Mécanismes de déformation de nanoparticules d’Au par irradiation ionique

Résumé Dans la présente thèse, nous avons étudié la déformation anisotrope par bombardement ionique de nanoparticules d'or intégrées dans une matrice de silice amorphe ou d'arséniure d’aluminium cristallin. On s’est intéressé à la compréhension du mécanisme responsable de cette déformation pour lever toute ambigüité quant à l’explication de ce phénomène et pour avoir une interprétation consistante et unique. Un procédé hybride combinant la pulvérisation et le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma a été utilisé pour la fabrication de couches nanocomposites Au/SiO2 sur des substrats de silice fondue. Des structures à couches simples et multiples ont été obtenues. Le chauffage pendant ou après le dépôt active l’agglomération des atomes d’Au et par conséquent favorise la croissance des nanoparticules. Les nanocomposites Au/AlAs ont été obtenus par implantation ionique de couches d’AlAs suivie de recuit thermique rapide. Les échantillons des deux nanocomposites refroidis avec de l’azote liquide ont été irradiés avec des faisceaux de Cu, de Si, d’Au ou d’In d’énergie allant de 2 à 40 MeV, aux fluences s'étendant de 1×1013 à 4×1015 ions/cm2, en utilisant le Tandem ou le Tandetron. Les propriétés structurales et morphologiques du nanocomposite Au/SiO2 sont extraites en utilisant des techniques optiques car la fréquence et la largeur de la résonance plasmon de surface dépendent de la forme et de la taille des nanoparticules, de leur concentration et de la distance qui les séparent ainsi que des propriétés diélectriques du matériau dans lequel les particules sont intégrées. La cristallinité de l’arséniure d’aluminium est étudiée par deux techniques: spectroscopie Raman et spectrométrie de rétrodiffusion Rutherford en mode canalisation (RBS/canalisation). La quantité d’Au dans les couches nanocomposites est déduite des résultats RBS. La distribution de taille et l’étude de la transformation de forme des nanoparticules métalliques dans les deux nanocomposites sont déterminées par microscopie électronique en transmission. Les résultats obtenus dans le cadre de ce travail ont fait l’objet de trois articles de revue. La première publication montre la possibilité de manipuler la position spectrale et la largeur de la bande d’absorption des nanoparticules d’or dans les nanocomposites Au/SiO2 en modifiant leur structure (forme, taille et distance entre particules). Les nanoparticules d’Au obtenues sont presque sphériques. La bande d’absorption plasmon de surface (PS) correspondante aux particules distantes est située à 520 nm. Lorsque la distance entre les particules est réduite, l’interaction dipolaire augmente ce qui élargit la bande de PS et la déplace vers le rouge (602 nm). Après irradiation ionique, les nanoparticules sphériques se transforment en ellipsoïdes alignés suivant la direction du faisceau. La bande d’absorption se divise en deux bandes : transversale et longitudinale. La bande correspondante au petit axe (transversale) est décalée vers le bleu et celle correspondante au grand axe (longitudinale) est décalée vers le rouge indiquant l’élongation des particules d’Au dans la direction du faisceau. Le deuxième article est consacré au rôle crucial de la déformation plastique de la matrice et à l’importance de la mobilité des atomes métalliques dans la déformation anisotrope des nanoparticules d’Au dans les nanocomposites Au/SiO2. Nos mesures montrent qu'une valeur seuil de 2 keV/nm (dans le pouvoir d'arrêt électronique) est nécessaire pour la déformation des nanoparticules d'or. Cette valeur est proche de celle requise pour la déformation de la silice. La mobilité des atomes d’Au lors du passage d’ions est confirmée par le calcul de la température dans les traces ioniques. Le troisième papier traite la tentative de formation et de déformation des nanoparticules d’Au dans une matrice d’arséniure d’aluminium cristallin connue pour sa haute résistance à l’amorphisation et à la déformation sous bombardement ionique. Le résultat principal de ce dernier article confirme le rôle essentiel de la matrice. Il s'avère que la déformation anisotrope du matériau environnant est indispensable pour la déformation des nanoparticules d’or. Les résultats expérimentaux mentionnés ci-haut et les calculs de températures dans les traces ioniques nous ont permis de proposer le scénario de déformation anisotrope des nanoparticules d’Au dans le nanocomposite Au/SiO2 suivant: - Chaque ion traversant la silice fait fondre brièvement un cylindre étroit autour de sa trajectoire formant ainsi une trace latente. Ceci a été confirmé par la valeur seuil du pouvoir d’arrêt électronique. - L’effet cumulatif des impacts de plusieurs ions conduit à la croissance anisotrope de la silice qui se contracte dans la direction du faisceau et s’allonge dans la direction perpendiculaire. Le modèle de chevauchement des traces ioniques (overlap en anglais) a été utilisé pour valider ce phénomène. - La déformation de la silice génère des contraintes qui agissent sur les nanoparticules dans les plans perpendiculaires à la trajectoire de l’ion. Afin d’accommoder ces contraintes les nanoparticules d’Au se déforment dans la direction du faisceau. - La déformation de l’or se produit lorsqu’il est traversé par un ion induisant la fusion d’un cylindre autour de sa trajectoire. La mobilité des atomes d’or a été confirmée par le calcul de la température équivalente à l’énergie déposée dans le matériau par les ions incidents. Le scénario ci-haut est compatible avec nos données expérimentales obtenues dans le cas du nanocomposite Au/SiO2. Il est appuyé par le fait que les nanoparticules d’Au ne se déforment pas lorsqu’elles sont intégrées dans l’AlAs résistant à la déformation.

