Thin Film Transistors obtained by Hot-Wire CVD

Hydrogenated microcrystalline silicon films obtained at low temperature (150-280°C) by hot wire chemical vapour deposition at two different process pressures were measured by Raman spectroscopy, X-ray diffraction (XRD) spectroscopy and photothermal deflection spectroscopy (PDS). A crystalline fraction >90% with a subgap optical absortion 10 cm -1 at 0.8 eV were obtained in films deposited at growth rates >0.8 nm/s. These films were incorporated in n-channel thin film transistors and their electrical properties were measured. The saturation mobility was 0.72 ± 0.05 cm 2/ V s and the threshold voltage around 0.2 eV. The dependence of their conductance activation energies on gate voltages were related to the properties of the material.

New features of the layer-by-layer deposition of microcrystalline silicon films revealed by spectroscopic ellipsometry and high resolution transmission electron microscopy

Spectroscopic ellipsometry and high resolution transmission electron microscopy have been used to characterize microcrystalline silicon films. We obtain an excellent agreement between the multilayer model used in the analysis of the optical data and the microscopy measurements. Moreover, thanks to the high resolution achieved in the microscopy measurements and to the improved optical models, two new features of the layer-by-layer deposition of microcrystalline silicon have been detected: i) the microcrystalline films present large crystals extending from the a-Si:H substrate to the film surface, despite the sequential process in the layer-by-layer deposition; and ii) a porous layer exists between the amorphous silicon substrate and the microcrystalline silicon film.

Degradation of thin tungsten filaments at high temperature in HWCVD

The degradation of the filaments is usually studied by checking the silicidation or carbonization status of the refractory metal used as catalysts, and their effects on the structural stability of the filaments. In this paper, it will be shown that the catalytic stability of a filament heated at high temperature is much shorter than its structural lifetime. The electrical resistance of a thin tungsten filament and the deposition rate of the deposited thin film have been monitored during the filament aging. It has been found that the deposition rate drops drastically once the quantity of dissolved silicon in the tungsten reaches the solubility limit and the silicides start precipitating. This manuscript concludes that the catalytic stability is only guaranteed for a short time and that for sufficiently thick filaments it does not depend on the filament radius.

Coherent patterns and self-induced diffraction of electrons on a thin nonlinear layer

Electron scattering on a thin layer where the potential depends self-consistently on the wave function has been studied. When the amplitude of the incident wave exceeds a certain threshold, a soliton-shaped brightening (darkening) appears on the layer causing diffraction of the wave. Thus the spontaneously formed transverse pattern can be viewed as a self-induced nonlinear quantum screen. Attractive or repulsive nonlinearities result in different phase shifts of the wave function on the screen, which give rise to quite different diffraction patterns. Among others, the nonlinearity can cause self-focusing of the incident wave into a beam, splitting in two "beams," single or double traces with suppressed reflection or transmission, etc.

Enhanced photocatalytic activity of TiO2 films by modification with polyethylene glycol

Titanium dioxide porous thin films on the Anatase phase were deposited onto glass slides by the sol-gel method assisted with polyethylene glycol (PEG). The dip-coated films were characterized using scanning electron microscopy (SEM), thermogravimetric analysis (TGA and DTG), UV-visible spectroscopy and X-ray diffraction (XRD). The photocatalytic activity of the films was determined by means of methyl-orange oxidation tests. The resultant PEG-modified films were crack-free and developed a porous structure after calcination at 500 °C. Photo-oxidation tests showed the dependency of catalytic activity of the films on the number of layers (thickness) and porosity, i.e. of the interfacial area.

Research and development of III-V semiconductor surfaces for improved device interfaces

