Heteroepitaxy of Group IV and Group III-V semiconductor alloys for photovoltaic applications

Photovoltaic energy conversion represents a economically viable technology for realizing collection of the largest energy resource known to the Earth -- the sun. Energy conversion efficiency is the most leveraging factor in the price of energy derived from this process. This thesis focuses on two routes for high efficiency, low cost devices: first, to use Group IV semiconductor alloy wire array bottom cells and epitaxially grown Group III-V compound semiconductor alloy top cells in a tandem configuration, and second, GaP growth on planar Si for heterojunction and tandem cell applications.

Metal catalyzed vapor-liquid-solid grown microwire arrays are an intriguing alternative for wafer-free Si and SiGe materials which can be removed as flexible membranes. Selected area Cu-catalyzed vapor-liquid solid growth of SiGe microwires is achieved using chlorosilane and chlorogermane precursors. The composition can be tuned up to 12% Ge with a simultaneous decrease in the growth rate from 7 to 1 μm/min^-1. Significant changes to the morphology were observed, including tapering and faceting on the sidewalls and along the lengths of the wires. Characterization of axial and radial cross sections with transmission electron microscopy revealed no evidence of defects at facet corners and edges, and the tapering is shown to be due to in-situ removal of catalyst material during growth. X-ray diffraction and transmission electron microscopy reveal a Ge-rich crystal at the tip of the wires, strongly suggesting that the Ge incorporation is limited by the crystallization rate.

Tandem Ga_1-xIn_xP/Si microwire array solar cells are a route towards a high efficiency, low cost, flexible, wafer-free solar technology. Realizing tandem Group III-V compound semiconductor/Si wire array devices requires optimization of materials growth and device performance. GaP and Ga_1-xIn_xP layers were grown heteroepitaxially with metalorganic chemical vapor deposition on Si microwire array substrates. The layer morphology and crystalline quality have been studied with scanning electron microscopy and transmission electron microscopy, and they provide a baseline for the growth and characterization of a full device stack. Ultimately, the complexity of the substrates and the prevalence of defects resulted in material without detectable photoluminescence, unsuitable for optoelectronic applications.

Coupled full-field optical and device physics simulations of a Ga_0.51In_0.49P/Si wire array tandem are used to predict device performance. A 500 nm thick, highly doped "buffer" layer between the bottom cell and tunnel junction is assumed to harbor a high density of lattice mismatch and heteroepitaxial defects. Under simulated AM1.5G illumination, the device structure explored in this work has a simulated efficiency of 23.84% with realistic top cell SRH lifetimes and surface recombination velocities. The relative insensitivity to surface recombination is likely due to optical generation further away from the free surfaces and interfaces of the device structure.

Finally, GaP has been grown free of antiphase domains on Si (112) oriented substrates using metalorganic chemical vapor deposition. Low temperature pulsed nucleation is followed by high temperature continuous growth, yielding smooth, specular thin films. Atomic force microscopy topography mapping showed very smooth surfaces (4-6 Å RMS roughness) with small depressions in the surface. Thin films (~ 50 nm) were pseudomorphic, as confirmed by high resolution x-ray diffraction reciprocal space mapping, and 200 nm thick films showed full relaxation. Transmission electron microscopy showed no evidence of antiphase domain formation, but there is a population of microtwin and stacking fault defects.