Mesure des champs de radiation dans le détecteur ATLAS et sa caverne avec les détecteurs au silicium à pixels ATLAS-MPX

Les collisions proton-proton produites par le LHC imposent un environnement radiatif hostile au détecteur ATLAS. Afin de quantifier les effets de cet environnement sur la performance du détecteur et la sécurité du personnel, plusieurs simulations Monte Carlo ont été réalisées. Toutefois, la mesure directe est indispensable pour suivre les taux de radiation dans ATLAS et aussi pour vérifier les prédictions des simulations. À cette fin, seize détecteurs ATLAS-MPX ont été installés à différents endroits dans les zones expérimentale et technique d'ATLAS. Ils sont composés d'un détecteur au silicium à pixels appelé MPX dont la surface active est partiellement recouverte de convertisseurs de neutrons thermiques, lents et rapides. Les détecteurs ATLAS-MPX mesurent en temps réel les champs de radiation en enregistrant les traces des particules détectées sous forme d'images matricielles. L'analyse des images acquises permet d'identifier les types des particules détectées à partir des formes de leurs traces. Dans ce but, un logiciel de reconnaissance de formes appelé MAFalda a été conçu. Étant donné que les traces des particules fortement ionisantes sont influencées par le partage de charge entre pixels adjacents, un modèle semi-empirique décrivant cet effet a été développé. Grâce à ce modèle, l'énergie des particules fortement ionisantes peut être estimée à partir de la taille de leurs traces. Les convertisseurs de neutrons qui couvrent chaque détecteur ATLAS-MPX forment six régions différentes. L'efficacité de chaque région à détecter les neutrons thermiques, lents et rapides a été déterminée par des mesures d'étalonnage avec des sources connues. L'étude de la réponse des détecteurs ATLAS-MPX à la radiation produite par les collisions frontales de protons à 7TeV dans le centre de masse a montré que le nombre de traces enregistrées est proportionnel à la luminosité du LHC. Ce résultat permet d'utiliser les détecteurs ATLAS-MPX comme moniteurs de luminosité. La méthode proposée pour mesurer et étalonner la luminosité absolue avec ces détecteurs est celle de van der Meer qui est basée sur les paramètres des faisceaux du LHC. Vu la corrélation entre la réponse des détecteurs ATLAS-MPX et la luminosité, les taux de radiation mesurés sont exprimés en termes de fluences de différents types de particules par unité de luminosité intégrée. Un écart significatif a été obtenu en comparant ces fluences avec celles prédites par GCALOR qui est l'une des simulations Monte Carlo du détecteur ATLAS. Par ailleurs, les mesures effectuées après l'arrêt des collisions proton-proton ont montré que les détecteurs ATLAS-MPX permettent d'observer la désintégration des isotopes radioactifs générés au cours des collisions. L'activation résiduelle des matériaux d'ATLAS peut être mesurée avec ces détecteurs grâce à un étalonnage en équivalent de dose ambiant.

Some classes of Turker equivalent graphs

Two graphs G and H are Turker equivalent if they have the same set of Turker angles. In this paper some Turker equivalent family of graphs are obtained.

