A biosignal embedded system for physiological computing

Thesis submitted in the fulfilment of the requirements for the Degree of Master in Electronic and Telecomunications Engineering

Robótica móvel: sistema de condução autónoma

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo Automação e Electrónica Industrial

A time division beacon scheduling mechanism for IEEE 802.15.4/Zigbee cluster-tree wireless sensor networks

While the IEEE 802.15.4/Zigbee protocol stack is being considered as a promising technology for low-cost low-power Wireless Sensor Networks (WSNs), several issues in the standard specifications are still open. One of those ambiguous issues is how to build a synchronized multi-hop cluster-tree network, which is quite suitable for ensuring QoS support in WSNs. In fact, the current IEEE 802.15.4/Zigbee specifications restrict the synchronization in the beacon-enabled mode (by the generation of periodic beacon frames) to star-based networks, while it supports multi-hop networking using the peer-to-peer mesh topology, but with no synchronization. Even though both specifications mention the possible use of cluster-tree topologies, which combine multihop and synchronization features, the description on how to effectively construct such a network topology is missing. This paper tackles this problem, unveils the ambiguities regarding the use of the cluster-tree topology and proposes a synchronization mechanism based on Time Division Beacon Scheduling to construct cluster-tree WSNs. We also propose a methodology for an efficient duty cycle management in each router (cluster-head) of a cluster-tree WSN that ensures the fairest use of bandwidth resources. The feasibility of the proposal is clearly demonstrated through an experimental test bed based on our own implementation of the IEEE 802.15.4/Zigbee protocol.

Desenvolvimento de Anticorpos Plásticos para um Biomarcador do Cancro

O trabalho descrito compreende o desenvolvimento de um anticorpo plástico (MIP, do inglês Molecularly Imprinted Polymer) para o antigénio carcinoembrionário (CEA, do inglês Carcinoembriogenic Antigen) e a sua aplicação na construção de dispositivos portáteis, de tamanho reduzido e de baixo custo, tendo em vista a monitorização deste biomarcador do cancro do colo-retal em contexto Point-of-Care (POC). O anticorpo plástico foi obtido por tecnologia de impressão molecular orientada, baseada em eletropolimerização sobre uma superfície condutora de vidro recoberto por FTO. De uma forma geral, o processo foi iniciado pela electropolimerização de anilina sobre o vidro, seguindo-se a ligação por adsorção do biomarcador (CEA) ao filme de polianilina, com ou sem monómeros carregados positivamente (Cloreto de vinilbenziltrimetilamónio, VB). A última fase consistiu na electropolimerização de o-fenilenodiamina (oPD) sobre a superfície, seguindo-se a remoção da proteína por clivagem de ligações peptídicas, com o auxílio de tripsina. A eficiência da impressão do biomarcador CEA no material polimérico foi controlada pela preparação de um material análogo, NIP (do inglês, Non-Imprinted Polymer), no qual nem a proteína nem o monómero VB estavam presentes. Os materiais obtidos foram caracterizados quimicamente por técnicas de Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR, do inglês, Fourier Transform Infrared Spectroscopy) e microscopia confocal de Raman. Os materiais sensores preparados foram entretanto incluídos em membranas poliméricas de Poli(cloreto de vinilo) (PVC) plastificado, para construção de sensores (biomiméticos) seletivos a CEA, tendo-se avaliado a resposta analítica em diferentes meios. Obteve-se uma boa resposta potenciométrica em solução tampão de Ácido 4-(2-hidroxietil)piperazina-1-etanosulfónico (HEPES), a pH 4,4, com uma membrana seletiva baseada em MIP preparada com o monómero carregado VB. O limite de deteção foi menor do que 42 pg/mL, observando-se um comportamento linear (versus o logaritmo da concentração) até 625 pg/mL, com um declive aniónico igual a -61,9 mV/década e r2>0,9974. O comportamento analítico dos sensores biomiméticos foi ainda avaliado em urina, tendo em vista a sua aplicação na análise de CEA em urina. Neste caso, o limite de deteção foi menor do que 38 pg/mL, para uma resposta linear até 625 pg/mL, com um declive de -38,4 mV/década e r2> 0,991. De uma forma geral, a aplicação experimental dos sensores biomiméticos evidenciou respostas exatas, sugerindo que os biossensores desenvolvidos prossigam estudos adicionais tendo em vista a sua aplicação em amostras de indivíduos doentes.

