Molecular plating of thin lanthanide layers with improved material properties for nuclear applications

In der vorliegenden Arbeit werden Experimente beschrieben, die zu einem vertieften Verständnis fundamentaler Prozesse bei der elektrochemischen Herstellung von Dünnschichten, sog. Targets, für kernphysikalische und -chemische Studien führten. Targets wurden mittels 'Molecular Plating' (MP) hergestellt, indem eine Elektrodeposition aus organischem Medium in der Regel bei konstantem Strom in Zwei-Elektroden-Zellen. Die Resultate erlaubten, optimierte Herstellungs-bedingungen zu ermitteln, welche die Produktion deutlich verbesserter Targets erlaubten. MP bei konstantem Strom ist ein massentransportkontrollierter Prozess. Der angelegte Strom wird durch einen konstanten Fluss elektroaktiver Spezies zur Kathode – auf der die Schicht wächst – und Anode aufrechterhalten. Die Untersuchungen zeigten, dass das Zellenpotential des Elektrodepositionsystems immer durch den Ohm'schen Spannungsabfall auf Grund des Widerstandes der verwendeten Lösung dominiert wurde. Dies erlaubte die Herleitung einer Beziehung zwischen dem Zellenpotential und der Konzentration der elektroaktiven Spezies. Die Beziehung erlaubt die Erklärung des gemessenen zeitlichen Verlaufs des Zellenpotentials während der Abscheidung als Funktion der Elektrolytkonzentration. Dies dient als Basis, auf der nun ein umfassenderes Bild der Prozesse, die für die charakteristischen Minima im Potentialverlauf einer Abscheidung verantwortlich sind, gewonnen werden kann. Es konnte gezeigt werden, dass die Minima mit der fast vollständigen Entfernung (durch Abscheidung) der aus einem gelösten Salz erzeugten Nd-Ionen korrespondieren. Die abgeschiedene Spezies wurde als Nd3+ identifiziert, vermutlich als Carboxylat, Oxid oder Hydroxid, was auf Grund der hohen negative Werte des Standardredoxpotentials der Lanthanide verständlich erscheint. Von den vorliegenden elektroaktiven Spezies tragen die Nd3+ Ionen nur zu knapp 20% zum Gesamtstrom bei. Durch Elektrolyse tragen auch die Lösungsmittelkomponenten zu diese Strom bei. Die Gegenwart von elektrolysiertem Lösungsmittel wurde in Analysen der Dünnschichten bestätigt. Diese waren immer mit chemi- und physisorbierten Lösungsmittelmolekülen bedeckt. Die Analyse der Dünnschichten zeigte, dass die Oberflächen von einem furchenartiges Netz durchzogen waren, und dass diese während des Trocknen der Schichten nach dem MP entstanden. Ob die Schichten an Luft oder in inerter Atmosphäre trockneten, hatte keinen Einfluss. Es wurden Experimente mit mehreren Lösungsmitteln durchgeführt, die sich deutlich in ihren physikalischen Eigenschaften, v.a. dem Siedepunkt, unterschieden. Furchenfreie Dünnschichten konnten insbesondere bei MP in N,N-dimethylformamide (DMF) erzeugt werden. Die Verwendung von DMF in Kombination mit einer Abscheidung auf sehr glatten Substraten erlaubte die Produktion von sehr homogenen, glatten und defektfreien Schichten. Diese waren vermutlich geringeren inneren Spannungen während des Trocknens ausgesetzt, als Schichten auf raueren Substraten oder solche, die aus flüchtigeren Lösungsmitteln hergestellt wurden. Die Oberflächenrauigkeit des Substrats und das gewählte Lösungsmittel wurden so als Schlüsselfaktoren für die Produktion hochqualitativer Schichten identifiziert. Es konnte gezeigt werden, dass mit MP eine sehr effiziente Methode zur Herstellung homogener Schichten mit exzellenter Ausbeute ist. In weiteren Experimenten mit dem primordialen Alpha-Emitter 147Sm als Modellisotop wurde die Eignung solcher Schichten als Alpha-Quelle untersucht. Sowohl die Energieauflösung als auch der Anteil der Alpha-Teilchen, die den Detektor erreichten, waren von den Quelleneigenschaften abhängig. Die Effekte wurden verschiedenen Variablen der Dünnschicht zugeordnet, welche die Alpha-Spektren beeinflussten. Dominant war die Wahl des Lösungsmittels und die Rauigkeit des Substrats. Dies beeinflusste Schichtdicke und -morphologie sowie die Art des Schichtwachstums und veränderte die Detektionseffizienz in Alpha-Messungen bis zu 15%. Nur homogene, ebene Schichten, die aus DMF auf glatten Substraten abgeschieden wurden, eignen sich optimal als Alpha-Quelle. Die gewonnenen Ergebnisse erlauben die optimierte Herstellung nuklearer Targets durch MP. Künftige Anwendungen beinhalten insbesondere die Herstellung von Targets für neutroneninduzierte Spaltexperimente und untergrundarmeAlpha-Messungen sehr kleiner Aktivitäten.

