Bottom-up growth of fully transparent contact layers of indium tin oxide nanowires for light-emitting devices

Thin layers of indium tin oxide are widely used as transparent coatings and electrodes in solar energy cells, flat-panel displays, antireflection coatings, radiation protection and lithium-ion battery materials, because they have the characteristics of low resistivity, strong absorption at ultraviolet wavelengths, high transmission in the visible, high reflectivity in the far-infrared and strong attenuation in the microwave region. However, there is often a trade-off between electrical conductivity and transparency at visible wavelengths for indium tin oxide and other transparent conducting oxides. Here, we report the growth of layers of indium tin oxide nanowires that show optimum electronic and photonic properties and demonstrate their use as fully transparent top contacts in the visible to near-infrared region for light-emitting devices.

Design, fabrication and characterization of resonant waveguide grating based optical biosensors

The absence of rapid, low cost and highly sensitive biodetection platform has hindered the implementation of next generation cheap and early stage clinical or home based point-of-care diagnostics. Label-free optical biosensing with high sensitivity, throughput, compactness, and low cost, plays an important role to resolve these diagnostic challenges and pushes the detection limit down to single molecule. Optical nanostructures, specifically the resonant waveguide grating (RWG) and nano-ribbon cavity based biodetection are promising in this context. The main element of this dissertation is design, fabrication and characterization of RWG sensors for different spectral regions (e.g. visible, near infrared) for use in label-free optical biosensing and also to explore different RWG parameters to maximize sensitivity and increase detection accuracy. Design and fabrication of the waveguide embedded resonant nano-cavity are also studied. Multi-parametric analyses were done using customized optical simulator to understand the operational principle of these sensors and more important the relationship between the physical design parameters and sensor sensitivities. Silicon nitride (SixNy) is a useful waveguide material because of its wide transparency across the whole infrared, visible and part of UV spectrum, and comparatively higher refractive index than glass substrate. SixNy based RWGs on glass substrate are designed and fabricated applying both electron beam lithography and low cost nano-imprint lithography techniques. A Chromium hard mask aided nano-fabrication technique is developed for making very high aspect ratio optical nano-structure on glass substrate. An aspect ratio of 10 for very narrow (~60 nm wide) grating lines is achieved which is the highest presented so far. The fabricated RWG sensors are characterized for both bulk (183.3 nm/RIU) and surface sensitivity (0.21nm/nm-layer), and then used for successful detection of Immunoglobulin-G (IgG) antibodies and antigen (~1μg/ml) both in buffer and serum. Widely used optical biosensors like surface plasmon resonance and optical microcavities are limited in the separation of bulk response from the surface binding events which is crucial for ultralow biosensing application with thermal or other perturbations. A RWG based dual resonance approach is proposed and verified by controlled experiments for separating the response of bulk and surface sensitivity. The dual resonance approach gives sensitivity ratio of 9.4 whereas the competitive polarization based approach can offer only 2.5. The improved performance of the dual resonance approach would help reducing probability of false reading in precise bio-assay experiments where thermal variations are probable like portable diagnostics.

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

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

Time-series of snow spectral albedo and superficial snow specific surface area at Dome C in Antarctica, 2012-2015

Spectral albedo has been measured at Dome C since December 2012 in the visible and near infrared (400 - 1050 nm) at sub-hourly resolution using a home-made spectral radiometer. Superficial specific surface area (SSA) has been estimated by fitting the observed albedo spectra to the analytical Asymptotic Approximation Radiative Transfer theory (AART). The dataset includes fully-calibrated albedo and SSA that pass several quality checks as described in the companion article. Only data for solar zenith angles less than 75° have been included, which theoretically spans the period October-March. In addition, to correct for residual errors still affecting data after the calibration, especially at the solar zenith angles higher than 60°, we produced a higher quality albedo time-series as follows: In the SSA estimation process described in the companion paper, a scaling coefficient A between the observed albedo and the theoretical model predictions was introduced to cope with these errors. This coefficient thus provides a first order estimate of the residual error. By dividing the albedo by this coefficient, we produced the "scaled fully-calibrated albedo". We strongly recommend to use the latter for most applications because it generally remains in the physical range 0-1. The former albedo is provided for reference to the companion paper and because it does not depend on the SSA estimation process and its underlying assumptions.