Materiais e dispositivos sensores para a Norfloxacina

O trabalho consistiu no desenvolvimento e caracterização de sensores potenciométricos com base em polímeros de impressão molecular para a determinação de um antibiótico, a norfloxacina, em aquacultura. A simplicidade, o baixo custo e a interação rápida e reversível dos sensores potenciométricos com os analitos fizeram com que este fosse o tipo de sensor escolhido. O material sensor foi obtido por tecnologia de impressão molecular, baseada em polimerização em bulk, em que a NOR foi a molécula molde e foram utilizados como monómeros para autoconstrução dos sensores o pirrol, isoladamente, ou em conjunto com partículas de sílica gel funcionalizadas com 3-aminopropil. Também foi obtido material sensor, para controlo, em que a molécula molde NOR não estava presente (NIP). As características dos materiais sensores foram sujeitas a análise de microscopia eletrónica SEM e análise por espectrómetro de infravermelhos com transformada de Fourier. Os materiais sensores foram incluídos em membranas poliméricas, que seriam incorporadas em elétrodos. A avaliação do desempenho dos elétrodos foi feita através de curvas de calibração em diferentes meios (PBS, MES e HEPES). Também foi efetuada com sucesso a análise da sensibilidade dos elétrodos em água dopada. As diversas avaliações e análises efetuadas levaram a concluir que o MIP de pirrol com aditivo aniónico, foi o material sensor testado que permitiu obter melhores propriedades de resposta.

Sistema de localização de veículos para smartphone android

Atualmente os sistemas Automatic Vehicle Location (AVL) fazem parte do dia-a-dia de muitas empresas. Esta tecnologia tem evoluído significativamente ao longo da última década, tornando-se mais acessível e fácil de utilizar. Este trabalho consiste no desenvolvimento de um sistema de localização de veículos para smartphone Android. Para tal, foram desenvolvidas duas aplicações: uma aplicação de localização para smarphone Android e uma aplicação WEB de monitorização. A aplicação de localização permite a recolha de dados de localização GPS e estabelecer uma rede piconet Bluetooth, admitindo assim a comunicação simultânea com a unidade de controlo de um veículo (ECU) através de um adaptador OBDII/Bluetooth e com até sete sensores/dispositivos Bluetooth que podem ser instalados no veículo. Os dados recolhidos pela aplicação Android são enviados periodicamente (intervalo de tempo definido pelo utilizador) para um servidor Web No que diz respeito à aplicação WEB desenvolvida, esta permite a um gestor de frota efetuar a monitorização dos veículos em circulação/registados no sistema, podendo visualizar a posição geográfica dos mesmos num mapa interativo (Google Maps), dados do veículo (OBDII) e sensores/dispositivos Bluetooth para cada localização enviada pela aplicação Android. O sistema desenvolvido funciona tal como esperado. A aplicação Android foi testada inúmeras vezes e a diferentes velocidades do veículo, podendo inclusive funcionar em dois modos distintos: data logger e data pusher, consoante o estado da ligação à Internet do smartphone. Os sistemas de localização baseados em smartphone possuem vantagens relativamente aos sistemas convencionais, nomeadamente a portabilidade, facilidade de instalação e baixo custo.

Continuous quantification of HER2 expression by microfluidic precision immunofluorescence estimates HER2 gene amplification in breast cancer.

Chromogenic immunohistochemistry (IHC) is omnipresent in cancer diagnosis, but has also been criticized for its technical limit in quantifying the level of protein expression on tissue sections, thus potentially masking clinically relevant data. Shifting from qualitative to quantitative, immunofluorescence (IF) has recently gained attention, yet the question of how precisely IF can quantify antigen expression remains unanswered, regarding in particular its technical limitations and applicability to multiple markers. Here we introduce microfluidic precision IF, which accurately quantifies the target expression level in a continuous scale based on microfluidic IF staining of standard tissue sections and low-complexity automated image analysis. We show that the level of HER2 protein expression, as continuously quantified using microfluidic precision IF in 25 breast cancer cases, including several cases with equivocal IHC result, can predict the number of HER2 gene copies as assessed by fluorescence in situ hybridization (FISH). Finally, we demonstrate that the working principle of this technology is not restricted to HER2 but can be extended to other biomarkers. We anticipate that our method has the potential of providing automated, fast and high-quality quantitative in situ biomarker data using low-cost immunofluorescence assays, as increasingly required in the era of individually tailored cancer therapy.

