Molecular hydrogen diffusion in nanostructured amorphous silicon thin films

We study hydrogen stability and its evolution during thermal annealing in nanostructured amorphous silicon thin films. From the simultaneous measurement of heat and hydrogen desorption, we obtain the experimental evidence of molecular diffusion in these materials. In addition, we introduce a simple diffusion model which shows good agreement with the experimental data

Measurement of the specific heat and determination of the thermodynamic functions of relaxed amorphous silicon

The specific heat, cp, of two amorphous silicon (a-Si) samples has been measured by differential scanning calorimetry in the 100–900K temperature range. When the hydrogen content is reduced by thermal annealing, cp approaches the value of crystalline Si (c-Si). Within experimental accuracy, we conclude that cp of relaxed pure a-Si coincides with that of c-Si. This result is used to determine the enthalpy, entropy, and Gibbs free energy of defect-free relaxed a-Si. Finally, the contribution of structural defects on these quantities is calculated and the melting point of several states of a-Si is predicted

Bulk silica-based luminescent materials by sol-gel processing of non-conventional precursors

The sol-gel synthesis of bulk silica-based luminescent materials using innocuous hexaethoxydisilane and hexamethoxydisilane monomers, followed by one hour thermal annealing in an inert atmosphere at 950oC-1150oC, is reported. As-synthesized hexamethoxydisilane-derived samples exhibit an intense blue photoluminescence band, whereas thermally treated ones emit stronger photoluminescence radiation peaking below 600 nm. For hexaethoxydisilane-based material, annealed at or above 1000oC, a less intense photoluminescence band, peaking between 780 nm and 850 nm that is attributed to nanocrystalline silicon is observed. Mixtures of both precursors lead to composed spectra, thus envisaging the possibility of obtaining pre-designed spectral behaviors by varying the mixture composition.

Síntese, caracterização e estudo das propriedades catalíticas e magnéticas de nanopartículas de Ni dispersas em matriz mesoporosa de SiO2

Nickel nanoparticles supported on amorphous silica ceramic matrix were synthesized by the polymeric precursor method. The nanostructure was characterized by NMR, BET, XRD, SEM, TEM, and flame atomic absorption spectrometry techniques. It was observed a dependence of the crystallite size on the thermal annealing, under a N2 atmosphere. The materials presented a high catalytic activity and selectivity upon the beta-pinene hydrogenation reaction. The magnetic hystereses were also correlated with the morphology of the processed material.

Time-Resolved Photoluminescence in Antimonide and Dilute Nitride Quantum Well Structures

This Master's thesis is devoted to semiconductor samples study using time-resolved photoluminescence. This method allows investigating recombination in semiconductor samples in order to develop quality of optoelectronic device. An additional goal was the method accommodation for low-energy-gap materials. The first chapter gives a brief intercourse into the basis of semiconductor physics. The key features of the investigated structures are noted. The usage area of the results covers saturable semiconductor absorber mirrors, disk lasers and vertical-external-cavity surface-emittinglasers. The experiment set-up is described in the second chapter. It is based on up-conversion procedure using a nonlinear crystal and involving the photoluminescent emission and the gate pulses. The limitation of the method was estimated. The first series of studied samples were grown at various temperatures and they suffered rapid thermal annealing. Further, a latticematched and metamorphically grown samples were compared. Time-resolved photoluminescence method was adapted for wavelengths up to 1.5 µm. The results allowed to specify the optimal substrate temperature for MBE process. It was found that the lattice-matched sample and the metamorphically grown sample had similar characteristics.

L’étude de l’InP et du GaP suite à l’implantation ionique de Mn et à un recuit thermique