A Mineralogical Study of a Dravitic Tourmaline from the Grenville Province

Tourmaline from a gem-quality deposit in the Grenville province has been studied with X-ray diffraction, visible-near infrared spectroscopy, Fourier transform infrared spectroscopy, scanning electron microscopy, electron microprobe and optical measurements. The tourmaline is found within tremolite-rich calc-silicate pods hosted in marble of the Central Metasedimentary Belt. The crystals are greenish-greyish-brown and have yielded facetable material up to 2.09 carats in size. Using the classification of Henry et al. 2011 the tourmaline is classified as a dravite, with a representative formula shown to be (Na0.73Ca0.2380.032)(Mg2+2.913Fe2+0.057Ti4+0.030) (Al3+5.787Fe3+0.017Mg2+0.14)(Si6.013O18)(BO3)3(OH)3((OH,O)0.907F0.093). Rietveld analysis of powder diffraction data gives a = 15.9436(8) Å, c = 7.2126(7) Å and a unit cell volume of 1587.8 Å3. A polished thin section was cut perpendicular to the c-axis of one tourmaline crystal, which showed zoning from a dark brown core into a lighter rim into a thin darker rim and back into lighter zonation. Through the geochemical data, three key stages of crystal growth can be seen within this thin section. The first is the core stage which occurs from the dark core to the first colourless zone; the second is from this colourless zone increasing in brown colour to the outer limit before a sudden absence of colour is noted; the third is a sharp change from the end of the second and is entirely colourless. These events are the result of metamorphism and hydrothermal fluids resulting from nearby felsic intrusive plutons. Scanning electron microscope, and electron microprobe traverses across this cross-section revealed that the green colour is the result of iron present throughout the system while the brown colour is correlated with titanium content. Crystal inclusions in the tourmaline of chlorapatite, and zircon were identified by petrographic analysis and confirmed using scanning electron microscope data and occur within the third stage of formation.

Refractometry Studies of the Optical Properties of Polymer Films and the Development of Polymer Coated Refractive Index Sensors

Sensors for real-time monitoring of environmental contaminants are essential for protecting ecosystems and human health. Refractive index sensing is a non-selective technique that can be used to measure almost any analyte. Miniaturized refractive index sensors, such as silicon-on-insulator (SOI) microring resonators are one possible platform, but require coatings selective to the analytes of interest. A homemade prism refractometer is reported and used to characterize the interactions between polymer films and liquid or vapour-phase analytes. A camera was used to capture both Fresnel reflection and total internal reflection within the prism. For thin-films (d = 10 μm - 100 μm), interference fringes were also observed. Fourier analysis of the interferogram allowed for simultaneous extraction of the average refractive index and film thickness with accuracies of ∆n = 1-7 ×10-4 and ∆d < 3-5%. The refractive indices of 29 common organic solvents as well as aqueous solutions of sodium chloride, sucrose, ethylene glycol, glycerol, and dimethylsulfoxide were measured at λ = 1550 nm. These measurements will be useful for future calibrations of near-infrared refractive index sensors. A mathematical model is presented, where the concentration of analyte adsorbed in a film can be calculated from the refractive index and thickness changes during uptake. This model can be used with Fickian diffusion models to measure the diffusion coefficients through the bulk film and at the film-substrate interface. The diffusion of water and other organic solvents into SU-8 epoxy was explored using refractometry and the diffusion coefficient of water into SU-8 is presented. Exposure of soft baked SU-8 films to acetone, acetonitrile and methanol resulted in rapid delamination. The diffusion of volatile organic compound (VOC) vapours into polydimethylsiloxane and polydimethyl-co-polydiphenylsiloxane polymers was also studied using refractometry. Diffusion and partition coefficients are reported for several analytes. As a model system, polydimethyl-co-diphenylsiloxane films were coated onto SOI microring resonators. After the development of data acquisition software, coated devices were exposed to VOCs and the refractive index response was assessed. More studies with other polymers are required to test the viability of this platform for environmental sensing applications.