The Efficient Use of Multiple Sources of a Nonrenewable Resource under Supply Cost Uncertainty

Uncertainties as to future supply costs of nonrenewable natural resources, such as oil and gas, raise the issue of the choice of supply sources. In a perfectly deterministic world, an efficient use of multiple sources of supply requires that any given market exhausts the supply it can draw from a low cost source before moving on to a higher cost one; supply sources should be exploited in strict sequence of increasing marginal cost, with a high cost source being left untouched as long as a less costly source is available. We find that this may not be the efficient thing to do in a stochastic world. We show that there exist conditions under which it can be efficient to use a risky supply source in order to conserve a cheaper non risky source. The benefit of doing this comes from the fact that it leaves open the possibility of using it instead of the risky source in the event the latter’s future cost conditions suddenly deteriorate. There are also conditions under which it will be efficient to use a more costly non risky source while a less costly risky source is still available. The reason is that this conserves the less costly risky source in order to use it in the event of a possible future drop in its cost.

L’éthique et l’acceptation sociale des innovations technologiques. Le cas des vaccins transgéniques

La technologie est une manière pour la science d’exprimer son côté pratique en plus d’être un moyen de traduire les connaissances lors de vraies applications scientifiques, mais ce processus peut engendrer une variété de défis moraux et éthiques. Le champ des biotechnologies laisse entrevoir de grandes réalisations pour les sociétés, y compris des traitements médicaux révolutionnaires et des aliments modifiés génétiquement, lesquels seraient sécuritaires, accessibles et largement disponibles. Mais peu de produits ont réussi le saut dans le panier du consommateur. Dans un des domaines d'application les plus prometteurs, tel celui des biotechnologies agricoles, certaines technologies n’ont pas encore entièrement émergé des laboratoires et ces produits, qui sont à l’heure actuelle sur le marché, ont été la source de polémiques significatives. L’étude présente se concentre sur le cas des vaccins faits à partir de plantes transgéniques qui, au cours des 15 dernières années, a peine à passer outre l’étape de la preuve de conception. Ces vaccins stagnent là où ils auraient dû accomplir la « promesse d'or » de fournir à bas coût une inoculation efficace pour les populations pauvres des pays en voie de développement. La question examinée dans cet essai est pourquoi, au-delà du processus de la découverte et de la conceptualisation, de telles technologies éprouvent des difficultés à atteindre leur maturité et ainsi retarde l’implantation dans les sociétés contemporaines ? Quels facteurs particuliers, sous l’angle de la bioéthique, auront besoin d’une reconsidération dans le cas échéant d’une mise en application de ces technologies pour être acceptées par les consommateurs, et avoir ainsi un impact positif sur la santé globale et l’accès équitable aux soins de santé ?

Optimization and validation of a new 3D-US imaging robot to detect, localize and quantify lower limb arterial stenoses