Cette thèse est dédiée à l’étude des matériaux InMnP et GaMnP fabriqués par implantation ionique et recuit thermique. Plus précisément nous avons investigué la possibilité de former par implantation ionique des matériaux homogènes (alliages) de InMnP et GaMnP contenant de 1 à 5 % atomiques de Mn qui seraient en état ferromagnétique, pour des possibles applications dans la spintronique. Dans un premier chapitre introductif nous donnons les motivations de cette recherche et faisons une revue de la littérature sur ce sujet. Le deuxième chapitre décrit les principes de l’implantation ionique, qui est la technique utilisée pour la fabrication des échantillons. Les effets de l’énergie, fluence et direction du faisceau ionique sur le profil d’implantation et la formation des dommages seront mis en évidence. Aussi dans ce chapitre nous allons trouver des informations sur les substrats utilisés pour l’implantation. Les techniques expérimentales utilisées pour la caractérisation structurale, chimique et magnétique des échantillons, ainsi que leurs limitations sont présentées dans le troisième chapitre. Quelques principes théoriques du magnétisme nécessaires pour la compréhension des mesures magnétiques se retrouvent dans le chapitre 4. Le cinquième chapitre est dédié à l’étude de la morphologie et des propriétés magnétiques des substrats utilisés pour implantation et le sixième chapitre, à l’étude des échantillons implantés au Mn sans avoir subi un recuit thermique. Notamment nous allons voir dans ce chapitre que l’implantation de Mn à plus que 1016 ions/cm2 amorphise la partie implantée du matériau et le Mn implanté se dispose en profondeur sur un profil gaussien. De point de vue magnétique les atomes implantés se trouvent dans un état paramagnétique entre 5 et 300 K ayant le spin 5/2. Dans le chapitre 7 nous présentons les propriétés des échantillons recuits à basses températures. Nous allons voir que dans ces échantillons la couche implantée est polycristalline et les atomes de Mn sont toujours dans un état paramagnétique. Dans les chapitres 8 et 9, qui sont les plus volumineux, nous présentons les résultats des mesures sur les échantillons recuits à hautes températures : il s’agit d’InP et du GaP implantés au Mn, dans le chapitre 8 et d’InP co-implanté au Mn et au P, dans le chapitre 9. D’abord, dans le chapitre 8 nous allons voir que le recuit à hautes températures mène à une recristallisation épitaxiale du InMnP et du GaMnP; aussi la majorité des atomes de Mn se déplacent vers la surface à cause d’un effet de ségrégation. Dans les régions de la surface, concentrés en Mn, les mesures XRD et TEM identifient la formation de MnP et d’In cristallin. Les mesures magnétiques identifient aussi la présence de MnP ferromagnétique. De plus dans ces mesures on trouve qu’environ 60 % du Mn implanté est en état paramagnétique avec la valeur du spin réduite par rapport à celle trouvée dans les échantillons non-recuits. Dans les échantillons InP co-implantés au Mn et au P la recristallisation est seulement partielle mais l’effet de ségrégation du Mn à la surface est beaucoup réduit. Dans ce cas plus que 50 % du Mn forme des particules MnP et le restant est en état paramagnétique au spin 5/2, dilué dans la matrice de l’InP. Finalement dans le dernier chapitre, 10, nous présentons les conclusions principales auxquels nous sommes arrivés et discutons les résultats et leurs implications.

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.

Optical and Carrier Transport Properties of Cosputtered Zn–In–Sn–O Films and Their Applications to TFTs

The optical and carrier transport properties of amorphous transparent zinc indium tin oxide (ZITO)(a-ZITO) thin films and the characteristics of the thin-film transistors TFTs were examined as a function of chemical composition. The as-deposited films were very conductive and showed clear free carrier absorption FCA . The analysis of the FCA gave the effective mass value of 0.53 me and a momentum relaxation time of 3.9 fs for an a-ZITO film with Zn:In:Sn = 0.35:0.35:0.3. TFTs with the as-deposited channels did not show current modulation due to the high carrier density in the channels. Thermal annealing at 300°C decreased the carrier density and TFTs fabricated with the annealed channels operated with positive threshold voltages VT when Zn contents were 25 atom % or larger. VT shifted to larger negative values, and subthreshold voltage swing increased with decreasing the Zn content, while large on–off current ratios 107–108 were kept for all the Zn contents. The field effect mobilities ranged from 12.4 to 3.4 cm2 V−1 s−1 for the TFTs with Zn contents varying from 5 to 48 atom %. The role of Zn content is also discussed in relation to the carrier transport properties and amorphous structures.

Swift heavy ion induced surface and microstructural evolution in metallic glass thin films

Swift heavy ion induced changes in microstructure and surface morphology of vapor deposited Fe–Ni based metallic glass thin films have been investigated by using atomic force microscopy, X-ray diffraction and transmission electron microscopy. Ion beam irradiation was carried out at room temperature with 103 MeV Au9+ beam with fluences ranging from 3 1011 to 3 1013 ions/cm2. The atomic force microscopy images were subjected to power spectral density analysis and roughness analysis using an image analysis software. Clusters were found in the image of as-deposited samples, which indicates that the film growth is dominated by the island growth mode. As-deposited films were amorphous as evidenced from X-ray diffraction; however, high resolution transmission electron microscopy measurements revealed a short range atomic order in the samples with crystallites of size around 3 nm embedded in an amorphous matrix. X-ray diffraction pattern of the as-deposited films after irradiation does not show any appreciable changes, indicating that the passage of swift heavy ions stabilizes the short range atomic ordering, or even creates further amorphization. The crystallinity of the as-deposited Fe–Ni based films was improved by thermal annealing, and diffraction results indicated that ion beam irradiation on annealed samples results in grain fragmentation. On bombarding annealed films, the surface roughness of the films decreased initially, then, at higher fluences it increased. The observed change in surface morphology of the irradiated films is attributed to the interplay between ion induced sputtering, volume diffusion and surface diffusion

