White luminescence from Si+ and C+ ion-implanted SiO2 films

The microstructural and optical analysis of SiO2 layers emitting white luminescence is reported. These structures have been synthesized by sequential Si+ and C+ ion implantation and high-temperature annealing. Their white emission results from the presence of up to three bands in the photoluminescence (PL) spectra, covering the whole visible spectral range. The microstructural characterization reveals the presence of a complex multilayer structure: Si nanocrystals are only observed outside the main C-implanted peak region, with a lower density closer to the surface, being also smaller in size. This lack of uniformity in their density has been related to the inhibiting role of C in their growth dynamics. These nanocrystals are responsible for the band appearing in the red region of the PL spectrum. The analysis of the thermal evolution of the red PL band and its behavior after hydrogenation shows that carbon implantation also prevents the formation of well passivated Si/SiO2 interfaces. On the other hand, the PL bands appearing at higher energies show the existence of two different characteristics as a function of the implanted dose. For excess atomic concentrations below or equal to 10%, the spectra show a PL band in the blue region. At higher doses, two bands dominate the green¿blue spectral region. The evolution of these bands with the implanted dose and annealing time suggests that they are related to the formation of carbon-rich precipitates in the implanted region. Moreover, PL versus depth measurements provide a direct correlation of the green band with the carbon-implanted profile. These PL bands have been assigned to two distinct amorphous phases, with a composition close to elemental graphitic carbon or stoichiometric SiC.

Mécanismes de déformation de nanoparticules d’Au par irradiation ionique

Résumé Dans la présente thèse, nous avons étudié la déformation anisotrope par bombardement ionique de nanoparticules d'or intégrées dans une matrice de silice amorphe ou d'arséniure d’aluminium cristallin. On s’est intéressé à la compréhension du mécanisme responsable de cette déformation pour lever toute ambigüité quant à l’explication de ce phénomène et pour avoir une interprétation consistante et unique. Un procédé hybride combinant la pulvérisation et le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma a été utilisé pour la fabrication de couches nanocomposites Au/SiO2 sur des substrats de silice fondue. Des structures à couches simples et multiples ont été obtenues. Le chauffage pendant ou après le dépôt active l’agglomération des atomes d’Au et par conséquent favorise la croissance des nanoparticules. Les nanocomposites Au/AlAs ont été obtenus par implantation ionique de couches d’AlAs suivie de recuit thermique rapide. Les échantillons des deux nanocomposites refroidis avec de l’azote liquide ont été irradiés avec des faisceaux de Cu, de Si, d’Au ou d’In d’énergie allant de 2 à 40 MeV, aux fluences s'étendant de 1×1013 à 4×1015 ions/cm2, en utilisant le Tandem ou le Tandetron. Les propriétés structurales et morphologiques du nanocomposite Au/SiO2 sont extraites en utilisant des techniques optiques car la fréquence et la largeur de la résonance plasmon de surface dépendent de la forme et de la taille des nanoparticules, de leur concentration et de la distance qui les séparent ainsi que des propriétés diélectriques du matériau dans lequel les particules sont intégrées. La cristallinité de l’arséniure d’aluminium est étudiée par deux techniques: spectroscopie Raman et spectrométrie de rétrodiffusion Rutherford en mode canalisation (RBS/canalisation). La quantité d’Au dans les couches nanocomposites est déduite des résultats RBS. La distribution de taille et l’étude de la transformation de forme des nanoparticules métalliques dans les deux nanocomposites sont déterminées par microscopie électronique en transmission. Les résultats obtenus dans le cadre de ce travail ont fait l’objet de trois articles de revue. La première publication montre la possibilité de manipuler la position spectrale et la largeur de la bande d’absorption des nanoparticules d’or dans les nanocomposites Au/SiO2 en modifiant leur structure (forme, taille et distance entre particules). Les nanoparticules d’Au obtenues sont presque sphériques. La bande d’absorption plasmon de surface (PS) correspondante aux particules distantes est située à 520 nm. Lorsque la distance entre les particules est réduite, l’interaction dipolaire augmente ce qui élargit la bande de PS et la déplace vers le rouge (602 nm). Après irradiation ionique, les nanoparticules sphériques se transforment en ellipsoïdes alignés suivant la direction du faisceau. La bande d’absorption se divise en deux bandes : transversale et longitudinale. La bande correspondante au petit axe (transversale) est décalée vers le bleu et celle correspondante au grand axe (longitudinale) est décalée vers le rouge indiquant l’élongation des particules d’Au dans la direction du faisceau. Le deuxième article est consacré au rôle crucial de la déformation plastique de la matrice et à l’importance de la mobilité des atomes métalliques dans la déformation anisotrope des nanoparticules d’Au dans les nanocomposites Au/SiO2. Nos mesures montrent qu'une valeur seuil de 2 keV/nm (dans le pouvoir d'arrêt électronique) est nécessaire pour la déformation des nanoparticules d'or. Cette valeur est proche de celle requise pour la déformation de la silice. La mobilité des atomes d’Au lors du passage d’ions est confirmée par le calcul de la température dans les traces ioniques. Le troisième papier traite la tentative de formation et de déformation des nanoparticules d’Au dans une matrice d’arséniure d’aluminium cristallin connue pour sa haute résistance à l’amorphisation et à la déformation sous bombardement ionique. Le résultat principal de ce dernier article confirme le rôle essentiel de la matrice. Il s'avère que la déformation anisotrope du matériau environnant est indispensable pour la déformation des nanoparticules d’or. Les résultats expérimentaux mentionnés ci-haut et les calculs de températures dans les traces ioniques nous ont permis de proposer le scénario de déformation anisotrope des nanoparticules d’Au dans le nanocomposite Au/SiO2 suivant: - Chaque ion traversant la silice fait fondre brièvement un cylindre étroit autour de sa trajectoire formant ainsi une trace latente. Ceci a été confirmé par la valeur seuil du pouvoir d’arrêt électronique. - L’effet cumulatif des impacts de plusieurs ions conduit à la croissance anisotrope de la silice qui se contracte dans la direction du faisceau et s’allonge dans la direction perpendiculaire. Le modèle de chevauchement des traces ioniques (overlap en anglais) a été utilisé pour valider ce phénomène. - La déformation de la silice génère des contraintes qui agissent sur les nanoparticules dans les plans perpendiculaires à la trajectoire de l’ion. Afin d’accommoder ces contraintes les nanoparticules d’Au se déforment dans la direction du faisceau. - La déformation de l’or se produit lorsqu’il est traversé par un ion induisant la fusion d’un cylindre autour de sa trajectoire. La mobilité des atomes d’or a été confirmée par le calcul de la température équivalente à l’énergie déposée dans le matériau par les ions incidents. Le scénario ci-haut est compatible avec nos données expérimentales obtenues dans le cas du nanocomposite Au/SiO2. Il est appuyé par le fait que les nanoparticules d’Au ne se déforment pas lorsqu’elles sont intégrées dans l’AlAs résistant à la déformation.