L’athérosclérose est une maladie qui cause, par l’accumulation de plaques lipidiques, le durcissement de la paroi des artères et le rétrécissement de la lumière. Ces lésions sont généralement localisées sur les segments artériels coronariens, carotidiens, aortiques, rénaux, digestifs et périphériques. En ce qui concerne l’atteinte périphérique, celle des membres inférieurs est particulièrement fréquente. En effet, la sévérité de ces lésions artérielles est souvent évaluée par le degré d’une sténose (réduction >50 % du diamètre de la lumière) en angiographie, imagerie par résonnance magnétique (IRM), tomodensitométrie ou échographie. Cependant, pour planifier une intervention chirurgicale, une représentation géométrique artérielle 3D est notamment préférable. Les méthodes d’imagerie par coupe (IRM et tomodensitométrie) sont très performantes pour générer une imagerie tridimensionnelle de bonne qualité mais leurs utilisations sont dispendieuses et invasives pour les patients. L’échographie 3D peut constituer une avenue très prometteuse en imagerie pour la localisation et la quantification des sténoses. Cette modalité d’imagerie offre des avantages distincts tels la commodité, des coûts peu élevés pour un diagnostic non invasif (sans irradiation ni agent de contraste néphrotoxique) et aussi l’option d’analyse en Doppler pour quantifier le flux sanguin. Étant donné que les robots médicaux ont déjà été utilisés avec succès en chirurgie et en orthopédie, notre équipe a conçu un nouveau système robotique d’échographie 3D pour détecter et quantifier les sténoses des membres inférieurs. Avec cette nouvelle technologie, un radiologue fait l’apprentissage manuel au robot d’un balayage échographique du vaisseau concerné. Par la suite, le robot répète à très haute précision la trajectoire apprise, contrôle simultanément le processus d’acquisition d’images échographiques à un pas d’échantillonnage constant et conserve de façon sécuritaire la force appliquée par la sonde sur la peau du patient. Par conséquent, la reconstruction d’une géométrie artérielle 3D des membres inférieurs à partir de ce système pourrait permettre une localisation et une quantification des sténoses à très grande fiabilité. L’objectif de ce projet de recherche consistait donc à valider et optimiser ce système robotisé d’imagerie échographique 3D. La fiabilité d’une géométrie reconstruite en 3D à partir d’un système référentiel robotique dépend beaucoup de la précision du positionnement et de la procédure de calibration. De ce fait, la précision pour le positionnement du bras robotique fut évaluée à travers son espace de travail avec un fantôme spécialement conçu pour simuler la configuration des artères des membres inférieurs (article 1 - chapitre 3). De plus, un fantôme de fils croisés en forme de Z a été conçu pour assurer une calibration précise du système robotique (article 2 - chapitre 4). Ces méthodes optimales ont été utilisées pour valider le système pour l’application clinique et trouver la transformation qui convertit les coordonnées de l’image échographique 2D dans le référentiel cartésien du bras robotisé. À partir de ces résultats, tout objet balayé par le système robotique peut être caractérisé pour une reconstruction 3D adéquate. Des fantômes vasculaires compatibles avec plusieurs modalités d’imagerie ont été utilisés pour simuler différentes représentations artérielles des membres inférieurs (article 2 - chapitre 4, article 3 - chapitre 5). La validation des géométries reconstruites a été effectuée à l`aide d`analyses comparatives. La précision pour localiser et quantifier les sténoses avec ce système robotisé d’imagerie échographique 3D a aussi été déterminée. Ces évaluations ont été réalisées in vivo pour percevoir le potentiel de l’utilisation d’un tel système en clinique (article 3- chapitre 5).

Algal Biofuels: Challenges and Opportunities

Biodiesel production using microalgae is attractive in a number of respects. Here a number of pros and cons to using microalgae for biofuels production are reviewed. Algal cultivation can be carried out using non-arable land and non-potable water with simple nutrient supply. In addition, algal biomass productivities are much higher than those of vascular plants and the extractable content of lipids that can be usefully converted to biodiesel, triacylglycerols (TAGs) can be much higher than that of the oil seeds now used for first generation biodiesel. On the other hand, practical, cost-effective production of biofuels from microalgae requires that a number of obstacles be overcome. These include the development of low-cost, effective growth systems, efficient and energy saving harvesting techniques, and methods for oil extraction and conversion that are environmentally benign and cost-effective. Promising recent advances in these areas are highlighted.

Utilization of biodiesel-derived glycerol or xylose for increased growth and lipid production by indigenous microalgae

The use of industrial wastes rich in mineral nutrients and carbon sources to increase the final microalgal biomass and lipid yield at a low cost is an important strategy to make algal biofuel technology viable. Using strains from the microalgal collection of the Université de Montréal, this report shows for the first time that microalgal strains can be grown on xylose, the major carbon source found in wastewater streams from pulp and paper industries, with an increase in growth rate of 2.8 fold in comparison to photoautotrophic growth, reaching up to µ=1.1/day. On glycerol, growth rates reached as high as µ=1.52/day. Lipid productivity increased up to 370% on glycerol and 180% on xylose for the strain LB1H10, showing the suitability of this strain for further development for biofuels production through mixotrophic cultivation.

