Adiabatic and local approximations for the kohn-sham potential in the hubbard model

We obtain the exact time-dependent Kohn-Sham potentials Vks for 1D Hubbard chains, driven by a d.c. external field, using the time-dependent electron density and current density obtained from exact many-body time-evolution. The exact Vxc is compared to the adiabatically-exact Vad-xc and the “instantaneous ground state” Vigs-xc. The effectiveness of these two approximations is analyzed. Approximations for the exchange-correlation potential Vxc and its gradient, based on the local density and on the local current density, are also considered and both physical quantities are observed to be far outside the reach of any possible local approximation. Insight into the respective roles of ground-state and excited-state correlation in the time-dependent system, as reflected in the potentials, is provided by the pair correlation function.

Ab-initio determination of x-ray absorption near edge structure (xanes) spectra in an ultrasoft and norm conserving pseudopotentials scheme

X-ray absorption spectroscopy (XAS) is a powerful means of investigation of structural and electronic properties in condensed -matter physics. Analysis of the near edge part of the XAS spectrum, the so – called X-ray Absorption Near Edge Structure (XANES), can typically provide the following information on the photoexcited atom: - Oxidation state and coordination environment. - Speciation of transition metal compounds. - Conduction band DOS projected on the excited atomic species (PDOS). Analysis of XANES spectra is greatly aided by simulations; in the most common scheme the multiple scattering framework is used with the muffin tin approximation for the scattering potential and the spectral simulation is based on a hypothetical, reference structure. This approach has the advantage of requiring relatively little computing power but in many cases the assumed structure is quite different from the actual system measured and the muffin tin approximation is not adequate for low symmetry structures or highly directional bonds. It is therefore very interesting and justified to develop alternative methods. In one approach, the spectral simulation is based on atomic coordinates obtained from a DFT (Density Functional Theory) optimized structure. In another approach, which is the object of this thesis, the XANES spectrum is calculated directly based on an ab – initio DFT calculation of the atomic and electronic structure. This method takes full advantage of the real many-electron final wavefunction that can be computed with DFT algorithms that include a core-hole in the absorbing atom to compute the final cross section. To calculate the many-electron final wavefunction the Projector Augmented Wave method (PAW) is used. In this scheme, the absorption cross section is written in function of several contributions as the many-electrons function of the finale state; it is calculated starting from pseudo-wavefunction and performing a reconstruction of the real-wavefunction by using a transform operator which contains some parameters, called partial waves and projector waves. The aim of my thesis is to apply and test the PAW methodology to the calculation of the XANES cross section. I have focused on iron and silicon structures and on some biological molecules target (myoglobin and cytochrome c). Finally other inorganic and biological systems could be taken into account for future applications of this methodology, which could become an important improvement with respect to the multiscattering approach.

Manufacturing and characterization of amorphous silicon alloys passivation layers for silicon hetero-junction solar cells

Nel presente lavoro di tesi magistrale sono stati depositati e caratterizzati film sottili (circa 10 nm) di silicio amorfo idrogenato (a-Si:H), studiando in particolare leghe a basso contenuto di ossigeno e carbonio. Tali layer andranno ad essere implementati come strati di passivazione per wafer di Si monocristallino in celle solari ad eterogiunzione HIT (heterojunctions with intrinsic thin layer), con le quali recentemente è stato raggiunto il record di efficienza pari a 24.7% . La deposizione è avvenuta mediante PECVD (plasma enhanced chemical vapour deposition). Tecniche di spettroscopia ottica, come FT-IR (Fourier transform infrared spectroscopy) e SE (spettroscopic ellipsometry) sono state utilizzate per analizzare le configurazioni di legami eteronucleari (Si-H, Si-O, Si-C) e le proprietà strutturali dei film sottili: un nuovo metodo è stato implementato per calcolare i contenuti atomici di H, O e C da misure ottiche. In tal modo è stato possibile osservare come una bassa incorporazione (< 10%) di ossigeno e carbonio sia sufficiente ad aumentare la porosità ed il grado di disordine a lungo raggio del materiale: relativamente a quest’ultimo aspetto, è stata sviluppata una nuova tecnica per determinare dagli spettri ellisometrici l’energia di Urbach, che esprime la coda esponenziale interna al gap in semiconduttori amorfi e fornisce una stima degli stati elettronici in presenza di disordine reticolare. Nella seconda parte della tesi sono stati sviluppati esperimenti di annealing isocrono, in modo da studiare i processi di cristallizzazione e di effusione dell’idrogeno, correlandoli con la degradazione delle proprietà optoelettroniche. L’analisi dei differenti risultati ottenuti studiando queste particolari leghe (a-SiOx e a-SiCy) ha permesso di concludere che solo con una bassa percentuale di ossigeno o carbonio, i.e. < 3.5 %, è possibile migliorare la risposta termica dello specifico layer, ritardando i fenomeni di degradazione di circa 50°C.

