Efficient energy transfer from Si clusters to Er3+ in complex silicate glasses

We present an extensive study of the structural and optical emission properties in aluminum silicates and soda-lime silicates codoped with Si nanoclusters (Si-nc) and Er. Si excess of 5 and 15¿at.¿% and Er concentrations ranging from 2×1019 up to 6×1020¿cm¿3 were introduced by ion implantation. Thermal treatments at different temperatures were carried out before and after Er implantation. Structural characterization of the resulting structures was performed to obtain the layer composition and the size distribution of Si clusters. A comprehensive study has been carried out of the light emission as a function of the matrix characteristics, Si and Er contents, excitation wavelength, and power. Er emission at 1540¿nm has been detected in all coimplanted glasses, with similar intensities. We estimated lifetimes ranging from 2.5¿to¿12¿ms (depending on the Er dose and Si excess) and an effective excitation cross section of about 1×10¿17¿cm2 at low fluxes that decreases at high pump power. By quantifying the amount of Er ions excited through Si-nc we find a fraction of 10% of the total Er concentration. Upconversion coefficients of about 3×10¿18¿cm¿3¿s¿1 have been found for soda-lime glasses and one order of magnitude lower in aluminum silicates.

Modificacion de las propiedades opticas y mecanicas de polimeros mediante implantacion ionica

En el presente trabajo se estudian los efectos introducidos por la implantación de Nitrógeno atómico y Silicio sobre probetas de policarbonato empleadas para usos ópticos. Distintas dosis de Nitrógeno y Silicio fueron implantadas de cara a poner de manifiesto el efecto de la dosis sobre las propiedades ópticas y mecánicas. Se llevaron a cabo ensayos mecánicos de microdureza, nanodureza, y AFM, así como ensayos ópticos de Reflexión-absorción IR y Transmitancia UV-VIS. Los resultados muestran un endurecimiento superficial para las implantaciones a dosis altas de Nitrógeno, así como cambios considerables en los espectros de transmitancia.

Correlation between charge transport and electroluminescence properties of Si-rich oxide/nitride/oxide-based light emitting capacitors.

The electrical and electroluminescence (EL) properties at room and high temperatures of oxide/ nitride/oxide (ONO)-based light emitting capacitors are studied. The ONO multidielectric layer is enriched with silicon by means of ion implantation. The exceeding silicon distribution follows a Gaussian profile with a maximum of 19%, centered close to the lower oxide/nitride interface. The electrical measurements performed at room and high temperatures allowed to unambiguously identify variable range hopping (VRH) as the dominant electrical conduction mechanism at low voltages, whereas at moderate and high voltages, a hybrid conduction formed by means of variable range hopping and space charge-limited current enhanced by Poole-Frenkel effect predominates. The EL spectra at different temperatures are also recorded, and the correlation between charge transport mechanisms and EL properties is discussed.

Síntesis de capas de SiC en substrato de Si mediante implantación iónica

En este trabajo se investiga la síntesis de estructuras SiC/Si mediante implantación iónica de carbono en Si. Las implantaciones se han realizado a energías entre 25 y 300 keV y las dosis en el rango lO^^ylO^^ cm , manteniendo el substrato a temperatura ambiente o 500°C. Algunas estructuras han sido recocidas a 1150°C. Los resultados indican que implantando a temperatura ambiente se forma una capa de SiC amorfa y de composición gradual, que recristaliza formando precipitados de ß-SiC con orientaciones aleatorias después del recocido. Además se forma un capa superficial rica en carbono, debida a la difusión del carbono hacia la superficie durante la implantación, y que desaparece con el recocido. Implantando a 500°C se forma directamente una capa con una muy alta densidad de precipitados de ß-SiC orientados preferencialmente con la matriz de silicio. Dada la estabilidad térmica y química de dicha capa se han realizado membranas de SiC mediante técnicas fotolitográficas y ataque químico selectivo, cuya rugosidad superficial es inferior a 6 nm. Estas membranas muestran unos gradientes de tensiones residuales, que prácticamente desaparecen después del recocido. Los resultados confirman la potencialidad de la implantación iónica para la formación de estructuras microme-cánicas de SiC sobre Si.