Controlling electronic and magnetic properties of ultra narrow multilayered nanowires

Interest in the study of magnetic/non-magnetic multilayered structures took a giant leap since Grünberg and his group established that the interlayer exchange coupling (IEC) is a function of the non-magnetic spacer width. This interest was further fuelled by the discovery of the phenomenal Giant Magnetoresistance (GMR) effect. In fact, in 2007 Albert Fert and Peter Grünberg were awarded the Nobel Prize in Physics for their contribution to the discovery of GMR. GMR is the key property that is being used in the read-head of the present day computer hard drive as it requires a high sensitivity in the detection of magnetic field. The recent increase in demand for device miniaturization encouraged researchers to look for GMR in nanoscale multilayered structures. In this context, one dimensional(1-D) multilayerd nanowire structure has shown tremendous promise as a viable candidate for ultra sensitive read head sensors. In fact, the phenomenal giant magnetoresistance(GMR) effect, which is the novel feature of the currently used multilayered thin film, has already been observed in multilayered nanowire systems at ambient temperature. Geometrical confinement of the supper lattice along the 2-dimensions (2-D) to construct the 1-D multilayered nanowire prohibits the minimization of magnetic interaction- offering a rich variety of magnetic properties in nanowire that can be exploited for novel functionality. In addition, introduction of non-magnetic spacer between the magnetic layers presents additional advantage in controlling magnetic properties via tuning the interlayer magnetic interaction. Despite of a large volume of theoretical works devoted towards the understanding of GMR and IEC in super lattice structures, limited theoretical calculations are reported in 1-D multilayered systems. Thus to gauge their potential application in new generation magneto-electronic devices, in this thesis, I have discussed the usage of first principles density functional theory (DFT) in predicting the equilibrium structure, stability as well as electronic and magnetic properties of one dimensional multilayered nanowires. Particularly, I have focused on the electronic and magnetic properties of Fe/Pt multilayered nanowire structures and the role of non-magnetic Pt spacer in modulating the magnetic properties of the wire. It is found that the average magnetic moment per atom in the nanowire increases monotonically with an ~1/(N(Fe)) dependance, where N(Fe) is the number of iron layers in the nanowire. A simple model based upon the interfacial structure is given to explain the 1/(N(Fe)) trend in magnetic moment obtained from the first principle calculations. A new mechanism, based upon spin flip with in the layer and multistep electron transfer between the layers, is proposed to elucidate the enhancement of magnetic moment of Iron atom at the Platinum interface. The calculated IEC in the Fe/Pt multilayered nanowire is found to switch sign as the width of the non-magnetic spacer varies. The competition among short and long range direct exchange and the super exchange has been found to play a key role for the non-monotonous sign in IEC depending upon the width of the Platinum spacer layer. The calculated magnetoresistance from Julliere's model also exhibit similar switching behavior as that of IEC. The universality of the behavior of exchange coupling has also been looked into by introducing different non-magnetic spacers like Palladium, Copper, Silver, and Gold in between magnetic Iron layers. The nature of hybridization between Fe and other non-magnetic spacer is found to dictate the inter layer magnetic interaction. For example, in Fe/Pd nanowire the d-p hybridization in two spacer layer case favors anti-ferromagnetic (AFM) configuration over ferromagnetic (FM) configuration. However, the hybridization between half-filled Fe(d) and filled Cu(p) state in Fe/Cu nanowire favors FM coupling in the 2-spacer system.

Raman spectrum of group IV nanowires: influence of temperature

Group IV semiconductor nanowires are characterized by Raman spectroscopy. The results are analyzed in terms of the heating induced by the laser beam on the nanowires. By solving the heat transport equation one can simulate the temperature reached by the NWs under the exposure to a laser beam. The results are illustrated with Si and Si1-xGex nanowires. Both bundles of nanowires and individual nanowires are studied. The main experimental conditions contributing to the nanowire heating are discussed

Individualization and Electrical Characterization of SiGe Nanowires

SiGe nanowires of different Ge atomic fractions up to 15% were grown and ex-situ n-type doped by diffusion from a solid source in contact with the sample. The phenomenon of dielectrophoresis was used to locate single nanowires between pairs of electrodes in order to carry out electrical measurements. The measured resistance of the as-grown nanowires is very high, but it decreases more than three orders of magnitude upon doping, indicating that the doping procedure used has been effective

SiGe nanowires grown by LPCVD using Ga-Au catalysts

The use of Ga-Au alloys as metal catalysts for the growth of SiGe nanowires has been investigated. The grown nanowires are cylindrical and straight, with a defect-free crystalline structure, sharp nanowire-droplet interfaces and an almost constant Ge atomic fraction throughout all their length. These features represent significant improvements over the results obtained using pure Au