Quantifying Aflatoxin B1 in peanut oil using fabricating fluorescence probes based on upconversion nanoparticles

Rare earth doped upconversion nanoparticles convert near-infrared excitation light into visible emission light. Compared to organic fluorophores and semiconducting nanoparticles, upconversion nanoparticles (UCNPs) offer high photochemical stability, sharp emission bandwidths, and large anti-Stokes shifts. Along with the significant light penetration depth and the absence of autofluorescence in biological samples under infrared excitation, these UCNPs have attracted more and more attention on toxin detection and biological labelling. Herein, the fluorescence probe based on UCNPs was developed for quantifying Aflatoxin B₁ (AFB₁) in peanut oil. Based on a specific immunity format, the detection limit for AFB₁ under optimal conditions was obtained as low as 0.2 ng·ml^{- 1}, and in the effective detection range 0.2 to 100 ng·ml^{- 1}, good relationship between fluorescence intensity and AFB₁ concentration was achieved under the linear ratios up to 0.90. Moreover, to check the feasibility of these probes on AFB₁ measurements in peanut oil, recovery tests have been carried out. A good accuracy rating (93.8%) was obtained in this study. Results showed that the nanoparticles can be successfully applied for sensing AFB₁ in peanut oil.

Detection of H2O and Evidence for TiO/VO in an Ultra-hot Exoplanet Atmosphere

We present a primary transit observation for the ultra-hot (T eq ~ 2400 K) gas giant expolanet WASP-121b, made using the Hubble Space Telescope Wide Field Camera 3 in spectroscopic mode across the 1.12–1.64 μm wavelength range. The 1.4 μm water absorption band is detected at high confidence (5.4σ) in the planetary atmosphere. We also reanalyze ground-based photometric light curves taken in the B, r', and z' filters. Significantly deeper transits are measured in these optical bandpasses relative to the near-infrared wavelengths. We conclude that scattering by high-altitude haze alone is unlikely to account for this difference and instead interpret it as evidence for titanium oxide and vanadium oxide absorption. Enhanced opacity is also inferred across the 1.12–1.3 μm wavelength range, possibly due to iron hydride absorption. If confirmed, WASP-121b will be the first exoplanet with titanium oxide, vanadium oxide, and iron hydride detected in transmission. The latter are important species in M/L dwarfs and their presence is likely to have a significant effect on the overall physics and chemistry of the atmosphere, including the production of a strong thermal inversion.

Selective Laser Melting of the Eutectic Silver-Copper Alloy Ag 28 wt % Cu

The aim of this work was to perform a detailed investigation of the use of Selective Laser Melting (SLM) technology to process eutectic silver-copper alloy Ag 28 wt. % Cu (also called AgCu28). The processing occurred with a Realizer SLM 50 desktop machine. The powder analysis (SEM-topography, EDX, particle distribution) was reported as well as the absorption rates for the near-infrared (NIR) spectrum. Microscope imaging showed the surface topography of the manufactured parts. Furthermore, microsections were conducted for the analysis of porosity. The Design of Experiments approach used the response surface method in order to model the statistical relationship between laser power, spot distance and pulse time.