Crescita e analisi strutturale di film nanoparticellari di titania

Il lavoro di questa tesi è incentrato sulla crescita e lo studio delle proprietà strutturali di sistemi nanostrutturati di titanio e ossido di titanio, prodotti mediante la tecnica della condensazione in gas inerte. Lo studio è finalizzato in particolare ad ottenere un materiale idoneo per la produzione di idrogeno tramite la foto-elettrolisi. Nel primo capitolo viene descritto a livello teorico il processo di scissione dell’acqua all’interno di celle foto-elettrochimiche, in cui viene impiegato il TiO2 (titania) come foto-anodo. Nel secondo capitolo viene introdotta la tecnica di crescita, viene descritta la macchina utilizzata illustrandone vantaggi e limitazioni. Inoltre viene fornita una descrizione teorica del tipo di crescita che avviene all’interno della camera di evaporazione. Allo scopo di comprendere meglio questi processi, vengono riportati nel capitolo 3 alcuni studi, basati su principi primi, riguardanti la stabilità di fase e le trasformazioni di fase per i tre principali polimorfi del TiO2. Nel capitolo 4 sono illustrate le tecniche impiegate per l’indagine strutturale: diffrazione e assorbimento di raggi X con relativa analisi dati, microscopia elettronica a scansione. Prima di misurare l’attività fotocatalitica dei campioni di nanoparticelle di titania, è necessario condurre delle misure di fotocorrente in una cella foto-elettrochimica, i risultati di queste analisi di tipo funzionale sono presentati nel capitolo 5. Nel capitolo 6 sono riportate le conclusioni del lavoro di tesi.

Il sistema mg-ti nanostrutturato per lo stoccaggio d'idrogeno allo stato solido

Nella presente tesi ci si pone lo scopo di studiare stabilità, ciclabilità e cinetica di campioni composti da magnesio e titanio (Mg-Ti) prodotti con la tecnica della condensazione in gas inerte (IGC) per lo di stoccaggio di idrogeno. Il sistema Mg-Ti sembra essere un buon candidato per poter costruire serbatoi di idrogeno allo stato solido sia per applicazioni fisse che mobili. La ricerca di tecnologie efficaci per immagazzinare idrogeno è fondamentale per poter affermare un ciclo energetico sostenibile, svincolato dai combustibili fossili. Sia il lavoro di crescita dei campioni all'Università di Bologna, sia la caratterizzazione di questi nei laboratori dell' Institut de Chimie et des Materiaux Paris-Est (ICMPE) si collocano all'interno del progetto europeo COST per la ricerca di materiali nanostrutturati destinati ad applicazioni nel campo dello stoccaggio dell'energia in forma di idrogeno allo stato solido.

