Resonant tunneling effects in semiconductor heterostructures

The thesis is devoted to a theoretical study of resonant tunneling phenomena in semiconductor heterostructures and nanostructures. It considers several problems relevant to modern solid state physics. Namely these are tunneling between 2D electron layers with spin-orbit interaction, tunnel injection into molecular solid material, resonant tunnel coupling of a bound state with continuum and resonant indirect exchange interaction mediated by a remote conducting channel. A manifestation of spin-orbit interaction in the tunneling between two 2D electron layers is considered. General expression is obtained for the tunneling current with account of Rashba and Dresselhaus types of spin-orbit interaction and elastic scattering. It is demonstrated that the tunneling conductance is very sensitive to relation between Rashba and Dresselhaus contributions and opens possibility to determine the spin-orbit interaction parameters and electron quantum lifetime in direct tunneling experiments with no external magnetic field applied. A microscopic mechanism of hole injection from metallic electrode into organic molecular solid (OMS) in high electric field is proposed for the case when the molecules ionization energy exceeds work function of the metal. It is shown that the main contribution to the injection current comes from direct isoenergetic transitions from localized states in OMS to empty states in the metal. Strong dependence of the injection current on applied voltage originates from variation of the number of empty states available in the metal rather than from distortion of the interface barrier. A theory of tunnel coupling between an impurity bound state and the 2D delocalized states in the quantum well (QW) is developed. The problem is formulated in terms of Anderson-Fano model as configuration interaction between the carrier bound state at the impurity and the continuum of delocalized states in the QW. An effect of this interaction on the interband optical transitions in the QW is analyzed. The results are discussed regarding the series of experiments on the GaAs structures with a -Mn layer. A new mechanism of ferromagnetism in diluted magnetic semiconductor heterosructures is considered, namely the resonant enhancement of indirect exchange interaction between paramagnetic centers via a spatially separated conducting channel. The underlying physical model is similar to the Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) interaction; however, an important difference relevant to the low-dimensional structures is a resonant hybridization of a bound state at the paramagnetic ion with the continuum of delocalized states in the conducting channel. An approach is developed, which unlike RKKY is not based on the perturbation theory and demonstrates that the resonant hybridization leads to a strong enhancement of the indirect exchange. This finding is discussed in the context of the known experimental data supporting the phenomenon.

Spectroscopic Studies of III-V Semiconductor Materials for Improved Devices

Defects in semiconductor crystals and at their interfaces usually impair the properties and the performance of devices. These defects include, for example, vacancies (i.e., missing crystal atoms), interstitials (i.e., extra atoms between the host crystal sites), and impurities such as oxygen atoms. The defects can decrease (i) the rate of the radiative electron transition from the conduction band to the valence band, (ii) the amount of charge carriers, and (iii) the mobility of the electrons in the conduction band. It is a common situation that the presence of crystal defects can be readily concluded as a decrease in the luminescence intensity or in the current flow for example. However, the identification of the harmful defects is not straightforward at all because it is challenging to characterize local defects with atomic resolution and identification. Such atomic-scale knowledge is however essential to find methods for reducing the amount of defects in energy-efficient semiconductor devices. The defects formed in thin interface layers of semiconductors are particularly difficult to characterize due to their buried and amorphous structures. Characterization methods which are sensitive to defects often require well-defined samples with long range order. Photoelectron spectroscopy (PES) combined with photoluminescence (PL) or electrical measurements is a potential approach to elucidate the structure and defects of the interface. It is essential to combine the PES with complementary measurements of similar samples to relate the PES changes to changes in the interface defect density. Understanding of the nature of defects related to III-V materials is relevant to developing for example field-effect transistors which include a III-V channel, but research is still far from complete. In this thesis, PES measurements are utilized in studies of various III-V compound semiconductor materials. PES is combined with photoluminescence measurements to study the SiO2/GaAs, SiNx/GaAs and BaO/GaAs interfaces. Also the formation of novel materials InN and photoluminescent GaAs nanoparticles are studied. Finally, the formation of Ga interstitial defects in GaAsN is elucidated by combining calculational results with PES measurements.