This thesis is devoted to understanding and improving technologically important III-V compound semiconductor (e.g. GaAs, InAs, and InSb) surfaces and interfaces for devices. The surfaces and interfaces of crystalline III-V materials have a crucial role in the operation of field-effect-transistors (FET) and highefficiency solar-cells, for instance. However, the surfaces are also the most defective part of the semiconductor material and it is essential to decrease the amount of harmful surface or interface defects for the next-generation III-V semiconductor device applications. Any improvement in the crystal ordering at the semiconductor surface reduces the amount of defects and increases the material homogeneity. This is becoming more and more important when the semiconductor device structures decrease to atomic-scale dimensions. Toward that target, the effects of different adsorbates (i.e., Sn, In, and O) on the III-V surface structures and properties have been investigated in this work. Furthermore, novel thin-films have been synthesized, which show beneficial properties regarding the passivation of the reactive III-V surfaces. The work comprises ultra-high-vacuum (UHV) environment for the controlled fabrication of atomically ordered III-V(100) surfaces. The surface sensitive experimental methods [low energy electron diffraction (LEED), scanning tunneling microscopy/spectroscopy (STM/STS), and synchrotron radiation photoelectron spectroscopy (SRPES)] and computational density-functionaltheory (DFT) calculations are utilized for elucidating the atomic and electronic properties of the crucial III-V surfaces. The basic research results are also transferred to actual device tests by fabricating metal-oxide-semiconductor capacitors and utilizing the interface sensitive measurement techniques [capacitance voltage (CV) profiling, and photoluminescence (PL) spectroscopy] for the characterization. This part of the thesis includes the instrumentation of home-made UHV-compatible atomic-layer-deposition (ALD) reactor for growing good quality insulator layers. The results of this thesis elucidate the atomic structures of technologically promising Sn- and In-stabilized III-V compound semiconductor surfaces. It is shown that the Sn adsorbate induces an atomic structure with (1×2)/(1×4) surface symmetry which is characterized by Sn-group III dimers. Furthermore, the stability of peculiar ζa structure is demonstrated for the GaAs(100)-In surface. The beneficial effects of these surface structures regarding the crucial III-V oxide interface are demonstrated. Namely, it is found that it is possible to passivate the III-V surface by a careful atomic-scale engineering of the III-V surface prior to the gate-dielectric deposition. The thin (1×2)/(1×4)-Sn layer is found to catalyze the removal of harmful amorphous III-V oxides. Also, novel crystalline III-V-oxide structures are synthesized and it is shown that these structures improve the device characteristics. The finding of crystalline oxide structures is exploited by solving the atomic structure of InSb(100)(1×2) and elucidating the electronic structure of oxidized InSb(100) for the first time.

Laser scribing of thin-film PV modules

This study is a literature review on laser scribing in monolithically interconnected thin-film PV modules, focusing on efficiency of modules based on absorber materials CIGS, CdTe and a-Si. In thin-film PV module manufacturing scribing is used to interconnect individual cells monolithically by P1, P2 and P3 scribes. Laser scribing has several advantages compared to mechanical scribing for this purpose. However, laser scribing of thin-films can be a challenging process and may induce efficiency reducing defects. Some of these defects can be avoided by improving optimisation or processing methods.

Cage de résonance à base de films minces transparents et conducteurs de nanotubes de carbone

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Films minces supramoléculaires de copolymères de PS-P4VP réalisés par trempage

Bien que ce soit un procédé industriel répandu, les films de copolymères à blocs préparés par trempage (« dip-coating ») sont moins étudiés que ceux obtenus par tournette (« spin-coating »). Pourtant, il est possible grâce à cette technique de contrôler précisément les caractéristiques de ces films. Au-delà de la méthode de fabrication, la capacité de modifier la morphologie des films trempés à l’aide d’autres facteurs externes est un enjeu primordial pour leur utilisation dans les nanotechnologies. Nous avons choisi, ici, d’étudier l’influence d’une petite molécule sur la morphologie de films supramoléculaires réalisés par « dip-coating » à partir de solutions de poly(styrène-b-4-vinyl pyridine) (PS-P4VP) dans le tétrahydrofurane (THF). En présence de 1-naphtol (NOH) et d’1-acide napthoïque (NCOOH), qui se complexent par pont hydrogène au bloc P4VP, ces films donnent, respectivement, une morphologie en nodules (sphères) et en stries (cylindres horizontaux). Des études par spectroscopie infrarouge ont permis de mesurer la quantité de petite molécule dans ces films minces, qui varie avec la vitesse de retrait mais qui s’avère être identique pour les deux petites molécules, à une vitesse de retrait donnée. Cependant, des études thermiques ont montré qu’une faible fraction de petite molécule est dispersée dans le PS (davantage de NOH que de NCOOH à cause de la plus faible liaison hydrogène du premier). La vitesse de retrait est un paramètre clé permettant de contrôler à la fois l’épaisseur et la composition du film supramoléculaire. L’évolution de l’épaisseur peut être modélisée par deux régimes récemment découverts. Aux faibles vitesses, l’épaisseur décroît (régime de capillarité), atteint un minimum, puis augmente aux vitesses plus élevées (régime de drainage). La quantité de petite molécule augmente aux faibles vitesses pour atteindre un plateau correspondant à la composition de la solution aux vitesses les plus élevées. Des changements de morphologie, à la fois liés à l’épaisseur et à la quantité de petite molécule, sont alors observés lorsque la vitesse de retrait est modifiée. Le choix du solvant est aussi primordial dans le procédé de « dip-coating » et a été étudié en utilisant le chloroforme, qui est un bon solvant pour les deux blocs. Il s’avère qu’à la fois la composition ainsi que la morphologie des films de PS-P4VP complexés sont différentes par rapport aux expériences réalisées dans le THF. Premièrement, la quantité de petite molécule reste constante avec la vitesse de retrait mais les films sont plus riches en NCOOH qu’en NOH. Deuxièmement, la morphologie des films contenant du NOH présente des stries ainsi que des lamelles à plat, tandis que seules ces dernières sont observables pour le NCOOH. Ce comportement est essentiellement dû à la quantité différente de petite molécule modulée par leur force de complexation différente avec le P4VP dans le chloroforme. Enfin, ces films ont été utilisés pour l’adsorption contrôlée de nanoparticules d’or afin de guider leur organisation sur des surfaces recouvertes de PS-P4VP. Avant de servir comme gabarits, un recuit en vapeurs de solvant permet soit d’améliorer l’ordre à longue distance des nodules de P4VP, soit de modifier la morphologie des films selon le solvant utilisé (THF ou chloroforme). Ils peuvent être ensuite exposés à une solution de nanoparticules d’or de 15 nm de diamètre qui permet leur adsorption sélective sur les nodules (ou stries) de P4VP.

