Synthesis and Characterisation of Zinc Gallate Based Phosphors for Thin Film Electroluminescent Devices

Department of Physics, Cochin University of Science and Technology

Fabrication and Characterisation of Dye Doped Polymer Optical Fibres With Different Refractive Index Profiles for Photonic Applications

International School of Photonics, Cohin University of Science and Technology

Preparation and applications of periodical gold nanoparticle arrays

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Anwendungen von periodischen Goldnanopartikel-Arrays (PPAs), die mit Hilfe von Nanosphären-Lithografie hergestellt wurden. In Abhängigkeit der verwendeten Nanosphären-Größe wurden dabei entweder kleine dreieckige Nanopartikel (NP) (bei Verwendung von Nanosphären mit einem Durchmesser von 330 nm) oder große dreieckige NPD sowie leicht gestreckte NP (bei Verwendung von Nanosphären mit einem Durchmesser von 1390 nm) hergestellt. Die Charakterisierung der PPAs erfolgte mit Hilfe von Rasterkraftmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und optischer Spektroskopie. Die kleinen NP besitzen ein Achsverhältnis (AV) von 2,47 (Kantenlänge des NPs: (74+/-6) nm, Höhe: (30+/-4) nm. Die großen dreieckigen NP haben ein AV von 3 (Kantenlänge des NPs:(465+/-27) nm, Höhe: (1530+/-10) nm) und die leicht gestreckten NP (die aufgrund der Ausbildung von Doppelschichten ebenfalls auf der gleichen Probe erzeugt wurden) haben eine Länge von (364+/-16)nm, eine Breite von (150+/-20) nm und eine Höhe von (150+/-10)nm. Die optischen Eigenschaften dieser NP werden durch lokalisierte Oberflächenplasmon-Polariton Resonanzen (LPPRs) dominiert, d.h. von einem eingestrahlten elektromagnetischen Feld angeregte kollektive Schwingungen der Leitungsbandelektronen. In dieser Arbeit wurden drei signifikante Herausforderungen für Plasmonik-Anwendungen bearbeitet, welche die einzigartigen optischen Eigenschaften dieser NP ausnutzen. Erstens wurden Ergebnisse der selektiven und präzisen Größenmanipulation und damit einer Kontrolle der interpartikulären Abstände von den dreieckigen Goldnanopartikel mit Hilfe von ns-gepulstem Laserlicht präsentiert. Die verwendete Methode basiert hierbei auf der Größen- und Formabhängigkeit der LPPRs der NP. Zweitens wurde die sensorischen Fähigkeiten von Gold-NP ausgenutzt, um die Bildung von molekularen Drähten auf den PPAs durch schrittweise Zugabe von unterschiedlichen molekularen Spezies zu untersuchen. Hierbei wurde die Verschiebung der LSPPR in den optischen Spektren dazu ausgenutzt, die Bildung der Nanodrähte zu überwachen. Drittens wurden Experimente vorgestellt, die sich die lokale Feldverstärkung von NP zu nutze machen, um eine hochgeordnete Nanostrukturierung von Oberflächen mittels fs-gepulstem Laserlicht zu bewerkstelligen. Dabei zeigt sich, dass neben der verwendeten Fluenz die Polarisationsrichtung des eingestrahlten Laserlichts in Bezug zu der NP-Orientierung sowie die Größe der NP äußerst wichtige Parameter für die Nanostrukturierung darstellen. So konnten z.B. Nanolöcher erzeugt werden, die bei höheren Fluenzen zu Nanogräben und Nanokanälen zusammen wuchsen. Zusammengefasst lässt sich sagen, dass die in dieser Arbeit gewonnen Ergebnisse von enormer Wichtigkeit für weitere Anwendungen sind.