Characterization of microalgae native to Quebec for biofuel production.

La production de biodiésel par des microalgues est intéressante à plusieurs niveaux. Dans le premier chapitre, un éventail de pour et contres concernant l’utilisation de microalgues pour la production de biocarburant sont ici révisés. La culture d’algues peut s'effectuer en utilisant des terres non-arables, de l’eau non-potable et des nutriments de base. De plus, la biomasse produite par les algues est considérablement plus importante que celle de plantes vasculaires. Plusieurs espèces on le contenu lipidique en forme de triacylglycérols (TAGs), qui peut correspondre jusqu'à 30% - 40% du poids sec de la biomasse. Ces proportions sont considérablement plus élevées que celui des huiles contenues dans les graines actuellement utilisées pour le biodiésel de première génération. Par contre, une production pratique et peu couteuse de biocarburant par des microalgues requiert de surpasser plusieurs obstacles. Ceci inclut le développement de systèmes de culture efficace à faible coût, de techniques de récupération requérant peu d’énergie, et de méthodes d’extraction et de conversion de l’huile non-dommageables pour l’environnement et peu couteuses. Le deuxième chapitre explore l'une des questions importantes soulevées dans le premier chapitre: la sélection d'une souche pour la culture. Une collection de souches de microalgues d'eau douce indigène au Québec a été établi et examiné au niveau de la diversité physiologique. Cette collection est composée de cent souches, que apparaissaient très hétérogènes en terme de croissance lorsque mises en culture à 10±2 °C ou 22±2 °C sur un effluent secondaire d’une usine municipale de traitement des eaux usées (EU), défini comme milieu Bold's Basal Medium (BBM). Des diagrammes de dispersion ont été utilisés pour étudier la diversité physiologique au sein de la collection, montrant plusieurs résultats intéressants. Il y avait une dispersion appréciable dans les taux de croissance selon les différents types de milieux et indépendamment de la température. De manière intéressante, en considérant que tous les isolats avaient initialement été enrichis sur milieu BBM, la distribution était plutôt symétrique autour de la ligne d’iso-croissance, suggérant que l’enrichissement sur BBM n’a pas semblé biaiser la croissance des souches sur ce milieu par rapport aux EU. Également, considérant que les isolats avaient d’abord été enrichis à 22°C, il est assez surprenant que la distribution de taux de croissance spécifiques soit aussi symétrique autour de la ligne d’iso-croissance, avec grossièrement des nombres égaux d’isolats de part et d’autre. Ainsi, l’enrichissement à 22°C ne semble pas biaiser les cellules vers une croissance à cette température plutôt que vers 10°C. Les diagrammes de dispersion obtenus lorsque le pourcentage en lipides de cultures sur BBM ont été comparées à des cultures ayant poussé sur EU soit à 10°C ou 22°C rendent évident que la production de lipides est favorisée par la culture sur EU aux deux températures, et que la production lipidique ne semble pas particulièrement plus favorisée par l’une ou l’autre de ces températures. Lorsque la collection a été examinée pour y déceler des différences avec le site d’échantillonnage, une analyse statistique a montré grossièrement que le même degré de diversité physiologique était retrouvé dans les échantillons des deux différents sites. Le troisième chapitre a poursuivi l'évaluation de la culture d'algues au Québec. L’utilisation de déchets industriels riches en nutriments minéraux et en sources de carbone pour augmenter la biomasse finale en microalgues et le produit lipidique à faible coût est une stratégie importante pour rendre viable la technologie des biocarburants par les algues. Par l’utilisation de souches de la collection de microalgues de l’Université de Montréal, ce rapport montre pour la première fois que des souches de microalgues peuvent pousser en présence de xylose, la source de carbone majoritairement retrouvée dans les eaux usées provenant des usines de pâte et papier, avec une hausse du taux de croissance de 2,8 fois par rapport à la croissance photoautotrophe, atteignant jusqu’à µ=1,1/jour. En présence de glycérol, les taux de croissance atteignaient des valeurs aussi élevées que µ=1,52/jour. La production lipidique augmentait jusqu’à 370% en présence de glycérol et 180% avec le xylose pour la souche LB1H10, démontrant que cette souche est appropriée pour le développement ultérieur de biocarburants en culture mixotrophe. L'ajout de xylose en cultures d'algues a montré certains effets inattendus. Le quatrième chapitre de ce travail a porté à comprendre ces effets sur la croissance des microalgues et la production de lipides. Quatre souches sauvages indigènes ont été obersvées quotidiennement, avant et après l’ajout de xylose, par cytométrie en flux. Avec quelques souches de Chlorella, l’ajout de xylose induisait une hausse rapide de l’accumulation de lipide (jusqu’à 3,3 fois) pendant les premières six à douze heures. Aux temps subséquents, les cellules montraient une diminution du contenu en chlorophylle, de leur taille et de leur nombre. Par contre, l’unique membre de la famille des Scenedesmaceae avait la capacité de profiter de la présence de cette source de carbone sous culture mixotrophe ou hétérotrophe sans effet négatif apparent. Ces résultats suggèrent que le xylose puisse être utilisé avant la récolte afin de stimuler l’augmentation du contenu lipidique de la culture d’algues, soit en système de culture continu ou à deux étapes, permettant la biorestauration des eaux usées provenant de l’industrie des pâtes et papiers. Le cinquième chapitre aborde une autre déché industriel important: le dioxyde de carbone et les gaz à effet de serre. Plus de la moitié du dioxyde de carbone qui est émis dans l'atmosphère chaque jour est dégagé par un processus stationnaire, soit pour la production d’électricité ou pour la fabrication industrielle. La libération de CO2 par ces sources pourrait être atténuée grâce à la biorestauration avec microalgues, une matière première putative pour les biocarburants. Néanmoins, toutes les cheminées dégagent un gaz différent, et la sélection des souches d'algues est vitale. Ainsi, ce travail propose l'utilisation d’un état de site particulier pour la bioprospection de souches d'algues pour être utilisé dans le processus de biorestauration. Les résultats montrent que l'utilisation d'un processus d'enrichissement simple lors de l'étape d'isolement peut sélectionner des souches qui étaient en moyenne 43,2% mieux performantes dans la production de biomasse que les souches isolées par des méthodes traditionnelles. Les souches isolées dans ce travail étaient capables d'assimiler le dioxyde de carbone à un taux supérieur à la moyenne, comparées à des résultats récents de la littérature.