A Comaparison Study of EM and Physical Equivalent Circuit Modeling for MIM CMOS Capacitors

In this Letter a new physical model for metal-insulatormetal CMOS capacitors is presented. In the model the parameters of the circuit are derived from the physical structural details. Physical behaviors due to metal skin effect and inductance have been considered. The model has been confirmed by 3D EM simulator and design rules proposed. The model presented is scalable with capacitor geometry, allowing designers to predict and optimize quality factor. The approach has been verified for MIM CMOS capacitors

Photothermal deflection measurement on heat transport in GaAs epitaxial layers

In this paper, we report the in-plane and cross-plane measurements of the thermal diffusivity of double epitaxial layers of n-type GaAs doped with various concentrations of Si and a p-type Be-doped GaAs layer grown on a GaAs substrate by the molecular beam epitaxial method, using the laser-induced nondestructive photothermal deflection technique. The thermal diffusivity value is evaluated from the slope of the graph of the phase of the photothermal deflection signal as a function of pump-probe offset. Analysis of the data shows that the cross-plane thermal diffusivity is less than that of the in-plane thermal diffusivity. It is also seen that the doping concentration has a great influence on the thermal diffusivity value. Measurement of p-type Be-doped samples shows that the nature of the dopant also influences the effective thermal diffusivity value. The results are interpreted in terms of a phonon-assisted heat transfer mechanism and the various scattering process involved in the propagation of phonons.

Photothermal deflection measurement on heat transport in GaAs epitaxial layers

In this paper, we report the in-plane and cross-plane measurements of the thermal diffusivity of double epitaxial layers of n-type GaAs doped with various concentrations of Si and a p-type Be-doped GaAs layer grown on a GaAs substrate by the molecular beam epitaxial method, using the laser-induced nondestructive photothermal deflection technique. The thermal diffusivity value is evaluated from the slope of the graph of the phase of the photothermal deflection signal as a function of pump-probe offset. Analysis of the data shows that the cross-plane thermal diffusivity is less than that of the in-plane thermal diffusivity. It is also seen that the doping concentration has a great influence on the thermal diffusivity value. Measurement of p-type Be-doped samples shows that the nature of the dopant also influences the effective thermal diffusivity value. The results are interpreted in terms of a phonon-assisted heat transfer mechanism and the various scattering process involved in the propagation of phonons

Photothermal deflection measurement on heat transport in GaAs epitaxial layers

In this paper, we report the in-plane and cross-plane measurements of the thermal diffusivity of double epitaxial layers of n-type GaAs doped with various concentrations of Si and a p-type Be-doped GaAs layer grown on a GaAs substrate by the molecular beam epitaxial method, using the laser-induced nondestructive photothermal deflection technique. The thermal diffusivity value is evaluated from the slope of the graph of the phase of the photothermal deflection signal as a function of pump-probe offset. Analysis of the data shows that the cross-plane thermal diffusivity is less than that of the in-plane thermal diffusivity. It is also seen that the doping concentration has a great influence on the thermal diffusivity value. Measurement of p-type Be-doped samples shows that the nature of the dopant also influences the effective thermal diffusivity value. The results are interpreted in terms of a phonon-assisted heat transfer mechanism and the various scattering process involved in the propagation of phonons

Photothermal deflection studies of GaAs epitaxial layers

Photothermal beam deflection studies were carried out with GaAs epitaxial double layers grown on semi-insulating GaAs substrates. The impurity densities in thin epitaxial layers were found to influence the effective thermal diffusivity of the entire structure.

Photoacoustic study of the effect of doping concentration on the transport properties of GaAs epitaxial layers

We report a photoacoustic (PA) study of the thermal and transport properties of a GaAs epitaxial layer doped with Si at varying doping concentration, grown on GaAs substrate by molecular beam epitaxy. The data are analyzed on the basis of Rosencwaig and Gersho’s theory of the PA effect. The amplitude of the PA signal gives information about various heat generation mechanisms in semiconductors. The experimental data obtained from the measurement of the PA signal as a function of modulation frequency in a heat transmission configuration were fitted with the phase of PA signal obtained from the theoretical model evaluated by considering four parameters—viz., thermal diffusivity, diffusion coefficient, nonradiative recombination time, and surface recombination velocity—as adjustable parameters. It is seen from the analysis that the photoacoustic technique is sensitive to the changes in the surface states depend on the doping concentration. The study demonstrates the effectiveness of the photoacoustic technique as a noninvasive and nondestructive method to measure and evaluate the thermal and transport properties of epitaxial layers.

Photoacoustic measurement of transport properties in doped GaAs epitaxial layers

The photoacoustic technique under heat transmission configuration is used to determine the effect of doping on both the thermal and transport properties of p- and n-type GaAs epitaxial layers grown on GaAs substrate by the molecular beam epitaxial method. Analysis of the data is made on the basis of the theoretical model of Rosencwaig and Gersho. Thermal and transport properties of the epitaxial layers are found by fitting the phase of the experimentally obtained photoacoustic signal with that of the theoretical model. It is observed that both the thermal and transport properties, i.e. thermal diffusivity, diffusion coefficient, surface recombination velocity and nonradiative recombination time, depend on the type of doping in the epitaxial layer. The results clearly show that the photoacoustic technique using heat transmission configuration is an excellent tool to study the thermal and transport properties of epitaxial layers under different doping conditions.