Evaluation of cardiovascular toxicity of carbon nanotubes functionalized with sodium hyaluronate in oral regenerative medicine

It has been demonstrated that carbon nanotubes (CNTs) associated with sodium hyaluronate (HY-CNTs) accelerate bone repair in the tooth sockets of rats. Before clinical application of HY-CNTs, it is important to assess their biocompatibility. Moreover, cardiac toxicity may be caused by the translocation of these particles to the blood stream. The aim of this study was to evaluate possible changes in cardiovascular function in male Wistar rats whose tooth sockets were treated with either CNTs or HY-CNTs (100 μg/mL, 0.1 mL). Blood pressure and heart rate were monitored in conscious rats 7 days after treatment. Cardiac function was evaluated using the Langendorff perfusion technique. The data showed no changes in blood pressure or heart rate in rats treated with either CNTs or HY-CNTs, and no significant changes in cardiac function were found in any of the groups. To confirm these findings, experiments were conducted in rats injected intraperitoneally with a high concentration of either CNTs or HY-CNTs (0.75 mg/kg). The same parameters were analyzed and similar results were observed. The results obtained 7 days following injection indicate that the administration of low concentrations of CNTs or HY-CNTs directly into tooth sockets did not cause any significant change in cardiovascular function in the rats. The present findings support the possibility of using these biocomposites in humans.

Single-walled carbon nanotubes functionalized with sodium hyaluronate enhance bone mineralization

The aim of this study was to evaluate the effects of sodium hyaluronate (HY), single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) and HY-functionalized SWCNTs (HY-SWCNTs) on the behavior of primary osteoblasts, as well as to investigate the deposition of inorganic crystals on titanium surfaces coated with these biocomposites. Primary osteoblasts were obtained from the calvarial bones of male newborn Wistar rats (5 rats for each cell extraction). We assessed cell viability using the 3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyl-2H-tetrazolium bromide assay and by double-staining with propidium iodide and Hoechst. We also assessed the formation of mineralized bone nodules by von Kossa staining, the mRNA expression of bone repair proteins, and the deposition of inorganic crystals on titanium surfaces coated with HY, SWCNTs, or HY-SWCNTs. The results showed that treatment with these biocomposites did not alter the viability of primary osteoblasts. Furthermore, deposition of mineralized bone nodules was significantly increased by cells treated with HY and HY-SWCNTs. This can be partly explained by an increase in the mRNA expression of type I and III collagen, osteocalcin, and bone morphogenetic proteins 2 and 4. Additionally, the titanium surface treated with HY-SWCNTs showed a significant increase in the deposition of inorganic crystals. Thus, our data indicate that HY, SWCNTs, and HY-SWCNTs are potentially useful for the development of new strategies for bone tissue engineering.

Nanocompósitos bifuncionales magnético-luminiscentes de óxido de hierro en un polímero semiconductor.

Tesis (Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales) UANL, 2010.

Elaboración y caracterización optoelectrónica de películas delgadas de polímero semiconductor.

Tesis (Doctor en Ingeniería de Materiales) UANL, 2013.

Montage et caractérisation d’un système de spectroscopie Raman accordable en longueur d’onde utilisant des réseaux de Bragg comme filtre : application aux nanotubes de carbone