Spray Pyrolysed Zinc Oxide Thin Films : Effects of Doping and Ion Beam Irradiation

In recent years scientists have made rapid and significant advances in the field of semiconductor physics. One of the most important fields of current interest in materials science is the fundamental aspects and applications of conducting transparent oxide thin films (TCO). The characteristic properties of such coatings are low electrical resistivity and high transparency in the visible region. The first semitransparent and electrically conducting CdO film was reported as early as in 1907 [1]. Though early work on these films was performed out of purely scientific interest, substantial technological advances in such films were made after 1940. The technological interest in the study of transparent semiconducting films was generated mainly due to the potential applications of these materials both in industry and research. Such films demonstrated their utility as transparent electrical heaters for windscreens in the aircraft industry. However, during the last decade, these conducting transparent films have been widely used in a variety of other applications such as gas sensors [2], solar cells [3], heat reflectors [4], light emitting devices [5] and laser damage resistant coatings in high power laser technology [6]. Just a few materials dominate the current TCO industry and the two dominant markets for TCO’s are in architectural applications and flat panel displays. The architectural use of TCO is for energy efficient windows. Fluorine doped tin oxide (FTO), deposited using a pyrolysis process is the TCO usually finds maximum application. SnO2 also finds application ad coatings for windows, which are efficient in preventing radiative heat loss, due to low emissivity (0.16). Pyrolitic tin oxide is used in PV modules, touch screens and plasma displays. However indium tin oxide (ITO) is mostly used in the majority of flat panel display (FPD) applications. In FPDs, the basic function of ITO is as transparent electrodes. The volume of FPD’s produced, and hence the volume of ITO coatings produced, continues to grow rapidly. But the current increase in the cost of indium and the scarcity of this material created the difficulty in obtaining low cost TCOs. Hence search for alternative TCO materials has been a topic of active research for the last few decades. This resulted in the development of binary materials like ZnO, SnO2, CdO and ternary materials like II Zn2SnO4, CdSb2O6:Y, ZnSO3, GaInO3 etc. The use of multicomponent oxide materials makes it possible to have TCO films suitable for specialized applications because by altering their chemical compositions, one can control the electrical, optical, chemical and physical properties. But the advantages of using binary materials are the easiness to control the chemical compositions and depositions conditions. Recently, there were reports claiming the deposition of CdO:In films with a resistivity of the order of 10-5 ohm cm for flat panel displays and solar cells. However they find limited use because of Cd-Toxicity. In this regard, ZnO films developed in 1980s, are very useful as these use Zn, an abundant, inexpensive and nontoxic material. Resistivity of this material is still not very low, but can be reduced through doping with group-III elements like In, Al or Ga or with F [6]. Hence there is a great interest in ZnO as an alternative of ITO. In the present study, we prepared and characterized transparent and conducting ZnO thin films, using a cost effective technique viz Chemical Spray Pyrolysis (CSP). This technique is also suitable for large area film deposition. It involves spraying a solution, (usually aqueous) containing soluble salts of the constituents of the desired compound, onto a heated substrate.