Preparation and Characterization ofHigh-k Aluminum Oxide Thin Films by Atomic Layer Deposition for Gate Dielectric Applications

Present work deals with the Preparation and characterization of high-k aluminum oxide thin films by atomic layer deposition for gate dielectric applications.The ever-increasing demand for functionality and speed for semiconductor applications requires enhanced performance, which is achieved by the continuous miniaturization of CMOS dimensions. Because of this miniaturization, several parameters, such as the dielectric thickness, come within reach of their physical limit. As the required oxide thickness approaches the sub- l nm range, SiO 2 become unsuitable as a gate dielectric because its limited physical thickness results in excessive leakage current through the gate stack, affecting the long-term reliability of the device. This leakage issue is solved in the 45 mn technology node by the integration of high-k based gate dielectrics, as their higher k-value allows a physically thicker layer while targeting the same capacitance and Equivalent Oxide Thickness (EOT). Moreover, Intel announced that Atomic Layer Deposition (ALD) would be applied to grow these materials on the Si substrate. ALD is based on the sequential use of self-limiting surface reactions of a metallic and oxidizing precursor. This self-limiting feature allows control of material growth and properties at the atomic level, which makes ALD well-suited for the deposition of highly uniform and conformal layers in CMOS devices, even if these have challenging 3D topologies with high aspect-ratios. ALD has currently acquired the status of state-of-the-art and most preferred deposition technique, for producing nano layers of various materials of technological importance. This technique can be adapted to different situations where precision in thickness and perfection in structures are required, especially in the microelectronic scenario.

Mesozooplankton of the Arabian Sea and the Bay of Bengal with special reference to planktonic ostracods

The Arabian Sea and the Bay of Bengal are both highly dynamic ecosystems, due to the seasonally reversing monsoon winds, but the processes affecting the mesozooplankton community remain poorly understood. These are important basins exhibiting enhanced biological production as a result of upwelling, winter cooling and other episodic events such as eddies and gyres. Zooplankters are primarily the prey for almost all fish larvae. Seasonal changes in the biogeochemical processes can strongly affect zooplankton density and distribution, which in turn, strongly affect the larval growth, and consequently, the pelagic fish recruitment. It is clear that plankton biomass and biogeochemical fluxes are not in steady state. Acoustic data on mesozooplankton abundance suggests that they also exist in the mesopelagic zone. Earlier studies were confined only to the upper 200 m and hence the structure of mesozooplankton community in the deeper layers was not well known. Copepods are the dominant mesoplankton group, and therefore the majority of the studies were focused on them. The planktonic ostracods are the second major crustacean group and at times, their swarms can outnumber all other planktonic groups. The understanding of the community structure of the ostracods is essential to establish their role in the marine food web. Mesozooplankton is responsible for the vertical flux of organic matter produced by phytoplankton and is assumed to be equivalent to new production (Eppley & Peterson, 1979). Since the fate of newly produced organic matter depends upon their consumers, the zooplankton biomass must be estimated in size fractions or taxonomic components to understand the vertical flux of organic carbon. It is thus important to update our knowledge on different groups of zooplankton on the basis of seasonal and temporal distribution. The distribution in space and time is essential for modeling the carbon cycling that structure the marine ecosystems

Thermohaline variability in the upper layers of the Arabian Sea

The Arabian Sea is an area of complex air-sea interaction processes with seasonal reversing monsoons. The associated thermohaline variability in the upper layers appears to control the large scale monsoon flow which is not yet completely understood. The variability in the thermohaline fields is known to occur in temporal domain ranging from intra-diurnal to inter-annual time scales and on spatial domains of few tens of kilometers to few thousands of kilometers. In the Arabian Sea though the surface temperature was routinely measured by both conventional measurements and satellites, the corresponding information on the subsurface thermohaline field is very sparse due to the lack cw adequate measurements. In such cases the numerical models offer promise in providing information on the subsurface features given an initial thermohaline field and surface heat flux boundary conditions. This thesis is an outcome of investigations carried out on the various aspects of the thermohaline variability on different time scales. In addition to the description of the mean annual cycle. the one dimensional numerical models of Miller (1976) and Price et a1 (1986) are utilised to simulate the observed mixed layer characteristics at selected locations in the Arabian Sea on time scales ranging from intra-diurnal to synoptic scales under variable atmospheric forcing.