Magneto-optic kerr microscopy for the study of magnetic nanostructures

La microscopia Kerr magneto-ottica è una tecnica di caratterizzazione magnetica che permette di ottenere informazioni sulla magnetizzazione superficiale di un campione ferromagnetico. La sensibilità locale e superficiale di questa tecnica, che è determinata sia dalla capacità di un microscopio ottico di ottenere un'immagine della superficie del campione che dalla profondità di penetrazione della luce visibile nei metalli, la rende adatta allo studio delle proprietà fisiche di nanostrutture magnetiche. Attraverso l'uso del microscopio Kerr di proprietà del Gruppo di Nanomagnetismo parte del Centro Cooperativo di Ricerca nanoGUNE Consolider (San Sebastian - Spagna), è stato possibile indagare l'effetto dato dall'anisotropia di scambio in nanostrutture magnetiche, per capire il comportamento di tale effetto in geometrie confinate al variare della temperatura. Questo studio ha permesso di individuare i limiti dello strumento e di conseguenza di estenderne le funzionalità. I principali interventi eseguiti hanno riguardato la stabilizzazione meccanica del sistema e lo sviluppo di un nuovo programma di acquisizione dati. Inoltre, la capacità di ottenere cicli di isteresi da singole nanostrutture magnetiche è stata sfruttata nello sviluppo di un nuovo tipo di dispositivo per la manipolazione di nanoparticelle magnetiche in soluzione, il cui principio di funzionamento si basa sulla mobilità delle pareti di dominio all'interno di anelli ferromagnetici con dimensione micro o nanometrica e sull'accoppiamento magnetostatico tra tali pareti di dominio e nanoparticelle superparamagnetiche trasportate in soluzione.

Studio, microfabbricazione e caratterizzazione di dispositivi in silicio deformato per applicazioni opto-elettroniche

Il silicio, materiale di base per la realizzazione di gran parte dei dispositivi microelettronici, non trova largo impiego in fotonica principalmente a causa delle sue proprietà elettromagnetiche: oltre ad un band-gap indiretto, il silicio presenta difatti una elevata simmetria reticolare che non permette la presenza di alcuni effetti, come quello elettro-ottico, che sono invece utilmente sfruttati in altri materiali per la fotonica. E’ stato recentemente dimostrato che la deformazione indotta dalla deposizione di film ad alto stress intrinseco potrebbe indurre alcuni di questi effetti, rompendo le simmetrie della struttura. In questo lavoro di tesi viene studiata, mediante simulazioni, microfabbricazione di dispositivi, e caratterizzazione sperimentale, la deformazione reticolare indotta su strutture di tipo ridge micrometriche in silicio mediante deposizione di un film di Si3N4. La deformazione e’ stata analizzata tramite simulazione, utilizzando il metodo agli elementi finiti ed analisi di strain tramite la tecnica di microscopia ottica a trasmissione Convergent-Beam Electron Diffraction. Questa tecnica permette di ottenere delle mappe 2D di strain con risoluzione spaziale micrometrica e sensibilita’ dell’ordine di 100microstrain. Il confronto fra le simulazioni e le misure ha messo in evidenza un accordo quantitativo fra le due analisi, da una parte confermando la validità del modello numerico utilizzato e dall’altro verificando l’accuratezza della tecnica di misura, impiegata innovativamente su strutture di questo tipo. Si sono inoltre stimate le grandezze ottiche: birifrangenza e variazione dell’indice di rifrazione efficace rispetto al caso deformato.di una guida SOI su cui e’ deposto uno strato di nituro. I valori stimati, per uno spessore di 350 nm sono rispettivamente di 0.014 e -0.00475. Questi valori lasciano credere che la tecnologia sia promettente, e che un’evoluzione nei processi di fabbricazione in grado migliorare il controllo delle deformazione potrebbe aprire la strada ad un utilizzo del silicio deformato nella realizzazione di dispositivi ottici ed elettro-ottici.

Scaled down physical properties of semiconductor nanowires for nanoelectronics scaling up