Study of Langmuir-Blodgett Films of Self-Assembled Diblock Copolymers

L'auto-assemblage des copolymères à bloc (CPBs) attire beaucoup d'intérêt grâce à leur capacité de générer spontanément des matériaux ordonnés avec des propriétés uniques. Les techniques Langmuir-Blodgett (LB) et Langmuir-Schaefer (LS) sont couramment utilisées pour produire des monocouches ou des films ultraminces à l'interface air/eau suivi de transfert aux substrats solides. Les films LB/LS de CPBs amphiphiles s'auto-assemblent dans des morphologies variables dépendamment de la composition du CPB ainsi que d'autres facteurs. Dans notre travail, nous avons étudié les films LB/LS de polystyrène-b-poly(4-vinyl pyridine) (PS-P4VP) et leurs complexes supramoléculaires avec le naphtol (NOH), l'acide naphtoïque (NCOOH) et le 3-n-pentadécylphenol (PDP). La première partie de ce mémoire est consacré à l'investigation du PS-P4VP complexé avec le NOH et le NCOOH, en comparaison avec le PS-P4VP seul. Il a été démontré qu'un plateau dans l'isotherme de Langmuir, indicatif d'une transition de premier ordre, est absent à des concentrations élevées des solutions d'étalement des complexes. Cela a été corrélé avec l'absence de morphologie en nodules avec un ordre 2D hexagonal à basse pression de surface. L'ordre au-delà de la pression de cette transition, lorsque présente, change à un ordre 2D carré pour tout les systèmes. La deuxième partie du la mémoire considère à nouveau le système PS-P4VP/ PDP, pour lequel on a démontré antérieurement que la transition dans l'isotherme correspond a une transition 2D d'un ordre hexagonal à un ordre carré. Cela est confirmé par microscopie à force atomique, et, ensuite, on a procédé à une étude par ATR-IR des films LB pour mieux comprendre les changements au niveau moléculaire qui accompagnent cette transition. Il a été constaté que, contrairement à une étude antérieure dans la littérature sur un autre système, il n'y a aucun changement dans l'orientation des chaînes alkyles. Au lieu de cela, on a découvert que, aux pressions au-delà de celle de la transition, le groupe pyridine, qui est orienté à basse pression, devient isotrope et qu'il y a une augmentation des liaisons hydrogènes phénol-pyridine. Ces observations sont rationalisées par un collapse partiel à la pression de transition de la monocouche P4VP, qui à basse pression est ordonné au niveau moléculaire. Cette étude a mené à une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires qui se produisent à l'interface air/eau, ce qui fournit une meilleure base pour la poursuite des applications possibles des films LB/LS dans les domaines de nanotechnologie.