Optical spectroscopy and frequency upconversion properties of Tm3+ doped tungstate fluorophosphate glasses

Tungstate fluorophosphate glasses of good optical quality were synthesized by fusion of the components and casting under air atmosphere. The absorption spectra from near-infrared to visible were obtained and the Judd-Ofelt parameters determined from the absorption bands. Transition probabilities, excited state lifetimes and transition branching ratios, were, determined from the measurements. Pumping with a 354.7 nm beam from a pulsed laser. resulted in emission at 450 nm. due to transition D-1(2)-->F-3(4) in Tm3+ ions and a broadband emission centered at approximate to 550 nm attributed to the glass matrix. When pumping at 650 nm, two emission bands at 450 nm (D-1(2)-->F-3(4)) and at 790 nm (H-3(4)-->H-3(6)) were observed. Excitation spectra were also obtained in order to understand the origin of both emissions. Theoretical and experimental lifetimes were determined and,the results were explained in terms of multiphonon relaxation. (C) 2003 American Institute of Physics.

Nonresonant third-order nonlinearity of antimony glasses at telecom wavelengths

We report measurements of the nonresonant nonlinear refractive index n(2) in antimony glasses at telecom wavelengths. The measurements were performed using the Z-scan technique with a 130 fs pulsed laser operating at five wavelengths in the range of 1400-1600 nm. Values of n(2)approximate to 10(-15) cm(2)/W were measured and a negligible two-photon absorption coefficient (< 0.003 cm/GW) was estimated for all glasses compositions. The samples present a good figure of merit for ultrafast all-optical switching. (c) 2006 American Institute of Physics.

Energy transfer assisted frequency upconversion in Ho 3+ doped fluoroindate glass

Experimental results are reported which show a strong evidence of energy transfer between Ho 3+ ions in a fluoroindate glass excited by a pulsed laser operating at 640 nm. We identified the origin of the blue and green upconverted fluorescence observed as being due to a Ho 3+-Ho 3+ pair interaction process. The dynamics of the fluorescence revealed the pathways involved in the energy transfer assisted upconversion process. © 2002 American Institute of Physics.

Upconversion luminescence in Er3+ doped Ga10Ge 25S65 glass and glass-ceramic excited in the near-infrared

The infrared-to-visible frequency upconversion was investigated in Er 3+-doped Ga10Ge25S65 glass and in the transparent glass-ceramic obtained by heat-treatment of the glass above its glass-transition temperature. Continuous-wave and pulsed lasers operating at 980 nm and 1480 nm were used as excitation sources. The green (2H 11/2 → 4I15/2; 4S3/2 → 4I15/2) and red (4F9/2 → 4I15/2) photoluminescence (PL) signals due to the Er3+ ions were characterized. The PL decay times were influenced by energy transfer among Er3+ ions, by cross-relaxation processes and by energy transfer from the Er3+ ions to the host material. The PL from the Er3+ ions hosted in the crystalline phase was distinguished only when the glass-ceramic was excited by the 1480 nm pulsed laser. The excitation pathways responsible for the green and red PL bands are discussed to explain the differences between the spectra observed under continuous-wave and pulsed excitation. © 2013 American Institute of Physics.

Necrosis response to photodynamic therapy using light pulses in the femtosecond regime

One of the clinical limitations of the photodynamic therapy (PDT) is the reduced light penetration into biological tissues. Pulsed lasers may present advantages concerning photodynamic response when compared to continuous wave (CW) lasers operating under the same average power conditions. The aim of this study was to investigate PDT-induced response when using femtosecond laser (FSL) and a first-generation photosensitizer (Photogem) to evaluate the induced depth of necrosis. The in vitro photodegradation of the sensitizer was monitored during illumination either with CWor an FSL as an indirect measurement of the PDT response. Healthy liver of Wistar rats was used to evaluate the tissue response. The photosensitizer was endovenously injected and 30 min after, an energy dose of 150 Jcm-2 was delivered to the liver surface. We observed that the photodegradation rate evaluated via fluorescence spectroscopy was higher for the FSL illumination. The FSL-PDT produced a necrosis nearly twice as deep when compared to the CW-PDT. An increase of the tissue temperature during the application was measured and was not higher than 2.5 °C for the CW laser and not higher than 4.5 °C for the pulsed laser. FSL should be considered as an alternative in PDT applications for improving the results in the treatment of bulky tumors where higher light penetration is required.