Fotoluminiscencia visible debida a capas de SiO2. implantadas con silicio y carbono

Se ha n realizado implantaciones de silicio y de carbono + silicio en matrices aislantes de SÍO2 térmico, las cuales, después de un recocido a alta temperatura precipitan en forma de nanocristales de tamaños comprendidos entre 30 y 60 Á. Estas estructuras presentan una intensa fotoluminiscencia en el rojo profundo (1.4-1.6 eV) y el verde (2.0-2.2 eV). La energía e intensidad de las bandas depende fuertemente de la temperatura y duración del recocido. Diferentes comportamientos se han encontrado para las bandas roja y verde, incluyendo la cinética de desexcitación y el origen estructural. Los experimentos de absorción infrarroja, Raman y microscopía electrónica demuestran que los nanocristales son los responsables de la banda roja mientras que agregados amorfos de carbono son los responsables de la verde.

L’étude de l’InP et du GaP suite à l’implantation ionique de Mn et à un recuit thermique

Cette thèse est dédiée à l’étude des matériaux InMnP et GaMnP fabriqués par implantation ionique et recuit thermique. Plus précisément nous avons investigué la possibilité de former par implantation ionique des matériaux homogènes (alliages) de InMnP et GaMnP contenant de 1 à 5 % atomiques de Mn qui seraient en état ferromagnétique, pour des possibles applications dans la spintronique. Dans un premier chapitre introductif nous donnons les motivations de cette recherche et faisons une revue de la littérature sur ce sujet. Le deuxième chapitre décrit les principes de l’implantation ionique, qui est la technique utilisée pour la fabrication des échantillons. Les effets de l’énergie, fluence et direction du faisceau ionique sur le profil d’implantation et la formation des dommages seront mis en évidence. Aussi dans ce chapitre nous allons trouver des informations sur les substrats utilisés pour l’implantation. Les techniques expérimentales utilisées pour la caractérisation structurale, chimique et magnétique des échantillons, ainsi que leurs limitations sont présentées dans le troisième chapitre. Quelques principes théoriques du magnétisme nécessaires pour la compréhension des mesures magnétiques se retrouvent dans le chapitre 4. Le cinquième chapitre est dédié à l’étude de la morphologie et des propriétés magnétiques des substrats utilisés pour implantation et le sixième chapitre, à l’étude des échantillons implantés au Mn sans avoir subi un recuit thermique. Notamment nous allons voir dans ce chapitre que l’implantation de Mn à plus que 1016 ions/cm2 amorphise la partie implantée du matériau et le Mn implanté se dispose en profondeur sur un profil gaussien. De point de vue magnétique les atomes implantés se trouvent dans un état paramagnétique entre 5 et 300 K ayant le spin 5/2. Dans le chapitre 7 nous présentons les propriétés des échantillons recuits à basses températures. Nous allons voir que dans ces échantillons la couche implantée est polycristalline et les atomes de Mn sont toujours dans un état paramagnétique. Dans les chapitres 8 et 9, qui sont les plus volumineux, nous présentons les résultats des mesures sur les échantillons recuits à hautes températures : il s’agit d’InP et du GaP implantés au Mn, dans le chapitre 8 et d’InP co-implanté au Mn et au P, dans le chapitre 9. D’abord, dans le chapitre 8 nous allons voir que le recuit à hautes températures mène à une recristallisation épitaxiale du InMnP et du GaMnP; aussi la majorité des atomes de Mn se déplacent vers la surface à cause d’un effet de ségrégation. Dans les régions de la surface, concentrés en Mn, les mesures XRD et TEM identifient la formation de MnP et d’In cristallin. Les mesures magnétiques identifient aussi la présence de MnP ferromagnétique. De plus dans ces mesures on trouve qu’environ 60 % du Mn implanté est en état paramagnétique avec la valeur du spin réduite par rapport à celle trouvée dans les échantillons non-recuits. Dans les échantillons InP co-implantés au Mn et au P la recristallisation est seulement partielle mais l’effet de ségrégation du Mn à la surface est beaucoup réduit. Dans ce cas plus que 50 % du Mn forme des particules MnP et le restant est en état paramagnétique au spin 5/2, dilué dans la matrice de l’InP. Finalement dans le dernier chapitre, 10, nous présentons les conclusions principales auxquels nous sommes arrivés et discutons les résultats et leurs implications.

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.