Films minces de copolymères à blocs supramoléculaires et photosensibles

La technique de trempage («dip-coating») est un procédé rapide et efficace pour former des films minces de copolymères à blocs (CPB) d’épaisseur et de nano-morphologies variées. Très peu d’études ont toutefois porté sur le trempage des CPB supramoléculaires et/ou photosensibles. Le trempage du CPB poly(styrène-b-4-vinyl pyridine) (PS-P4VP) a premièrement été étudié avec des petites molécules (PM) d’acide 1-naphtoïque (NCOOH) et de 1-naphtol (NOH) capables de former des ponts hydrogène (ponts H) avec le bloc P4VP dans 4 solvants (tétrahydrofurane (THF), p-dioxane, toluène et chloroforme). Le ratio d’incorporation (RI) molaire PM/VP dans les films trempés augmente avec la vitesse de retrait mais sa variation dépend fortement du solvant et de la PM utilisés. Le RI et la morphologie des films minces dépendent de la possibilité (ou non) du solvant à former des ponts H avec la PM et de sa sélectivité au bloc de PS menant (ou non) à des micelles de P4VP/PM en solution dont la rigidité influence l’état cinétique du système en film mince. La dépendance en une courbe en V de l’épaisseur des films en fonction la vitesse de retrait définit deux régimes, nommés régimes capillaire et de drainage. Ces régimes influencent différemment le RI et la morphologie finale. Nous nous sommes ensuite intéressés aux complexes de PS-P4VP avec des azobenzènes (AB) photosensibles, le 4-hydroxy-4’-butyl-azobenzène (BHAB) et le 4-hydroxy-4’-cyano-azobenzène (CHAB). Ces AB peuvent non seulement former des ponts H avec le bloc P4VP mais aussi s'isomériser entre les formes trans et cis sous illumination. Les expériences avec PS-P4VP/BHAB dans le THF et le toluène ont révélé que l'irradiation pendant le trempage permet de provoquer une transition entre les morphologies sphérique et cylindrique à basses vitesses de retrait. Ces transitions sont expliquées par l’augmentation du ratio molaire BHAB/VP pris dans les films sous illumination et par le plus grand volume des isomères BHAB-cis par rapport aux BHAB-trans. L'irradiation permet également de moduler l'épaisseur des films sans égard à la présence des AB. Finalement, des solutions de PS-P4VP/CHAB et PS-P4VP/BHAB dans le THF avec un CPB de masse molaire plus élevée ont été étudiées afin de comprendre l’effet d'un temps de demi-vie plus court de l’AB et de la présence de micelles en solution. Le photocontrôle morphologique perd de son efficacité avec le CHAB car l’augmentation du RI de CHAB dans les films illuminés par rapport aux films non irradiés est moins prononcée que pour les complexes de BHAB. Le choix du PS-P4VP est également important puisque la présence de micelles dans les solutions de THF du PS-P4VP(36,5k-16k), même si elle n’influence pas les RI BHAB/VP, fige davantage la morphologie sphérique en solution par rapport à une solution non-micellaire de PS-P4VP(24k-9,5k), limitant les possibilités de transition morphologique.

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.

Metglas thin film based magnetostrictive transducers for use in long period fibre grating sensors

Metallic glass alloy Metglas 2826 MB based amorphous magnetic thin films were fabricated by the thermal evaporation technique. Transmission electron micrographs and electron diffraction pattern showed the amorphous nature of the films. Composition of the films was analyzed employing x-ray photoelectron spectroscopy and energy dispersive x-ray spectroscopy techniques. The film was integrated to a long period fibre grating. It was observed that the resonance wavelength of the fibre grating decreased with an increase in the magnetic field. Change in the resonance wavelength was minimal at higher magnetic fields. Field dependent magnetostriction values revealed the potential application of these films in magnetostrictive sensor devices

Light amplification in dye doped polymer films

We report unusual spectral narrowing and laser emission from polymer thin films doped with Coumarin 540 dye. The laser emission from the polymer films is found to be highly dependent upon the excitation length of the medium. Even a short length of 1.75 mm of the dye doped film gave rise to laser emission with FWHM of 0.3 nm for a pump intensity of 825 kW cm−2. The partial reflections from the broad lateral surfaces of the free standing films provided the optical feedback for the laser emission. Occurrence of well-resolved equally spaced resonant modes confirmed the effect of a Fabry–Perot-like optical cavity between the film surfaces