Réduction de la durée de vie des porteurs de charge dans le silicium noir par implantation ionique

Le but de ce projet est d’étudier l’effet des défauts cristallins sur les propriétés optoélectroniques de photodétecteurs fabriqué à partir de « silicium noir », c’est-à-dire du silicium dopé et microstructuré par impulsions laser femtoseconde, ce qui lui donne une apparence noire mate caractéristique. Des échantillons de silicium noir ont été recuits puis implantés avec des ions ayant une énergie de 300 keV (Si+), 1500 keV (Si+) ou 2000 keV (H+). Trois fluences pour chaque énergie d’implantation ont été utilisées (1E11, 1E12, ou 1E13 ions/cm2) ce qui modifie le matériau en ajoutant des défauts cristallins à des profondeurs et concentrations variées. Neuf photodétecteurs ont été réalisés à partir de ces échantillons implantés, en plus d’un détecteur-contrôle (non-implanté). La courbe de courant-tension, la sensibilité spectrale et la réponse en fréquence ont été mesurées pour chaque détecteur afin de les comparer. Les détecteurs ont une relation de courant-tension presque ohmique, mais ceux implantés à plus haute fluence montrent une meilleure rectification. Les implantations ont eu pour effet, en général, d’augmenter la sensibilité des détecteurs. Par exemple, l’efficacité quantique externe passe de (0,069±0,001) % à 900 nm pour le détecteur-contrôle à (26,0±0,5) % pour le détecteur ayant reçu une fluence de 1E12 cm-2 d’ions de silicium de 1500 keV. Avec une tension appliquée de -0,50 V, la sensibilité est améliorée et certains détecteurs montrent un facteur de gain de photocourant supérieur à l’unité, ce qui implique un mécanisme de multiplication (avalanche ou photoconductivité). De même, la fréquence de coupure a été augmentée par l’implantation. Une technique purement optique a été mise à l’essai pour mesurer sans contacts la durée de vie effective des porteurs, dans le but d’observer une réduction de la durée de vie causée par les défauts. Utilisant le principe de la réflexion photo-induite résolue en fréquence, le montage n’a pas réuni toutes les conditions expérimentales nécessaires à la détection du signal.