Mécanismes de recuit dans le silicium implanté par faisceau d’ion caractérisés par nanocalorimétrie

Nous présenterons le procédé de fabrication, la caractérisation, ainsi qu’un modèle numérique permettant l’optimisation d’un nouveau dispositif permettant d’effectuer des mesures de nanocalorimétrie sur un échantillon de silicium monocristallin. Ce dernier possède entre autre des propriétés thermiques nous permettant d’effectuer des mesures à des températures supérieures à 900 C, avec une résolution meilleure que 16 C. Ceci nous a permis d’étudier la dynamique des défauts induits par implantation ionique dans le silicium monocristallin. Deux comportements différents sont observés dans la germination de la phase amorphe induite par implantation à 10 et 80 keV. Ces résultats ont été confrontés à des simulations Monte-Carlo basées sur le modèle des paires lacunesinterstitiels. La comparaison entre les simulations et les mesures expérimentales ont montré que ce modèle est incomplet car il ne reproduit qualitativement que certaines caractéristiques observées expérimentalement. Des mesures réalisées à partir de -110 C dans le silicium monocristallin et amorphisé implanté avec des ions légers, ont mis en évidence des différences claires entre la relaxation dans le silicium amorphe et le recuit des défauts dans le silicium monocristallin. Deux processus à des énergies d’activation de 0.48 et 0.6 eV ont été observés pour les implantations réalisées dans le silicium monocristallin tandis qu’un relâchement de chaleur uniforme ne révélant qu’un spectre continu d’énergie d’activation a été observé dans le silicium amorphe.

Défauts et diffusion dans le silicium amorphe

Nous avons observé une augmentation ‘’transient’’du taux de cristallisation interfacique de l’a-Si lorsqu’on réimplante du Si à proximité de l’interface amorphe/cristal. Après amorphisation et traitement thermique à 650°C pendant 5s de la couche a-Si crée par implantation ionique, une partie a été réimplantée. Les défauts produits par auto-réimplantation à 0.7MeV se trouvent à (302±9) nm de l’interface initiale. Cela nous a permis d’étudier d’avantage la variation initiale de la vitesse SPE (Épitaxie en phase solide). Avec des recuit identiques de 4h à 500°C, nous avons déterminé les positions successives des interfaces et en déduit les taux de cristallisation SPE. La cristallisation débute à l’interface et continue graduellement vers la surface. Après le premier recuit, (252±11) nm s’est recristallisé dans la zone réimplantée soit un avancement SPE de 1.26x10^18at./cm2. Cette valeur est environ 1.50 fois plus importante que celle dans l’état relaxé. Nous suggérons que la présence de défauts à proximité de l’interface a stimulé la vitesse initiale. Avec le nombre de recuit, l’écart entre les vitesses diminue, les deux régions se cristallisent presque à la même vitesse. Les mesures Raman prises avant le SPE et après chaque recuit ont permis de quantifier l’état de relaxation de l’a-Si et le transfert de l’état dé-relaxé à relaxé.

Spectrum simulation of rough and nanostructured targets from their 2D and 3D image by Monte Carlo methods

Corteo is a program that implements Monte Carlo (MC) method to simulate ion beam analysis (IBA) spectra of several techniques by following the ions trajectory until a sufficiently large fraction of them reach the detector to generate a spectrum. Hence, it fully accounts for effects such as multiple scattering (MS). Here, a version of Corteo is presented where the target can be a 2D or 3D image. This image can be derived from micrographs where the different compounds are identified, therefore bringing extra information into the solution of an IBA spectrum, and potentially significantly constraining the solution. The image intrinsically includes many details such as the actual surface or interfacial roughness, or actual nanostructures shape and distribution. This can for example lead to the unambiguous identification of structures stoichiometry in a layer, or at least to better constraints on their composition. Because MC computes in details the trajectory of the ions, it simulates accurately many of its aspects such as ions coming back into the target after leaving it (re-entry), as well as going through a variety of nanostructures shapes and orientations. We show how, for example, as the ions angle of incidence becomes shallower than the inclination distribution of a rough surface, this process tends to make the effective roughness smaller in a comparable 1D simulation (i.e. narrower thickness distribution in a comparable slab simulation). Also, in ordered nanostructures, target re-entry can lead to replications of a peak in a spectrum. In addition, bitmap description of the target can be used to simulate depth profiles such as those resulting from ion implantation, diffusion, and intermixing. Other improvements to Corteo include the possibility to interpolate the cross-section in angle-energy tables, and the generation of energy-depth maps.