Growth and Characterization of ZnO based Heterojunction diodes and ZnO Nanostructuresby Pulsed Laser Ablation

Transparent conducting oxides (TCO’s) have been known and used for technologically important applications for more than 50 years. The oxide materials such as In2O3, SnO2 and impurity doped SnO2: Sb, SnO2: F and In2O3: Sn (indium tin oxide) were primarily used as TCO’s. Indium based oxides had been widely used as TCO’s for the past few decades. But the current increase in the cost of indium and scarcity of this material created the difficulty in obtaining low cost TCO’s. Hence the search for alternative TCO material has been a topic of active research for the last few decades. This resulted in the development of various binary and ternary compounds. But the advantages of using binary oxides are the easiness to control the composition and deposition parameters. ZnO has been identified as the one of the promising candidate for transparent electronic applications owing to its exciting optoelectronic properties. Some optoelectronics applications of ZnO overlap with that of GaN, another wide band gap semiconductor which is widely used for the production of green, blue-violet and white light emitting devices. However ZnO has some advantages over GaN among which are the availability of fairly high quality ZnO bulk single crystals and large excitonic binding energy. ZnO also has much simpler crystal-growth technology, resulting in a potentially lower cost for ZnO based devices. Most of the TCO’s are n-type semiconductors and are utilized as transparent electrodes in variety of commercial applications such as photovoltaics, electrochromic windows, flat panel displays. TCO’s provide a great potential for realizing diverse range of active functions, novel functions can be integrated into the materials according to the requirement. However the application of TCO’s has been restricted to transparent electrodes, ii notwithstanding the fact that TCO’s are n-type semiconductors. The basic reason is the lack of p-type TCO, many of the active functions in semiconductor originate from the nature of pn-junction. In 1997, H. Kawazoe et al reported the CuAlO2 as the first p-type TCO along with the chemical design concept for the exploration of other p-type TCO’s. This has led to the fabrication of all transparent diode and transistors. Fabrication of nanostructures of TCO has been a focus of an ever-increasing number of researchers world wide, mainly due to their unique optical and electronic properties which makes them ideal for a wide spectrum of applications ranging from flexible displays, quantum well lasers to in vivo biological imaging and therapeutic agents. ZnO is a highly multifunctional material system with highly promising application potential for UV light emitting diodes, diode lasers, sensors, etc. ZnO nanocrystals and nanorods doped with transition metal impurities have also attracted great interest, recently, for their spin-electronic applications This thesis summarizes the results on the growth and characterization of ZnO based diodes and nanostructures by pulsed laser ablation. Various ZnO based heterojunction diodes have been fabricated using pulsed laser deposition (PLD) and their electrical characteristics were interpreted using existing models. Pulsed laser ablation has been employed to fabricate ZnO quantum dots, ZnO nanorods and ZnMgO/ZnO multiple quantum well structures with the aim of studying the luminescent properties.