3D nanoimprint technology for NIR Fabry-Pérot filter arrays

Im Rahmen dieser Arbeit wird die Herstellung von miniaturisierten NIR-Spektrometern auf Basis von Fabry-Pérot (FP) Filter Arrays behandelt. Bisher ist die kostengünstige Strukturierung von homogenen und vertikal erweiterten Kavitäten für NIR FP-Filter mittels Nanoimprint Technologie noch nicht verfügbar, weil die Qualität der Schichten des Prägematerials unzureichend ist und die geringe Mobilität der Prägematerialien nicht ausreicht, um die vertikal erweiterten Kavitäten zu füllen. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Reduzierung des technischen Aufwands zur Herstellung von homogenen und vertikal erweiterten Kavitäten. Zur Strukturierung der Kavitäten wird ein großflächiger substratkonformer UV-Nanoimprint Prozess (SCIL - Substrate Conformal Imprint Lithoghaphy) verwendet, der auf einem Hybridstempel basiert und Vorteile von harten und weichen Stempeln vereint. Um die genannten Limitierungen zu beseitigen, werden alternative Designs der Kavitäten untersucht und ein neues Prägematerial eingesetzt. Drei Designlösungen zur Herstellung von homogenen und erweiterten Kavitäten werden untersucht und verglichen: (i) Das Aufbringen des Prägematerials mittel mehrfacher Rotationsbeschichtung, um eine höhere Schichtdicke des Prägematerials vor dem Prägeprozess zu erzeugen, (ii) die Verwendung einer hybriden Kavität bestehend aus einer strukturierten Schicht des Prägematerials eingebettet zwischen zwei Siliziumoxidschichten, um die Schichtdicke der organischen Kavität zu erweitern und (iii) die Optimierung des Prägeprozesses durch Verwendung eines neuen Prägematerials. Die mit diesen drei Ansätzen hergestellten FP-Filter Arrays zeigen, hohe Transmissionen (beste Transmission > 90%) und kleine Linienbreiten (Halbwertsbreiten <5 nm).

Étude du partage attentionnel : Analogie entre la production temporelle avec interruption et la double tâche