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.

Optical absorption studies in ion implanted and amorphous semiconductors - Investigations in some tetrahedrally co-ordinated and chalcogenide materials

The thesis provides an overall review and introduction to amorphous semiconductors, followed by a brief discussion on the important structural models proposed for chalcogenide glasses and their electrical, optional and thermal properties. It also gives a brief description of the Physics of thin films, ion implantation and Photothermal Deflection Spectroscopy. A brief description of the experimental setup of a photothermal deflection spectrometer and the details of the preparation and optical characterization of the thin film samples. It deals with the employment of the subgap optional absorption measurement by PDS to characterize the defects, amorphization and annealing behavior in silicon implanted with B+ ions and the profiles of ion range and vacancy distribution obtained by the TRIM simulation. It reports the results of all absorption measurements by PDS in nitrogen implanted thin film samples of Ge-Se and As-Se systems

Termination of diamond surfaces with hydrogen, oxygen and fluorine using a small, simple plasma gun

We have formed and characterized polycrystalline diamond films with surfaces having hydrogen terminations, oxygen terminations, or fluorine terminations, using a small, simple and novel plasma gun to bombard the diamond surface, formed by plasma assisted CVD in a prior step, with ions of the wanted terminating species. The potential differences between surface regions with different terminations were measured by Kelvin Force Microscopy (KFM). The highest potential occurred for oxygen termination regions and the lowest for fluorine. The potential difference between regions with oxygen terminations and hydrogen terminations was about 80 mV, and between regions with hydrogen terminations and fluorine terminations about 150 mV. Regions with different terminations were identified and imaged using the secondary electron signal provided by scanning electron microscopy (SEM). since this signal presents contrast for surfaces with different electrical properties. The wettability of the surfaces with different terminations was evaluated, measuring contact angles. The sample with oxygen termination was the most hydrophilic, with a contact angle of 75 degrees. hydrogen-terminated regions with 83 degrees, and fluorine regions 93 degrees, the most hydrophobic sample. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Drag force in a strongly coupled anisotropic plasma

We calculate the drag force experienced by an in finitely massive quark propagating at constant velocity through an anisotropic, strongly coupled N = 4 plasma by means of its gravity dual. We find that the gluon cloud trailing behind the quark is generally misaligned with the quark velocity, and that the latter is also misaligned with the force. The drag coefficient mu can be larger or smaller than the corresponding isotropic value depending on the velocity and the direction of motion. In the ultra-relativistic limit we find that generically mu proportional to p. We discuss the conditions under which this behaviour may extend to more general situations.

Jet quenching in a strongly coupled anisotropic plasma

The jet quenching parameter of an anisotropic plasma depends on the relative orientation between the anisotropic direction, the direction of motion of the parton, and the direction along which the momentum broadening is measured. We calculate the jet quenching parameter of an anisotropic, strongly coupled N = 4 plasma by means of its gravity dual. We present the results for arbitrary orientations and arbitrary values of the anisotropy. The anisotropic value can be larger or smaller than the isotropic one, and this depends on whether the comparison is made at equal temperatures or at equal entropy densities. We compare our results to analogous calculations for the real-world quark-gluon plasma and find agreement in some cases and disagreement in others.