Estudo termodinâmico da precipitação de parafinas em petróleos brasileiros

Um dos grandes desafios enfrentados pela indústria do petróleo é reduzir o impacto causado pela cristalização indesejável de hidrocarbonetos parafínicos de elevada massa molar em tubulações e equipamentos de produção. A cristalização de parafinas em petróleo é normalmente detectada através da determinação da temperatura inicial de aparecimento de cristais (TIAC), que pode ser estimada através de modelagem termodinâmica com base na composição do petróleo. Os objetivos deste trabalho são: estudar os principais modelos termodinâmicos adotados para descrever a precipitação de parafinas; verificar a validade desses modelos para os petróleos brasileiros e determinar qual modelo é o mais adequado para esses óleos. Para tanto, três formas de cálculo da razão entre as fugacidades das fases sólida e líquida e cinco modelos para calcular os coeficientes de atividade dos componentes em cada fase são aplicados aos dados de composição de vinte e três petróleos brasileiros. Os resultados mostram que o modelo ideal de múltiplas fases sólidas e o modelo de Escobar-Remolina geram valores bastante abaixo da TIAC experimental. Para os modelos de única fase sólida ideal, de Won e de Coutinho, foi possível observar que: a) a grande maioria dos erros é negativa; b) que estes se distribuem melhor em torno de zero quando se utiliza a correlação de Coutinho para o cálculo dos valores de i; c) os valores de erro médio para os modelos de Coutinho, de Won e ideal com única fase sólida se equivalem, qualquer que seja o modelo utilizado para o cálculo de i, exceto para o caso em que todos os compostos presentes na fase líquida podem precipitar; d) os valores obtidos através do modelo de Coutinho apresentam erro sistemático em relação ao modelo ideal de única fase sólida; e) as diferentes formas de se calcular a razão entre as fugacidades da fase sólida e líquida (i) influenciam fortemente a capacidade preditiva dos modelos, o que não era esperado; f) o perfil do primeiro cristal formado nos petróleos é influenciado pelas moléculas mais pesadas presentes nos resíduos, o que mostra a necessidade de se desenvolver metodologias precisas e robustas de caracterização de resíduos; g) a inclusão de uma estimativa para a composição dos resíduos efetivamente melhorou o desempenho dos modelos em petróleos médio; h) em petróleos pesados, houve um aumento do erro de previsão da TIAC devido à pouca ou nenhuma quantidade de parafinas nos resíduos desses óleos. A necessidade de uma melhor caracterização dos resíduos de petróleos é corroborada pelo fato da TIAC calculada pelos modelos ser, via de regra, mais baixa que a TIAC experimental e pela melhora no desempenho dos modelos quando se estimou a composição dos resíduos, em petróleos médios

γ-LiAlO2晶体生长、改性和热学性质研究

采用快速提拉法生长出了透明、完整的γ-LIAlO2晶体，但是晶体的高熔点和易挥发性限制了γ-LiAlO2晶体质量．采用气相传输平衡法（vapor transport equilibration technique，VTE）工艺对晶体改性，半高宽（FWHM）值从116．9arcsec降至44．2arcsec，继续升高VTE处理温度至1300℃，FWHM值反而升高至55．2arcsec．快速提拉法生长出来晶体，[100]方向和[001]方向的热膨胀系数分别为17．2398×10^-6／K，10．7664×10

Equilíbrio líquido-líquido entre ácido acético, água e fenólicos: experimental e modelagem

Com o passar do tempo, a população mundial vem se conscientizando mais sobre problemas ambientais. Isso fez surgir uma demanda por tecnologias novas que possam se encaixar no cenário de sustentabilidade. Instabilidades frequentes no cenário político-econômico global acabam por elevar o preço do barril do petróleo. Assim a indústria química começa a buscar por alternativas que tenham a mesma versatilidade do petróleo. Dentre as opções de combustíveis renováveis, destaca-se o bio-óleo de pirólise. Seu interesse em estudos científicos vem do fato de poder-se utilizar do rejeito de processos como matéria prima, não necessitando competir por espaço com a plantação de alimentos. Sua composição pode ser representada por ácidos e fenóis. Em especial destacamos o ácido acético e fenóis oxigenados como m-cresol, o-cresol, p-cresol e guaiacol por estarem presentes em grandes quantidades. Sua separação das frações menos polares do bio-óleo pode ser realizada por meio de extração com água que é um reagente abundante e de baixo custo. O conhecimento das propriedades desses componentes puros é amplamente disponível na literatura, porém dados de composições das fases corrosivas, como misturas ternárias de água-ácido acético-m-cresol/o-cresol/p-cresol/guaiacol nas temperaturas de (298,15, 310,65 e 323,15) K são escassos. Devido a isso, o uso de modelos termodinâmicos para simulação do comportamento desses sistemas torna-se interessante. Todavia, quando são testadas as capacidades dos modelos clássicos, como o UNIFAC e NRTL, percebe-se que os mesmos não conseguem reproduzir o comportamento da binodal dos componentes corrosivos. Sendo assim, essa dissertação investigou soluções para melhorar a descrição desses sistemas, assim como obteve dados experimentais para tais sistemas de misturas ternárias de água-ácido acético-m-cresol/o-cresol/p-cresol/guaiacol nas temperaturas de (298,15, 310,65 e 323,15) K; desenvolveu-se uma metodologia para estimar parâmetros do modelo NRTL a partir de dados de composição da binodal e verificou-se a possibilidade de utilizar o modelo UNIFAC para prever o comportamento de equilíbrio de fases. Como resultado foram obtidos 314 novos dados experimentais, obtiveram-se parâmetros para o modelo NRTL que conseguem reproduzir com acurácia a forma da binodal com a metodologia proposta e verificou-se a necessidade de aperfeiçoamento no estudo do modelo UNIFAC para otimizar sua utilização na previsão do comportamento dos sistemas estudados