La spectroscopie Raman est un outil non destructif fort utile lors de la caractérisation de matériau. Cette technique consiste essentiellement à faire l’analyse de la diffusion inélastique de lumière par un matériau. Les performances d’un système de spectroscopie Raman proviennent en majeure partie de deux filtres ; l’un pour purifier la raie incidente (habituellement un laser) et l’autre pour atténuer la raie élastique du faisceau de signal. En spectroscopie Raman résonante (SRR), l’énergie (la longueur d’onde) d’excitation est accordée de façon à être voisine d’une transition électronique permise dans le matériau à l’étude. La section efficace d’un processus Raman peut alors être augmentée d’un facteur allant jusqu’à 106. La technologie actuelle est limitée au niveau des filtres accordables en longueur d’onde. La SRR est donc une technique complexe et pour l’instant fastidieuse à mettre en œuvre. Ce mémoire présente la conception et la construction d’un système de spectroscopie Raman accordable en longueur d’onde basé sur des filtres à réseaux de Bragg en volume. Ce système vise une utilisation dans le proche infrarouge afin d’étudier les résonances de nanotubes de carbone. Les étapes menant à la mise en fonction du système sont décrites. Elles couvrent les aspects de conceptualisation, de fabrication, de caractérisation ainsi que de l’optimisation du système. Ce projet fut réalisé en étroite collaboration avec une petite entreprise d’ici, Photon etc. De cette coopération sont nés les filtres accordables permettant avec facilité de changer la longueur d’onde d’excitation. Ces filtres ont été combinés à un laser titane : saphir accordable de 700 à 1100 nm, à un microscope «maison» ainsi qu’à un système de détection utilisant une caméra CCD et un spectromètre à réseau. Sont d’abord présentés les aspects théoriques entourant la SRR. Par la suite, les nanotubes de carbone (NTC) sont décrits et utilisés pour montrer la pertinence d’une telle technique. Ensuite, le principe de fonctionnement des filtres est décrit pour être suivi de l’article où sont parus les principaux résultats de ce travail. On y trouvera entre autres la caractérisation optique des filtres. Les limites de basses fréquences du système sont démontrées en effectuant des mesures sur un échantillon de soufre dont la raie à 27 cm-1 est clairement résolue. La simplicité d’accordabilité est quant à elle démontrée par l’utilisation d’un échantillon de NTC en poudre. En variant la longueur d’onde (l’énergie d’excitation), différentes chiralités sont observées et par le fait même, différentes raies sont présentes dans les spectres. Finalement, des précisions sur l’alignement, l’optimisation et l’opération du système sont décrites. La faible acceptance angulaire est l’inconvénient majeur de l’utilisation de ce type de filtre. Elle se répercute en problème d’atténuation ce qui est critique plus particulièrement pour le filtre coupe-bande. Des améliorations possibles face à cette limitation sont étudiées.

Étude ab initio des nanotubes de carbone

Le sujet de ce mémoire est l’étude ab initio des nanotubes de carbone. Premièrement, une introduction du sujet est présentée. Elle porte sur l’historique, la structure géométrique et électronique et les applications possibles des nanotubes de carbone. En deuxième lieu, la stabilité énergétique des nanotubes de carbones double parois ainsi que leur structure électronique sont étudiées. On trouve entre autres que le changement d’hybridation provoque une chute de l’énergie du dernier niveau occupé pour les petits nanotubes. Troisièmement, nous présenterons une étude sur la dépendance en diamètre et en métallicité du greffage d’unité bromophényle sur la surface des nanotubes. La principale conclusion est qu’il est plus facile de fonctionnaliser les nanotubes de petit diamètre puisque ceux-ci ont déjà une partie d’hybridation sp3 dans leur structure électronique. Finalement, le dernier chapitre aborde la combustion des nanotubes par le dioxyde de carbone. On constate que cette combustion ne peut pas débuter sur une surface intacte, ni par un pontage d’oxygène dû à la grande quantité d’énergie requise. La réaction privilégiée est alors la combustion par les extrémités du nanotube. Nous proposons une dynamique de réaction qui contient une sélectivité en diamètre.

Structure et propriétés électroniques de nanotubes de carbone en solution polyélectrolyte

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Étude de films de nanotubes de carbone dans le domaine de fréquences térahertz : propriété antiréfléchissante

Les expériences de spectroscopie ont été réalisées en collaboration avec Jean-François Allard du groupe de Denis Morris de l'Université de Sherbrooke.