Semiconductor nanowires (NWs) are one- or quasi one-dimensional systems whose physical properties are unique as compared to bulk materials because of their nanoscaled sizes. They bring together quantum world and semiconductor devices. NWs-based technologies may achieve an impact comparable to that of current microelectronic devices if new challenges will be faced. This thesis primarily focuses on two different, cutting-edge aspects of research over semiconductor NW arrays as pivotal components of NW-based devices. The first part deals with the characterization of electrically active defects in NWs. It has been elaborated the set-up of a general procedure which enables to employ Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) to probe NW arrays’ defects. This procedure has been applied to perform the characterization of a specific system, i.e. Reactive Ion Etched (RIE) silicon NW arrays-based Schottky barrier diodes. This study has allowed to shed light over how and if growth conditions introduce defects in RIE processed silicon NWs. The second part of this thesis concerns the bowing induced by electron beam and the subsequent clustering of gallium arsenide NWs. After a justified rejection of the mechanisms previously reported in literature, an original interpretation of the electron beam induced bending has been illustrated. Moreover, this thesis has successfully interpreted the formation of NW clusters in the framework of the lateral collapse of fibrillar structures. These latter are both idealized models and actual artificial structures used to study and to mimic the adhesion properties of natural surfaces in lizards and insects (Gecko effect). Our conclusion are that mechanical and surface properties of the NWs, together with the geometry of the NW arrays, play a key role in their post-growth alignment. The same parameters open, then, to the benign possibility of locally engineering NW arrays in micro- and macro-templates.

Investigation of dangling bonds in al2o3 passivated si surface using electron paramagnetic resonance (epr)

Nel presente lavoro di tesi magistrale sono stati depositati e caratterizzati sottili film di ossido di alluminio, Al2O3, (di spessore compreso tra 3-30 nm) su un substrato di FZ-Si drogato p. La deposizione è avvenuta mediante plasma ALD (Atomic Layer Depostion). La tecnica spettroscopica EPR (Electron Paramagnetic Resonance) è stata utilizzata per studiare l’interfaccia Si/Al2O3 con lo scopo di scoprire l’origine della formazione di densità di carica negativa Qf all’interfaccia: tale carica negativa induce una passivazione per effetto di campo ed è quindi la ragione per cui il dielettrico Al2O3 risulta essere un ottimo materiale passivante. Si è deciso di variare alcuni parametri, come lo spessore dello strato di Al2O3, lo spessore dello strato intermedio di ossido di silicio, depositato mediante ossidazione termica (dry thermal oxidation), e la superficie del substrato di silicio. Sono stati realizzati cinque differenti gruppi di campioni: per ciascuno di essi sono state impiegate varie tecniche di caratterizzazione, come la QSSPC (Quasi Steady State Photoconuctance) e la tecnica di spettroscopia ottica SE (spettroscopic ellipsometry). Per ogni gruppo sono stati riportati gli spettri EPR ottenuti ed i rispettivi fit, da cui è stato possibile risalire ai fattori giromagnetici di spin g, riportati in tabelle con le loro possibili attribuzioni. E’ stato dimostrato che la presenza di uno strato di ossido di silicio tra il substrato di silicio e lo strato di ossido di alluminio risulta essere fondamentale per la formazione di densità di carica negativa all’interfaccia: aumentando lo spessore dello strato di SiOx (nel range 1-30 nm) si assiste ad una diminuzione di carica negativa Qf. Analizzando gli spettri EPR, è stato possibile concludere che all’interfaccia Si/Al2O3 sono presenti difetti caratteristici dell’interfaccia Si/SiOx. Le nostre osservazioni, dunque, sono coerenti con la formazione di uno strato di ossido di silicio tra Si e Al2O3.