Estudo do equilíbrio líquido-líquido e da estabilidade de sistemas envolvendo biodiesel, álcoois e água

O estudo da estabilidade de emulsões de biocombustíveis destaca-se, dentre outros aspectos, pela necessidade de identificação das características destas. Esta necessidade reforça-se pela dificuldade de detecção de biodiesel e suas misturas quando estão fora de especificação, além de se aplicar aos processos de separação e purificação do biodiesel após a transesterificação. O entendimento deste problema poderá ser alcançado a partir de estudos de estabilidade associados aos modelos termodinâmicos de equilíbrio líquido-líquido (modelo NRTL) em sistemas ternários, que serão a base da modelagem proposta neste trabalho. O levantamento de dados envolve técnicas de observação direta em titulação, e ensaios de estabilidade e tensiometria, com algumas alterações das técnicas clássicas. Desta forma, o objetivo principal do trabalho é propor uma maneira de identificar e caracterizar as interfaces das emulsões formadas e estudar a estabilidade das fases envolvidas. Além disso, estuda-se a introdução de alcoóis como agentes tensoativos para viabilizar a utilização de misturas de combustíveis, mesmo na região de mais de uma fase. Para o desenvolvimento do trabalho, emulsões envolvendo os constituintes básicos serão combinadas entre si em diferentes proporções. A etapa inicial constitui-se de um mapeamento das misturas e proporções que formam as emulsões, baseadas nas curvas de equilíbrio. Em seguida, faz-se o estudo de caracterização e estabilidade destes sistemas. Com estas informações é possível mapear o sentido de incremento de tensão na interface e instabilidade da separação de fases das emulsões em relação aos diagramas ternários correspondentes. Por fim, propõe-se uma estratégia para estimar os parâmetros termodinâmicos do NRTL para as espécies presentes nos sistemas estudados e prever o comportamento dos mesmos e de sistemas similares. Este modelo matemático proposto tem como objetivo complementar a técnica experimental adotada para construção das curvas de equilíbrio, sendo bem sucedido

Experimentos numéricos para deposição de parafinas com modelo Multisólido

Este trabalho objetiva a construção de estruturas robustas e computacionalmente eficientes para a solução do problema de deposição de parafinas do ponto de vista do equilíbrio sólido-líquido. São avaliados diversos modelos termodinâmicos para a fase líquida: equação de estado de Peng-Robinson e os modelos de coeficiente de atividade de Solução Ideal, Wilson, UNIQUAC e UNIFAC. A fase sólida é caracterizada pelo modelo Multisólido. A previsão de formação de fase sólida é inicialmente prevista por um teste de estabilidade termodinâmica. Posteriormente, o sistema de equações não lineares que caracteriza o equilíbrio termodinâmico e as equações de balanço material é resolvido por três abordagens numéricas: método de Newton multivariável, método de Broyden e método Newton-Armijo. Diversos experimentos numéricos foram conduzidos de modo a avaliar os tempos de computação e a robustez frente a diversos cenários de estimativas iniciais dos métodos numéricos para os diferentes modelos e diferentes misturas. Os resultados indicam para a possibilidade de construção de arcabouços computacionais eficientes e robustos, que podem ser empregados acoplados a simuladores de escoamento em dutos, por exemplo.