Optical Microring Resonators based on ion-implanted LiNbO3 ridge waveguides

The growing interest for Integrated Optics for sensing, telecommunications and even electronics is driving research to find solutions to the new challenges issued by a more and more fast, connected and smart world. This thesis deals with the design, the fabrication and the characterisation of the first prototypes of Microring Resonators realised using ion implanted Lithium Niobate (LiNbO3) ridge waveguides. Optical Resonator is one among the most important devices for all tasks described above. LiNbO3 is the substrate commonly used to fabricate optical modulators thanks to its electro-optic characteristics. Since it is produced in high quantity, good quality and large wafers its price is low compared to other electro-optic substrate. We propose to use ion implantation as fabrication technology because in the other way standard optical waveguides realised in LiNbO3 by Proton Exchange (PE) or metal diffusion do not allow small bending radii, which are necessary to keep the circuit footprint small. We will show in fact that this approach allows to fabricate waveguides on Lithium Niobate that are better than PE or metal diffused waveguides as it allows smaller size devices and tailoring of the refractive index profile controlling the implantation parameters. Moreover, we will show that the ridge technology based on enhanced etching rate via ion implantation produces a waveguide with roughness lower than a dry etched one. Finally it has been assessed a complete technological process for fabrication of Microring Resonator devices in Lithium Niobate by ion implantation and the first prototypes have been produced.

Analysis and optimization of propagation losses in LiNbO3 optical waveguides produced by swift heavy-ion irradiation

The propagation losses (PL) of lithium niobate optical planar waveguides fabricated by swift heavy-ion irradiation (SHI), an alternative to conventional ion implantation, have been investigated and optimized. For waveguide fabrication, congruently melting LiNbO3 substrates were irradiated with F ions at 20 MeV or 30 MeV and fluences in the range 1013–1014 cm−2. The influence of the temperature and time of post-irradiation annealing treatments has been systematically studied. Optimum propagation losses lower than 0.5 dB/cm have been obtained for both TE and TM modes, after a two-stage annealing treatment at 350 and 375∘C. Possible loss mechanisms are discussed.

Amorphous silicon solar cells by hydrogen implantation : final report, January 1, 1979-August 31, 1980 /

"August 1980."

Ion beam modification and analysis of metal/polymer bi-layer thin films

A set of varying-thickness Au-films were thermally evaporated onto poly(styrene-co-acrylonitrile) thin film surfaces. The Au/PSA bi-layer targets were then implanted with 50 keV N+ ions to a fluence of 1 × 1016 ions/cm2 to promote metal-to-polymer adhesion and to enhance their mechanical and electrical performance. Electrical conductivity measurements of the implanted Au/PSA thin films showed a sharp percolation behavior versus the pre-implant Au-film thickness with a percolation threshold near the nominal thickness of 44 Å. The electrical conductivity results are discussed along with the film microstructure and the elemental diffusion/mixing within the Au/PSA interface obtained by scanning electron microscopy (SEM) and ion beam analysis techniques (RBS and ERD).

Tailored conductivity in ion implanted polyetheretherketone

Ion implantation can be used to confer electrical conductivity upon conventional insulating polymers such as polyetheretherketone (PEEK). We have implanted PEEK films using three different types of ion implantation: conventional inert gas and metal ion implantation, and ion beam mixing. We have applied a number of analytical techniques to compare the chemical, structural and electrical properties of these films. The most effective means of increasing electrical conductivity appears to be via ion beam mixing of metals into the polymer, followed by metal ion implantation and finally, inert gas ion implantation. Our results suggest that in all cases, the conducting region corresponds to the implanted layer in the near surface to a depth of similar to750 Angstrom (ion beam mixed) to similar to5000 Angstrom (metal ion). This latter value is significantly higher than would be expected from a purely ballistic standpoint, and can only be attributed to thermal inter-diffusion. Our data also indicates that graphitic carbon is formed within the implant region by chain scission and subsequent cross-linking. All ion implanted samples retained their bulk mechanical properties, i.e. they remained flexible. The implant layers showed no signs of de-lamination. We believe this to be the first comparative study between different implantation techniques, and our results support the proposition that soft electronic circuitry and devices can be created by conductivity engineering with ion beams. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

Superconductivity in metal-mixed ion-implanted polymer films

Ion implantation of normally insulating polymers offers an alternative to depositing conjugated organics onto plastic films to make electronic circuits. We used a 50 keV nitrogen ion beam to mix a thin 10 nm Sn/Sb alloy film into the subsurface of polyetheretherketone and report the low temperature properties of this material. We observed metallic behavior, and the onset of superconductivity below 3 K. There are strong indications that the superconductivity does not result from a residual thin film of alloy, but instead from a network of alloy grains coupled via a weakly conducting, ion-beam carbonized polymer matrix. (c) 2006 American Institute of Physics.