Surface preparation and characterization of semipolar (20-21) ingan layers

In questa tesi vengono studiate le proprietà fisiche della superficie di eterostrutture InGaN/GaN cresciute con orientazione semipolare (20-21). Questi materiali fornirebbero una valida alternativa alle eterostrutture cresciute secondo la tradizionale direzione di crescita polare (0001) per la realizzazione di LED e diodi laser. I dispositivi cresciuti con orientazione semipolare (20-21) sono studiati soltanto da pochi anni e hanno già fornito dei risultati che incitano significativamente il proseguimento della ricerca in questo campo. Oltre all’ottimizzazione dell’efficienza di questi dispositivi, sono richieste ulteriori ricerche al fine di raccogliere delle informazioni mancanti come un chiaro modello strutturale della superficie (20-21). I capitoli 1 e 2 forniscono un quadro generale sul vasto campo dei semiconduttori basati sui nitruri del terzo gruppo. Il capitolo 1 tratta le proprietà generali, come le caratteristiche della struttura cristallina della wurtzite, l’energy gap e il più comune metodo di crescita epitassiale. Il capitolo 2 tratta le proprietà specifiche della superficie (20-21) come struttura, morfologia e proprietà legate all’eterostruttura InGaN/GaN (incorporazione di indio, strain e spessore critico). Nel capitolo 3 vengono descritte sinteticamente le tecniche sperimentali utilizzate per studiare i campioni di InGaN. Molte di queste tecniche richiedono condizioni operative di alto vuoto e appositi metodi di preparazione superficiale. Nel capitolo 4 vengono discussi i risultati sperimentali riguardanti la preparazione superficiale e le proprietà strutturali dei campioni. Il trattamento termico in ambiente ricco di azoto si rivela essere un metodo molto efficiente per ottenere superfici pulite. La superficie dei campioni presenta una morfologia ondulatoria e una cella unitaria superficiale di forma rettangolare. Nel capitolo 4 vengono discussi i risultati sperimentali relativi alle proprietà elettroniche e ottiche dei campioni. Immagini alla risoluzione atomica rivelano la presenza di ondulazioni alla scala dei nanometri. Vengono misurati l’energy gap e l’incurvamento superficiale della bande. Inoltre vengono identificate una serie di transizioni interbanda dovute all’interfaccia InGaN/GaN.

Stable laser and upgraded vacuum setup for an experiment with ultracold atoms

In questo lavoro ci si propone di descrivere la realizzazione di un sistema laser con cavit´a esterna e di un apparato da ultra-alto-vuoto, che verranno impiegati in un esperimento di miscele di atomi ultrafreddi che utilizza due specie atomiche di bosoni: 87Rb e 41K. Speciale attenzione viene rivolta verso le caratteristiche dello schema utilizzato e sul sistema di controllo in temperatura, che rendono questo sistema laser particolarmente stabile in frequenza e insensibile alle vibrazioni e variazioni di temperatura. Si sono poi analizzate le propriet´a dei materiali impiegati e delle procedure sperimentali adottate per la realizzazione del nuovo apparato da vuoto, al fine di garantire migliori prestazioni rispetto al sistema attualmente in uso.

Determinazione del gradiente gravitazionale attraverso l'utilizzo di un interferometro atomico

Il lavoro presentato in questa tesi è stato svolto nell'ambito dell'esperimento MAGIA (Misura Accurata di G mediante Interferometria Atomica) che, come suggerito dall'acronimo, si propone di realizzare una misura della Costante Gravitazionale G utilizzando un interferometro atomico come sensore di forza. L'obbiettivo di MAGIA è quello di fornire una misura di G con un'incertezza di circa 100 ppm, per raggiungere lo scopo è necessario conoscere il gradiente gravitazionale presente nel laboratorio durante la misura di G. Un errore nella valutazione del gradiente gravitazionale del 10% comporterebbe un errore nella misura di G di 26 ppm. Si è quindi modificato l'apparato per abilitarlo alla misura del gradiente. Dopo la determinazione del gradiente gravitazionale si è portando l'errore sulla misura di G causato dalla sua incertezza a circa 1 ppm. Vista l'importanza della misura del gradiente gravitazionale negli studi geologici e nella ricerca mineraria, si è studiata la possibilità dell'utilizzo dello strumento come gradiometro per misure geologiche. Inoltre si è anche caratterizzato il sistema di iniezione degli atomi e se n’è studiato un possibile miglioramento.