Controlled growth of aligned ZnO nanowires

The growth of vertically aligned zinc oxide nanowires (ZnO NW) using a simple vapor deposition method system is reported. The growth properties are studied as a function of the Au catalyst layer thickness, pressure, deposition temperature, and oxygen ratio. It was found that the diameter and density of the nanowires is controlled mostly by the growth temperature and pressure. The alignment of the nanowires depends on a combination of three factors including the pressure, temperature and the oxygen ratio. Our results implicates the growth occurs by a vapor liquid solid (VLS) process [1].

Mechanics of capillary forming of aligned carbon nanotube assemblies.

Elastocapillary self-assembly is emerging as a versatile technique to manufacture three-dimensional (3D) microstructures and complex surface textures from arrangements of micro- and nanoscale filaments. Understanding the mechanics of capillary self-assembly is essential to engineering of properties such as shape-directed actuation, anisotropic wetting and adhesion, and mechanical energy transfer and dissipation. We study elastocapillary self-assembly (herein called "capillary forming") of carbon nanotube (CNT) microstructures, combining in situ optical imaging, micromechanical testing, and finite element modeling. By imaging, we identify sequential stages of liquid infiltration, evaporation, and solid shrinkage, whose kinetics relate to the size and shape of the CNT microstructure. We couple these observations with measurements of the orthotropic elastic moduli of CNT forests to understand how the dynamic of shrinkage of the vapor-liquid interface is coupled to the compression of the forest. We compare the kinetics of shrinkage to the rate of evporation from liquid droplets having the same size and geometry. Moreover, we show that the amount of shrinkage during evaporation is governed by the ability of the CNTs to slip against one another, which can be manipulated by the deposition of thin conformal coatings on the CNTs by atomic layer deposition (ALD). This insight is confirmed by finite element modeling of pairs of CNTs as corrugated beams in contact and highlights the coupled role of elasticity and friction in shrinkage and stability of nanoporous solids. Overall, this study shows that nanoscale porosity can be tailored via the filament density and adhesion at contact points, which is important to the development of lightweight multifunctional materials.

Vertically oriented epitaxial germanium nanowires on silicon substrates using thin germanium buffer layers.

We demonstrate a method to realize vertically oriented Ge nanowires on Si(111) substrates. Ge nanowires were grown by chemical vapor deposition using Au nanoparticles to seed nanowire growth via a vapor-liquid-solid growth mechanism. Rapid oxidation of Si during Au nanoparticle application inhibits the growth of vertically oriented Ge nanowires directly on Si. The present method employs thin Ge buffer layers grown at low temperature less than 600 degrees C to circumvent the oxidation problem. By using a thin Ge buffer layer with root-mean-square roughness of approximately 2 nm, the yield of vertically oriented Ge nanowires is as high as 96.3%. This yield is comparable to that of homoepitaxial Ge nanowires. Furthermore, branched Ge nanowires could be successfully grown on these vertically oriented Ge nanowires by a secondary seeding technique. Since the buffer layers are grown under moderate conditions without any high temperature processing steps, this method has a wide process window highly suitable for Si-based microelectronics.

Improvement of morphology, structure, and optical properties of GaAs nanowires grown on Si substrates

We investigate vertical and defect-free growth of GaAs nanowires on Si (111) substrates via a vapor-liquid-solid (VLS) growth mechanism with Au catalysts by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD). By using annealed thin GaAs buffer layers on the surface of Si substrates, most nanowires are grown on the substrates straight, following (111) direction; by using two temperature growth, the nanowires were grown free from structural defects, such as twin defects and stacking faults. Systematic experiments about buffer layers indicate that V/III ratio of precursor and growth temperature can affect the morphology and quality of the buffer layers. Especially, heterostructural buffer layers grown with different V/III ratios and temperatures and in-situ post-annealing step are very helpful to grow well arranged, vertical GaAs nanowires on Si substrates. The initial nanowires having some structural defects can be defect-free by two-temperature growth mode with improved optical property, which shows us positive possibility for optoelectronic device application. ©2010 IEEE.