Structure variation and evolution in microphase-separated grafted diblock copolymer films

The phase behavior of grafted d-polystyrene-block-poly(methyl methacrylate) diblock copolymer films is examined, with particular focus on the effect of solvent and annealing time. It was observed that the films undergo a two-step transformation from an initially disordered state, through an ordered metastable state, to the final equilibrium configuration. It was also found that altering the solvent used to wash the films, or complete removal of the solvent prior to thermal annealing using supercritical CO2, could influence the structure of the films in the metastable state, though the final equilibrium state was unaffected. To aid in the understanding to these experimental results, a series of self-consistent field theory calculations were done on a model diblock copolymer brush containing solvent. Of the different models examined, those which contained a solvent selective for the grafted polymer block most accurately matched the observed experimental behavior. We hypothesize that the structure of the films in the metastable state results from solvent enrichment of the film near the film/substrate interface in the case of films washed with solvent or faster relaxation of the nongrafted block for supercritical CO2 treated (solvent free) films. The persistence of the metastable structures was attributed to the slow reorganization of the polymer chains in the absence of solvent.

High performance polyester-based materials

Biaxially oriented films produced from semi-crystalline, semi-aromatic polyesters are utilised extensively as components within various applications, including the specialist packaging, flexible electronic and photovoltaic markets. However, the thermal performance of such polyesters, specifically poly(ethylene terephthalate) (PET) and poly(ethylene-2,6-naphthalate) (PEN), is inadequate for several applications that require greater dimensional stability at higher operating temperatures. The work described in this project is therefore primarily focussed upon the copolymerisation of rigid comonomers with PET and PEN, in order to produce novel polyester-based materials that exhibit superior thermomechanical performance, with retention of crystallinity, to achieve biaxial orientation. Rigid biphenyldiimide comonomers were readily incorporated into PEN and poly(butylene-2,6-naphthalate) (PBN) via a melt-polycondensation route. For each copoly(ester-imide) series, retention of semi-crystalline behaviour is observed throughout entire copolymer composition ratios. This phenomenon may be rationalised by cocrystallisation between isomorphic biphenyldiimide and naphthalenedicarboxylate residues, which enables statistically random copolymers to melt-crystallise despite high proportions of imide sub-units being present. In terms of thermal performance, the glass transition temperature, Tg, linearly increases with imide comonomer content for both series. This facilitated the production of several high performance PEN-based biaxially oriented films, which displayed analogous drawing, barrier and optical properties to PEN. Selected PBN copoly(ester-imide)s also possess the ability to either melt-crystallise, or form a mesophase from the isotropic state depending on the applied cooling rate. An equivalent synthetic approach based upon isomorphic comonomer crystallisation was subsequently applied to PET by copolymerisation with rigid diimide and Kevlar®-type amide comonomers, to afford several novel high performance PET-based copoly(ester-imide)s and copoly(ester-amide)s that all exhibited increased Tgs. Retention of crystallinity was achieved in these copolymers by either melt-crystallisation or thermal annealing. The initial production of a semi-crystalline, PET-based biaxially oriented film with a Tg in excess of 100 °C was successful, and this material has obvious scope for further industrial scale-up and process development.

Structural characterization of supported nanocrystalline ZnO thin films prepared by dip-coating

Nanocrystalline ZnO thin films prepared by the sol-gel dip-coating technique were characterized by grazing incidence X-ray diffraction (GIXD), atomic force microscopy (AFM), X-ray reflectivity (XR) and grazing incidence small-angle X-ray scattering (GISAXS). The structures of several thin films subjected to (i) isochronous annealing at 350, 450 and 550 degrees C, and (ii) isothermal annealing at 450 degrees C during different time periods, were characterized. The studied thin films are composed of ZnO nanocrystals as revealed by analysing several GIXD patterns, from which their average sizes were determined. Thin film thickness and roughness were determined from quantitative analyses of AFM images and XR patterns. The analysis of XR patterns also yielded the average density of the studied films. Our GISAXS study indicates that the studied ZnO thin films contain nanopores with an ellipsoidal shape, and flattened along the direction normal to the substrate surface. The thin film annealed at the highest temperature, T = 550 degrees C, exhibits higher density and lower thickness and nanoporosity volume fraction, than those annealed at 350 and 450 degrees C. These results indicate that thermal annealing at the highest temperature (550 degrees C) induces a noticeable compaction effect on the structure of the studied thin films. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Synthesis, Characterization, Luminescence and Defect Centres in CaYAl(3)O(7):Eu(3+) Red Phosphor