Electrical spectroscopy of rubrene bulk and thin film crystals

One of the most diffused electronic device is the field effect transistor (FET), contained in number of billions in each electronic device. Organic optoelectronics is an emerging field that exploits the unique properties of conjugated organic materials to develop new applications that require a combination of performance, low cost and processability. Organic single crystals are the material with best performances and purity among the variety of different form of organic semiconductors. This thesis is focused on electrical and optical characterization of Rubrene single crystal bulk and thin films. Rubrene bulk is well known but for the first time we studied thin films. The first Current-voltage characterization has been performed for the first time on three Rubrene thin films with three different thickness to extract the charge carriers mobility and to assess its crystalline structure. As results we see that mobility increase with thickness. Field effect transistor based on Rubrene thin films on $SiO_2$ have been characterize by current-voltage (I-V) analyses (at several temperatures) and reveals a hopping conduction. Hopping behavior probably is due to the lattice mismatch with the substrate or intrinsic defectivity of the thin films. To understand effects of contact resistance we tested thin films with the Transmission Line Method (TLM) method. The TLM method revealeds that contact resistance is negligible but evidenced a Schottky behavior in a limited but well determined range of T. To avoid this effect we carried out annealing treatment after the electrode evaporation iswe performed a compete I-V characterization as a function of in temperature to extract the electronic density of states (DOS) distribution through the Space Charge Limited Current (SCLC) method. The results show a DOS with an exponential trenddistribution, as expected. The measured mobility of thin films is about 0.1cm^2/Vs and it increases with the film thickness. Further studies are necessary to investigate the reason and improve performances. From photocurrent spectrum we calculated an Eg of about 2.2eV and both thin films and bulk have a good crystal order. Further measurement are necessary to solve some open problems

Microscopia elettronica di nanoparticelle mg-pd e mg-ti per stoccaggio di idrogeno.

L'utilizzo dell'idrogeno come vettore energetico �è negli ultimi anni uno dei temi in maggior rilievo riguardo la sostenibilit�à energetica, questo per via della sua abbondanza in natura, della sua elevata energia chimica per unità di massa, e della non tossicità dei prodotti della sua combustione. Tuttavia non si conosce ancora una maniera e�fficiente di immagazzinarlo per poterlo utilizzare per applicazioni mobili. In questo lavoro di tesi sono state cresciute, e analizzate mediante microscopia elettronica, nanoparticelle di magnesio decorate con metalli di transizione (Pd e Ti), che si collocano tra i candidati più promettenti per lo stoccaggio di idrogeno a stato solido.

Effetti della viscoelasticità sulla misura dell’energia di adesione tra film di polietilene

Lo stretch film è una diffusa applicazione per imballaggio dei film in polietilene (PE), utilizzato per proteggere diversi prodotti di vari dimensioni e pesi. Una caratteristica fondamentale del film è la sua proprietà adesiva in virtù della quale il film può essere facilmente chiuso su se stesso. Tipicamente vengono scelti gradi lineari a bassa densità (LLDPE) con valori relativamente bassi di densità a causa delle loro buone prestazioni. Il mercato basa la scelta del materiale adesivo per tentativi piuttosto che in base alla conoscenza delle caratteristiche strutturali ottimali per l’applicazione. Come per i pressure sensitive adhesives, le proprietà adesive di film stretch in PE possono essere misurati mediante "peel testing". Esistono molti metodi standard internazionali ma i risultati di tali prove sono fortemente dipendenti dalla geometria di prova, sulla possibile deformazione plastica che si verificano nel peel arm(s), e la velocità e temperatura. Lo scopo del presente lavoro è quello di misurare l'energia di adesione Gc di film stretch di PE, su se stessi e su substrati diversi, sfruttando l'interpretazione della meccanica della frattura per tener conto dell'elevata flessibilità e deformabilità di tali film. Quindi, la dipendenza velocità/temperatura di Gc sarà studiata con riferimento diretto al comportamento viscoelastico lineare dei materiali utilizzati negli strati adesivi, per esplorare le relazioni struttura-proprietà che possono mettere in luce i meccanismi molecolari coinvolti nei processi di adesione e distacco. Nella presente caso, l’adesivo non è direttamente disponibile come materiale separato che può essere messo tra due superfici di prova e misurato per la determinazione delle sue proprietà. Il presupposto principale è che una parte, o fase, della complessa struttura semi-cristallina del PE possa funzionare come adesivo, e un importante risultato di questo studio può essere una migliore identificazione e caratterizzazione di questo "fase adesiva".