III-V compound semiconductor nanowires

InP and GaAs based nanowires were grown epitaxially on InP or GaAs (111)B substrates by metalorganic chemical vapor deposition via vapor-liquid-solid (VLS) mechanism. In this report, I will give an overview of nanowire research activities in our group. In particular, the effects of growth parameters for InP and GaAs nanowires on the crystal quality have been studied in detail. We demonstrated the ability to obtain defect-free GaAs nanowires and control the crystal structure of InP nanowires, ie, WZ or ZB, by choosing a combination of growth parameters, such as temperature, V/III ratio and nanowire diameter. © 2009 IEEE NANO Organizers.

Growth behavior of epitaxial semiconductor axial nanowire heterostructures

In this paper, we demonstrate the key issues of axial nanowire heterostructures, such as, the fundamental criteria for formation and failure of axial nanowire heterostructures via vapor-liquid-solid mechanism and lateral misfit strain relaxation in these structures. We show the failure of axial nanowire heterostructures by growing InAs axially on GaAs nanowires, and the lateral misfit strain relaxation by axial growth of GaSb on GaAs nanowires. © 2008 IEEE.

Understanding the kink formation in GaAs/InAs heterostructural nanowires

The kinks formation in heterostructural nanowires was observed to be dominant when InAs nanowires were grown on GaAs nanowires. Nanowires were grown through vapor-liquid-solid (VLS) mechanism in an MOCVD (metalorganic chemical vapor deposition) reactor. GaAs nanowires were grown in [1 1 1 ]B direction on a GaAs (1 1 1 )B substrate. When InAs nanowires grown on the GaAs nanowires, most of the InAs nanowires changed their growth directions from [1 1 1 ]B to other 〈111〉B directions. The kinks formation is ascribed to the large compressive misfit strain at the GaAs/InAs interface (7.2% lattice mismatch between GaAs and InAs) and the high mobility of indium species during MOCVD growth. The in-depth analysis of the kinks formation was done by growing InAs for short times on the GaAs nanowires and characterizing the samples. The hindrance to compressively strain InAs to form coherent layers with GaAs pushed the InAs/Au interfaces to the sides of the GaAs nanowires growth ends. New InAs/Au interfaces have generated at the sides of GaAs nanowires, due to lateral growth of InAs on GaAs nanowires. These new interfaces led the InAs nanowires growth in other 〈111〉B directions. The morphological and structural features of these heterostructural kinked nanowires were characterized using scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM) techniques. © 2006 IEEE.

Effect of channel surface wettability and temperature gradients on the boiling flow pattern in a single microchannel

The objective of this paper is to investigate the effects of channel surface wettability and temperature gradients on the boiling flow pattern in a single microchannel. The test section consists of a bottom silicon substrate bonded with a top glass cover. Three consecutive parts of an inlet fluid plenum, a central microchannel and an outlet fluid plenum were etched in the silicon substrate. The central microchannel had a width of 800 mu m and a depth of 30 mu m. Acetone liquid was used as the working fluid. High outlet vapor qualities were dealt with here. The flow pattern consists of a fluid triangle (shrinkage of the liquid films) and a connected long liquid rivulet, which is generated in the central microchannel in the timescale of milliseconds. The peculiar flow pattern is formed due to the following reasons: (1) the liquid rivulet tends to have a large contact area with the top hydrophilic channel surface of the glass cover, but a smaller contact area with the bottom silicon hydrophobic surface. (2) The temperature gradient in the chip width direction at the top channel surface of the glass cover not only causes the shrinkage of the liquid films in the central microchannel upstream, but also attracts the liquid rivulet populated near the microchannel centerline. (3) The zigzag pattern is formed due to the competition between the evaporation momentum forces at the vapor-liquid interfaces and the force due to the Marangoni effect. The former causes the rivulet to deviate from the channel centerline and the latter draws the rivulet toward the channel centerline. (4) The temperature gradient along the flow direction in the central microchannel downstream causes the breakup of the rivulet to form isolated droplets there. (5) Liquid stripes inside the upstream fluid triangle were caused by the small capillary number of the liquid film, at which the large surface tension force relative to the viscous force tends to populate the liquid film locally on the top glass cover surface.