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

Transport électrique dans les nanotubes de carbone et leurs dérivés fonctionnalisés

Les nanotubes de carbone forment une structure quasi-unidimensionnelle de diamètre nanométrique, dont les propriétés mécaniques et électroniques, en particulier leur remarquable conductivité électrique, présentent un grand potentiel pour la conception de dispositifs électroniques. Les nanotubes fonctionnalisés, c’est-à-dire dont la paroi a été chimiquement modifiée, présentent aussi un intérêt majeur pour leur mise en œuvre facilitée et pour la formation d’une interface active entre le nanotube et l’environnement, cette dernière étant essentielle pour la conception de nanocapteurs chimiques et biologiques. La présente thèse porte sur l’étude des mécanismes gouvernant le transport électrique dans les nanotubes de carbone et leurs dérivés fonctionnalisés. Les travaux, de nature expérimentale, ont été réalisés sur des dispositifs électroniques constitués d’un nanotube individuel monoparoi ou biparoi, additionné de groupes fonctionnels au besoin. En première partie, on s’intéresse à l’effet de la dimensionnalité sur les mécanismes d’injection des porteurs de charge au niveau des contacts électriques avec le nanotube. En seconde partie, on étudie l’effet de la fonctionnalisation covalente sur les propriétés de transport électrique des nanotubes, et on montre notamment que l’impact de l’addition des greffons varie fortement selon leur valence et qu’il est possible d’obtenir des nanotubes fonctionnalisés avec une bonne conductance. En troisième partie, on explore les phénomènes de saturation du courant et de claquage électrique survenant à haut voltage. Enfin, on discute de l’impact des résultats obtenus sur l’avancement de la compréhension des mécanismes de transport électrique dans les systèmes hautement confinés, ainsi que des perspectives fondamentales et technologiques ouvertes par ces travaux.

Propriétés optiques dans l'infrarouge des nanotubes de carbone et du graphène

Les nanotubes de carbone et le graphène sont des nanostructures de carbone hybridé en sp2 dont les propriétés électriques et optiques soulèvent un intérêt considérable pour la conception d’une nouvelle génération de dispositifs électroniques et de matériaux actifs optiquement. Or, de nombreux défis demeurent avant leur mise en œuvre dans des procédés industriels à grande échelle. La chimie des matériaux, et spécialement la fonctionnalisation covalente, est une avenue privilégiée afin de résoudre les difficultés reliées à la mise en œuvre de ces nanostructures. La fonctionnalisation covalente a néanmoins pour effet de perturber la structure cristalline des nanostructures de carbone sp2 et, par conséquent, d’affecter non seulement lesdites propriétés électriques, mais aussi les propriétés optiques en émanant. Il est donc primordial de caractériser les effets des défauts et du désordre dans le but d’en comprendre les conséquences, mais aussi potentiellement d’en exploiter les retombées. Cette thèse traite des propriétés optiques dans l’infrarouge des nanotubes de carbone et du graphène, avec pour but de comprendre et d’expliquer les mécanismes fondamentaux à l’origine de la réponse optique dans l’infrarouge des nanostructures de carbone sp2. Soumise à des règles de sélection strictes, la spectroscopie infrarouge permet de mesurer la conductivité en courant alternatif à haute fréquence des matériaux, dans une gamme d’énergie correspondant aux vibrations moléculaires, aux modes de phonons et aux excitations électroniques de faible énergie. Notre méthode expérimentale consiste donc à explorer un espace de paramètres défini par les trois axes que sont i. la dimensionnalité du matériau, ii. le potentiel chimique et iii. le niveau de désordre, ce qui nous permet de dégager les diverses contributions aux propriétés optiques dans l’infrarouge des nanostructures de carbone sp2. Dans un premier temps, nous nous intéressons à la spectroscopie infrarouge des nanotubes de carbone monoparois sous l’effet tout d’abord du dopage et ensuite du niveau de désordre. Premièrement, nous amendons l’origine couramment acceptée du spectre vibrationnel des nanotubes de carbone monoparois. Par des expériences de dopage chimique contrôlé, nous démontrons en effet que les anomalies dans lespectre apparaissent grâce à des interactions électron-phonon. Le modèle de la résonance de Fano procure une explication phénoménologique aux observations. Ensuite, nous établissons l’existence d’états localisés induits par la fonctionnalisation covalente, ce qui se traduit optiquement par l’apparition d’une bande de résonance de polaritons plasmons de surface (nanoantenne) participant au pic de conductivité dans le térahertz. Le dosage du désordre dans des films de nanotubes de carbone permet d’observer l’évolution de la résonance des nanoantennes. Nous concluons donc à une segmentation effective des nanotubes par les greffons. Enfin, nous montrons que le désordre active des modes de phonons normalement interdits par les règles de sélection de la spectroscopie infrarouge. Les collisions élastiques sur les défauts donnent ainsi accès à des modes ayant des vecteurs d’onde non nuls. Dans une deuxième partie, nous focalisons sur les propriétés du graphène. Tout d’abord, nous démontrons une méthode d’électrogreffage qui permet de fonctionnaliser rapidement et à haute densité le graphène sans égard au substrat. Par la suite, nous utilisons l’électrogreffage pour faire la preuve que le désordre active aussi des anomalies dépendantes du potentiel chimique dans le spectre vibrationnel du graphène monocouche, des attributs absents du spectre d’un échantillon non fonctionnalisé. Afin d’expliquer le phénomène, nous présentons une théorie basée sur l’interaction de transitions optiques intrabandes, de modes de phonons et de collisions élastiques. Nous terminons par l’étude du spectre infrarouge du graphène comportant des îlots de bicouches, pour lequel nous proposons de revoir la nature du mécanisme de couplage à l’œuvre à la lumière de nos découvertes concernant le graphène monocouche.

