissions of submicrometer particles measured in a tunnel study

The emission factors of a bus fleet consisting of approximately three hundreds diesel powered buses were measured in a tunnel study under well controlled conditions during a two-day monitoring campaign in Brisbane. The number concentration of particles in the size range 0.017-0.7 m was monitored simultaneously by two Scanning Mobility Particle Sizers located at the tunnel’s entrance and exit. The mean value of the number emission factors was found to be (2.44±1.41)×1014 particles km-1. The results are in good agreement with the emission factors determined from steady-state dynamometer testing of 12 buses from the same Brisbane City bus fleet, thus indicating that when carefully designed, both approaches, the dynamometer and on-road studies, can provide comparable results, applicable for the assessment of the effect of traffic emissions on airborne particle pollution.

Two main challenges in service description : Web service tunnel vision and semantic myopia

Through media such as newspapers, letterbox flyers, corporate brochures and television we are regularly confronted with descriptions for conventional (bricks 'n' mortar style) services. These representations vary in the terminology utilised, the depth of the description, the aspects of the service that are characterised and their applicability to candidate service requestors. Existing service catalogues (such as the Yellow Pages) provide little relief for service requestors from the burdensome task of discovering, comparing and substituting services. Add to this environment the rapidly evolving area of web services with its associated surfeit of standards, and the result is a considerably fragmented approach to the description of services. It leaves the reality of the Semantic Web somewhat clouded. --------- Let's consider service description briefly, before discussing our concerns with existing approaches to description. The act of describing is performed prior to advertising. This simple fact provides an interesting paradox as services cannot be described exactly before advertisement. This doesn't mean they can't be described comprehensively. By "exactly", we are referring to the fact that context provided by a service requestor (and their service needs) will alter the description of the service that is presented to the discoverer. For example, a service provider who operates a cinema wants to describe the price of their service. Let's say the advertised price is $15. They also want to state that a pensioner discount and a student discount is available which provides a 50% discount. A customer (i.e. service requestor) uses the cinema web site to purchase tickets online. They find the movie of their choice at a time that suits. However, its not until some context is provided by the requestor that the exact price is determined. The requestor might state that they are a pensioner. The same is applicable for a service requestor who purchases multiple tickets perhaps on behalf of other people. The disconnect between when the service is described and when a requestor provides context introduces challenges to the description process. A service provider would be ill-advised to offer independent descriptions that represent all the permutations possible for a single service. The descriptive effort would be prohibitive.

On-road ultrafine particle concentration in the M5 East road tunnel, Sydney, Australia

The human health effects following exposure to ultrafine (<100nm) particles (UFPs) produced by fuel combustion, while not completely understood, are generally regarded as detrimental. Road tunnels have emerged as locations where maximum exposure to these particles may occur for the vehicle occupants using them. This study aimed to quantify and investigate the determinants of UFP concentrations in the 4km twin-bore (eastbound and westbound) M5 East tunnel in Sydney, Australia. Sampling was undertaken using a condensation particle counter (CPC) mounted in a vehicle traversing both tunnel bores at various times of day from May through July, 2006. Supplementary measurements were conducted in February, 2008. Over three hundred transects of the tunnel were performed, and these were distributed evenly between the bores. Additional comparative measurements were conducted on a mixed route comprising major roads and shorter tunnels, all within Sydney. Individual trip average UFP concentrations in the M5 East tunnel bores ranged from 5.53 × 104 p cm-3 to 5.95 × 106 p cm-3. Data were sorted by hour of capture, and hourly median trip average (HMA) UFP concentrations ranged from 7.81 × 104 p cm-3 to 1.73 × 106 p cm-3. Hourly median UFP concentrations measured on the mixed route were between 3.71 × 104 p cm-3 and 1.55 × 105 p cm-3. Hourly heavy diesel vehicle (HDV) traffic volume was a very good determinant of UFP concentration in the eastbound tunnel bore (R2 = 0.87), but much less so in the westbound bore (R2 = 0.26). In both bores, the volume of passenger vehicles (i.e. unleaded gasoline-powered vehicles) was a significantly poorer determinant of particle concentration. When compared with similar studies reported previously, the measurements described here were among the highest recorded concentrations, which further highlights the contribution road tunnels may make to the overall UFP exposure of vehicle occupants.

Identifying large truck hot spots using crash counts and PDOEs

Large trucks are involved in a disproportionately small fraction of the total crashes but a disproportionately large fraction of fatal crashes. Large truck crashes often result in significant congestion due to their large physical dimensions and from difficulties in clearing crash scenes. Consequently, preventing large truck crashes is critical to improving highway safety and operations. This study identifies high risk sites (hot spots) for large truck crashes in Arizona and examines potential risk factors related to the design and operation of the high risk sites. High risk sites were identified using both state of the practice methods (accident reduction potential using negative binomial regression with long crash histories) and a newly proposed method using Property Damage Only Equivalents (PDOE). The hot spots identified via the count model generally exhibited low fatalities and major injuries but large minor injuries and PDOs, while the opposite trend was observed using the PDOE methodology. The hot spots based on the count model exhibited large AADTs, whereas those based on the PDOE showed relatively small AADTs but large fractions of trucks and high posted speed limits. Documented site investigations of hot spots revealed numerous potential risk factors, including weaving activities near freeway junctions and ramps, absence of acceleration lanes near on-ramps, small shoulders to accommodate large trucks, narrow lane widths, inadequate signage, and poor lighting conditions within a tunnel.

Optimal traffic control at railway junctions

Conflict occurs when two or more trains approach the same junction within a specified time. Such conflicts result in delays. Current practices to assign the right of way at junctions achieve orderly and safe passage of the trains, but do not attempt to reduce the delays. A traffic controller developed in the paper assigns right of way to impose minimum total weighted delay on the trains. The traffic flow model and the optimisation technique used in this controller are described. Simulation studies of the performance of the controller are given.

The conflict resolution in connected railway junctions

Purpose of study: Traffic conflicts occur when trains on different routes approach a converging junction in a railway network at the same time. To prevent collisions, a right-of-way assignment is needed to control the order in which the trains should pass the junction. Such control action inevitably requires the braking and/or stopping of trains, which lengthens their travelling times and leads to delays. Train delays cause a loss of punctuality and hence directly affect the quality of service. It is therefore important to minimise the delays by devising a suitable right-of-way assignment. One of the major difficulties in attaining the optimal right-of-way assignment is that the number of feasible assignments increases dramatically with the number of trains. Connected-junctions further complicate the problem. Exhaustive search for the optimal solution is time-consuming and infeasible for area control (multi-junction). Even with the more intelligent deterministic optimisation method revealed in [1], the computation demand is still considerable, which hinders real-time control. In practice, as suggested in [2], the optimality may be traded off by shorter computation time, and heuristic searches provide alternatives for this optimisation problem.