CaYAl(3)O(7):Eu(3+) phosphor was prepared at furnace temperatures as low as 550A degrees C by a solution combustion method. The formation of crystalline CaYAl(3)O(7):Eu(3+) was confirmed by powder X-Ray diffraction pattern. The prepared phosphor was characterized by SEM, FT-IR and photoluminescence techniques. Photoluminescence measurements indicated that emission spectrum is dominated by the red peak located at 618 nm due to the (5)D(0)-(7)F(2) electric dipole transition of Eu(3+) ions. Electron Spin Resonance (ESR) studies were carried out to identify the centres responsible for the thermoluminescence (TL) peaks. Room temperature ESR spectrum of irradiated phosphor appears to be a superposition of two distinct centres. One of the centres (centre I) with principal g-value 2.0126 is identified as an O(-) ion while centre II with an isotropic g-factor 2.0060 is assigned to an F(+) centre (singly ionized oxygen vacancy). An additional defect centre is observed during thermal annealing experiments and this centre (assigned to F(+) centre) seems to originate from an F centre (oxygen vacancy with two electrons). The F(+) centre appears to correlate with the observed high temperature TL peak in CaYAl(3)O(7):Eu(3+) phosphor.

Characterization, photoluminescence, thermally stimulated luminescence and electron spin resonance studies of Eu(3+) doped LaAlO(3) phosphor

Europium-doped lanthanum aluminate (LaAlO(3)) powder was prepared by using a combustion method. The crystallization, surface morphology, specific surface area and luminescence properties of the samples have been investigated. Photoluminescence studies of Eu doped LaAlO(3) showed orange-reddish emission due to Eu(3+) ions. LaAlO(3):Eu(3+) exhibits one thermally stimulated luminescence (TSL) peak around 400 degrees C. Room temperature electron spin resonance spectrum of irradiated phosphor appears to be a superposition of two centres. One of them (centre I) with principal g-value 2.017 is identified as an O(-) centre while centre II with an isotropic g-value 2.011 is assigned to an F(+) centre (singly ionized oxygen vacancy). An additional defect centre observed during thermal annealing around 300 degrees C grows with the annealing temperature. This centre (assigned to F(+) centre) originates from an F-centre (oxygen vacancy with two electrons) and the F-centre along with the associated F(+) centre appear to correlate with the observed TSL peak in LaAlO(3):Eu(3+) phosphor. The activation energy for this peak has been determined to be 1.54 eV from TSL data. (C) 2010 Elsevier Masson SAS. All rights reserved.

Luminescence and defect centres in Tb(3+) doped LaMgAl(11)O(19) phosphors

Terbium (Tb) doped LaMgAl(11)O(19) phosphors have been prepared by the combustion of corresponding metal nitrates (oxidizer) and urea (fuel) at furnace temperature as low as 500 C Combustion synthesized powder phosphor was characterized by X-ray diffraction and field emission scanning electron microscopy techniques LaMgAl(11)O(19) doped with trivalent terbium ions emit weakly in blue and orange light region and strongly in green light region when excited by the ultraviolet light of 261 nm Electron Spin Resonance (ESR) studies were carried out to study the defect centres Induced in the phosphor by gamma irradiation and also to identify the defect centres responsible for the thermally stimulated luminescence (TSL) process Room temperature ESR spectrum of irradiated phosphor appears to be a superposition of at least two defect centres One of the centres (centre I) with principal g-values g(parallel to) = 2 0417 and g(perpendicular to) = 2 0041 is identified as O(2)(-) ion while centre II with an axially symmetric g-tensor with principal values g(parallel to) = 19698 and g(perpendicular to) = 1 9653 is assigned to an F(+) centre (singly ionized oxygen vacancy) An additional defect centre is observed during thermal annealing experiments and this centre (assigned to F(+) centre) seems to originate from an F centre (oxygen vacancy with two electrons) The F centre and also the F+ centre appear to correlate with the observed high temperature TSL peak in LaMgAl(11)O(19) Tb phosphor (C) 2010 Elsevier Masson SAS All rights reserved