L’estimation temporelle de l’ordre des secondes à quelques minutes requiert des ressources attentionnelles pour l’accumulation d’information temporelle pendant l’intervalle à estimer (Brown, 2006; Buhusi & Meck, 2009; Zakay & Block, 2004). Ceci est démontré dans le paradigme de double tâche, où l’exécution d’une tâche concurrente pendant l’estimation d’un intervalle mène à un effet d’interférence, soit une distorsion de la durée perçue se traduisant par des productions temporelles plus longues et plus variables que si l’estimation de l’intervalle était effectuée seule (voir Brown, 1997; 2010). Un effet d’interférence est également observé lorsqu’une interruption est attendue pendant l’intervalle à estimer, l’allongement étant proportionnel à la durée d’attente de l’interruption (Fortin & Massé, 2000). Cet effet a mené à l’hypothèse que la production avec interruption serait sous-tendue par un mécanisme de partage attentionnel similaire à la double tâche (Fortin, 2003). Afin d’étudier cette hypothèse, deux études empiriques ont été effectuées dans des contextes expérimentaux associés respectivement à une augmentation et à une diminution de l’effet d’interférence, soit le vieillissement (Chapitre II) et l’entraînement cognitif (Chapitre III). Dans le Chapitre II, la tâche de production avec interruption est étudiée chez des participants jeunes et âgés à l’aide de la spectroscopie proche infrarouge fonctionnelle (SPIRf). Les résultats montrent que l’attente de l’interruption est associée à des coûts comportementaux et fonctionnels similaires à la double tâche. Au niveau comportemental, un allongement des productions proportionnel à la durée d’attente de l’interruption est observé chez l’ensemble des participants, mais cet effet est plus prononcé chez les participants âgés que chez les jeunes. Ce résultat est compatible avec les observations réalisées dans le paradigme de double tâche (voir Verhaegen, 2011 pour une revue). Au niveau fonctionnel, la production avec et sans interruption est associée à l’activation du cortex préfrontal droit et des régions préfrontales dorsolatérales connues pour leur rôle au niveau de l’estimation temporelle explicite (production d’intervalle) et implicite (processus préparatoires). En outre, l’attente de l’interruption est associée à l’augmentation de l’activation corticale préfrontale dans les deux hémisphères chez l’ensemble des participants, incluant le cortex ventrolatéral préfrontal associé au contrôle attentionnel dans la double tâche. Finalement, les résultats montrent que les participants âgés se caractérisent par une activation corticale bilatérale lors de la production sans et avec interruption. Dans le cadre des théories du vieillissement cognitif (Park & Reuter-Lorenz, 2009), cela suggère que l’âge est associé à un recrutement inefficace des ressources attentionnelles pour la production d’intervalle, ceci nuisant au recrutement de ressources additionnelles pour faire face aux demandes liées à l’attente de l’interruption. Dans le Chapitre III, la tâche de production avec interruption est étudiée en comparant la performance de participants assignés à l’une ou l’autre de deux conditions d’exécution extensive (cinq sessions successives) de double tâche ou de production avec interruption. Des sessions pré et post-test sont aussi effectuées afin de tester le transfert entre les conditions. Les résultats montrent un effet d’interférence et de durée d’interférence tant en production avec double tâche qu’en production avec interruption. Ces effets sont toutefois plus prononcés lors de la production avec interruption et tendent à augmenter au fil des sessions, ce qui n’est pas observé en double tâche. Cela peut être expliqué par l’influence des processus préparatoires pendant la période pré-interruption et pendant l’interruption. Finalement, les résultats ne mettent pas en évidence d’effets de transfert substantiels entre les conditions puisque les effets de la pratique concernent principalement la préparation temporelle, un processus spécifique à la production avec interruption. Par la convergence que permet l’utilisation d’un même paradigme avec des méthodologies distinctes, ces travaux approfondissent la connaissance des mécanismes attentionnels associés à l’estimation temporelle et plus spécifiquement à la production avec interruption. Les résultats supportent l’hypothèse d’un partage attentionnel induit par l’attente de l’interruption. Les ressources seraient partagées entre les processus d’estimation temporelle explicite et implicite, une distinction importante récemment mise de l’avant dans la recherche sur l’estimation du temps (Coull, Davranche, Nazarian & Vidal, 2013). L’implication de processus dépendant des ressources attentionnelles communes pour le traitement de l’information temporelle peut rendre compte de l’effet d’interférence robuste et systématique observé dans la tâche de production avec interruption.

Pulling Back the Veil: The Characterization and Habitability of Enshrouded Worlds

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08

A Comparative Study of Copper Chalcogenide Nanocrystals as Agents for Photothermal Therapy

Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-08

Photochemical dynamics of laser-irradiated semiconductor nanostructures

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08

Mapping of Submerged Aquatic Vegetation in Rivers From Very High Resolution Image Data, Using Object Based Image Analysis Combined with Expert Knowledge

The use of remote sensing for monitoring of submerged aquatic vegetation (SAV) in fluvial environments has been limited by the spatial and spectral resolution of available image data. The absorption of light in water also complicates the use of common image analysis methods. This paper presents the results of a study that uses very high resolution (VHR) image data, collected with a Near Infrared sensitive DSLR camera, to map the distribution of SAV species for three sites along the Desselse Nete, a lowland river in Flanders, Belgium. Plant species, including Ranunculus aquatilis L., Callitriche obtusangula Le Gall, Potamogeton natans L., Sparganium emersum L. and Potamogeton crispus L., were classified from the data using Object-Based Image Analysis (OBIA) and expert knowledge. A classification rule set based on a combination of both spectral and structural image variation (e.g. texture and shape) was developed for images from two sites. A comparison of the classifications with manually delineated ground truth maps resulted for both sites in 61% overall accuracy. Application of the rule set to a third validation image, resulted in 53% overall accuracy. These consistent results show promise for species level mapping in such biodiverse environments, but also prompt a discussion on assessment of classification accuracy.