Material processing by plasma shock wave generated in an inverse Z-pinch plasma expander

The applicability of plasma shock wave for material processing was investigated using modified inverse Z-pinch device. Shock wave expanding speed and plasma spectral analysis were studied using an internal magnetic,probe and spatially collimated light spectroscopy. The material processing capability of the device was shown by many different surface analysis techniques such as AES, IRS, EPM and SEM. The interactions between a plasma shock wave of similar to4x10(6) cm/s speed with a Si substrate surface shows some ion implantation capability using a nitrogen plasma and thin film formation using a methane plasma.

Absorption and fluorescence of Er3+-doped LiYF4: Measurements and simulation

Er3+:LiYF4 single crystal has been studied by absorption and fluorescence spectroscopy in the IR-visible-UV (0-44000 cm-1) region from 4.2 K to room temperature. Polarized spectra were recorded in order to assign numerous Stark levels of electronic transitions mentioned but not attributed before in the related literature and to discuss the irreducible representations (irreps) of the 4I15/2 sublevels. A parametric hamiltonian, including free ion (Eν, α, β, γ, Tλ, ζ, Mk and Pi) and crystal field parameters (B2 0, B4 0, B4 4, B6 0 and B6 4) in an approximate D2d symmetry for the rare earth site in this scheelite type structure, was used to simulate 109 energy positions of the Er ion with a r.m.s. standard deviation of 14.6 cm-1. A comparison with previously published results for Nd3+ in the same matrix is done. © 1998 Elsevier Science S.A.

Application of Mossbauer spectroscopy to the study of corrosion resistance in NaCl solution of plasma nitrided AISI 316L stainless steel

Corrosion research in steels is one of the areas in which Mossbauer spectroscopy has become a required analytical technique, since it is a powerful tool for both identifying and quantifying distinctive phases (which contain Fe) with accuracy. In this manuscript, this technique was used to the study of corrosion resistance of plasma nitrided AISI 316L samples in the presence of chloride anions. Plasma nitriding has been carried out using dc glow-discharge, nitriding treatments, in medium of 80 vol.% H-2 and 20 vol.% N-2, at 673 K, and at different time intervals: 2, 4, and 7 h. Treated samples were characterized by means of phase composition and morphological analysis, and electrochemical tests in NaCl aerated solution in order to investigate the influence of treatment time on the microstructure and the corrosion resistance, proved by conversion electron Mossbauer spectroscopy (CEMS), glancing angle X-ray diffraction (GAXRD), scanning electron microscopy (SEM) and potentiodynamic polarization. A modified layer of about 8 gin was observed for all the nitrided samples, independently of the nitriding time. A metastable phase, S phase or gamma(N), was produced. It seems to be correlated with gamma`-Fe-4 N phase. If the gamma(N) fraction decreases, the gamma` fraction increases. The gamma(N) magnetic nature was analyzed. When the nitriding time increases, the results indicate that there is a significant reduction in the relative fraction of the magnetic gamma(N) (in) phase. In contrast, the paramagnetic gamma(N) (p) phase increases. The GAXRD analysis confirms the Mossbauer results, and it also indicates CrN traces for the sample nitrided for 7 h. Corrosion results demonstrate that time in the plasma nitriding treatment plays an important role for the corrosion resistance. The sample treated for 4 h showed the best result of corrosion resistance. It seems that the epsilon/gamma` fraction ratio plays an important role in thin corrosion resistance since this sample shows the maximum value for this ratio. (c) 2008 Published by Elsevier B.V.

On the electrical conductivity of Ti-implanted alumina

Ion implantation of metal species into insulators provides a tool for the formation of thin, electrically conducting, surface layers with experimenter-controlled resistivity. High energy implantation of Pt and Ti into alumina accelerator components has been successfully employed to control high voltage surface breakdown in a number of cases. In the work described here we have carried out some basic investigations related to the origin of this phenomenon. By comparison of the results of alumina implanted with Ti at 75 keV with the results of prior investigations of polymers implanted with Pt at 49 eV and Au at 67 eV, we describe a physical model of the effect based on percolation theory and estimate the percolation parameters for the Ti-alumina composite. We estimate that the percolation dose threshold is about 4 x 10(16) cm(-2) and the maximum dose for which the system remains an insulator-conductor composite is about 10 x 10(16) cm(-2). The saturation electrical conductivity is estimated to be about 50 S/m. We conclude that the observed electrical conductivity properties of Ti-implanted alumina can be satisfactorily described by percolation theory. (C) 2012 American Institute of Physics. [http://dx.doi.org/10.1063/1.3697900]