Étude du potentiel cytotoxique des nanotubes de carbone simple-paroi chez les cellules épithéliales alvéolaires humaines A549

Il existe un grand intérêt pour le développement et les applications des nanotubes de carbone (NTC) car ils ont un énorme potentiel dans diverses applications industrielles. Cependant, leur dimension nanométrique et leur composition chimique peuvent constituer un risque sur la santé humaine. Les mécanismes responsables de la toxicité des NTC restent encore à définir. L’objectif de ce projet était de déterminer la toxicité potentielle de deux types de nanotubes de carbone simple-paroi (NTCSP): RN 000 et RN 003 chez une lignée cellulaire de pneumocytes de type II, les cellules A549. Méthodologie: Les essais MTS et PrestoBlue®, le test d’exclusion au bleu de trypan, la coloration HT-IP et l’Apoptotic Blebs ont été utilisés pour déterminer la toxicité potentielle de ces NTCSP. Résultats: Suite à une exposition de courte durée (24h), l’essai MTS a montré une diminution de la viabilité cellulaire significative de 20% pour [NTCSP] à 50 et 100 µg/ml et 74% pour [NTCSP] à 1000 µg/mL. Le PrestoBlue® a indiqué une mortalité cellulaire d’environ 45% et de 85% pour des concentration de 500 et 1000 µg/ml de NTCSP. Cependant, les données de l’essai d’exclusion du bleu de trypan ont montré que les NTCSP n’altèrent pas la viabilité cellulaire. L’absence d’une altération de la viabilité cellulaire a été confirmée avec la coloration HT-IP et l’Apoptotic Blebs. Cependant, l’interaction des NTCSP avec les cellules A549 a induit un changement de la morphologie cellulaire ; une diminution de la taille ainsi une augmentation de la structure interne des cellules A549. À une exposition à longue durée (72h), les données ont confirmé les résultats d’exposition à 24h. En effet, il n’y a de pas de mortalité cellulaire, mais une diminution de la prolifération cellulaire. En conclusion, notre étude indique que le RN 000 et le RN 003 interagissent avec les cellules A549 sans altérer leur viabilité, mais en induisant une dysfonction mitochondriale qui pourrait avoir plusieurs conséquences sur la fonction cellulaire.

Non-Destructive Evaluation of Ion-Implanted Semiconductor Thin Films Using Photothermal Deflections Spectroscopy

Materials and equipment which fail to achieve the design requirements or projected life due to undetected defects may require expensive repair or early replacement. Such defects may also be the cause of unsafe conditions or catastrophic unexpected failure, and will lead to loss of revenue due to plant shutdown. Non-Destructive Evaluation (NDE) / Non Destructive Testing (NDT) is used for the examination of materials and components without changing or destroying their usefulness. NDT can be applied to each stage of a system’s construction, to monitor the integrity of the system or structure throughout its life.