Design and fabrication of MOMS-based ultrasonic probes for minimally invasive endoscopic applications

A Micro-opto-mechanical systems (MOMS) based technology for the fabrication of ultrasonic probes on optical fiber is presented. Thanks to the high miniaturization level reached, the realization of an ultrasonic system constituted by ultrasonic generating and detecting elements, suitable for minimally invasive applications or Non Destructive Evaluation (NDE) of materials at high resolution, is demonstrated. The ultrasonic generation is realized by irradiating a highly absorbing carbon film patterned on silicon micromachined structures with a nanosecond pulsed laser source, generating a mechanical shock wave due to the thermal expansion of the film induced by optical energy conversion into heat. The short duration of the pulsed laser, together with an appropriate emitter design, assure high frequency and wide band ultrasonic generation. The acoustic detection is also realized on a MOMS device using an interferometric receiver, fabricated with a Fabry-Perot optical cavity realized by means of a patterned SU-8 and two Al metallization levels. In order to detect the ultrasonic waves, the cavity is interrogated by a laser beam measuring the reflected power with a photodiode. Various issues related to the design and fabrication of these acoustic probes are investigated in this thesis. First, theoretical models are developed to characterize the opto-acoustic behavior of the devices and estimate their expected acoustic performances. Tests structures are realized to derive the relevant physical parameters of the materials constituting the MOMS devices and determine the conditions theoretically assuring the best acoustic emission and detection performances. Moreover, by exploiting the models and the theoretical results, prototypes of acoustic probes are designed and their fabrication process developed by means of an extended experimental activity.

Spurenanalyse von Aktiniden in der Umwelt mittels Resonanzionisations-Massenspektrometrie

In dieser Arbeit wurde die Methode der resonanten Ionisation von neutralen Atomen mittels Laserstrahlung auf die leichten Aktinide Thorium, Uran, Neptunium und Plutonium angewendet und für die Ultraspurenanalyse optimiert. Der empfindliche Nachweis dieser Aktinide stellt eine Herausforderung für die Beobachtung und Bestimmung von radioaktiven Verunreinigungen aus kerntechnischen Anlagen in der Umwelt dar. In einem für diese Untersuchungen entwickelten Quadrupolmassenspektrometer konnte durch Resonanzionisationsspektroskopie jeweils eine Reihe unbekannter Energiezustände in der Elektronenhülle des neutralen Atoms der oben genannten Aktinide identifiziert, sowie effiziente Anregungsschemata für die resonante Ionisation entwickelt und charakterisiert werden. Durch die verwendete in-source-Ionisation, die aufgrund der guten Überlagerung von Laserstrahlung und Atomstrahl eine hohe Nachweiseffizienz gewährleistet, konnten diese Untersuchungen bereits mit einem, für Radionuklide notwendigen, geringen Probeneintrag erfolgen. Die resonante Ionisation erlaubt durch die selektiven resonanten Prozesse eine Unterdrückung unerwünschter Kontaminationen und wurde auf den analytischen Nachweis von Ultraspurengehalten in Umweltproben, sowie die Bestimmung der entsprechenden Isotopenzusammensetzung optimiert. Durch die effiziente in-source-Ionisation mit leistungsstarker gepulster Laserstrahlung, konnten Nachweiseffizienzen im Bereich von bis zu 1% erreicht werden. Dabei wurden für Plutonium in synthetischen Proben, aber auch in ersten Umweltproben, Nachweisgrenzen von 10^4-10^5 Atomen erzielt. Die Verwendung spektral schmalbandiger Dauerstrichlaser und eine Ionisation transversal zum frei propagierenden Atomstrahl ermöglicht durch Auflösung der Isotopieverschiebung eine hohe Selektivität gegenüber dominanten Nachbarisotopen, wohingegen die Ionisationseffizienz deutlich abnimmt. Hiermit konnte für das Ultraspurenisotop U-236 eine Nachweisgrenze bis hinab zu 10^-9 für das Isotopenverhältnis N(U-236)/N(U-238) bestimmt werden.

Kinetische Studien zur OH-Bildung über die Reaktionen von HO 2 mit organischen Peroxyradikalen

Es wurde untersucht, wie sich das Substitutionsmuster organischer Peroxyradikale (RO2) auf die Ratenkonstante k1 und die Verzweigungsverhältnisse α, β und γ der Reaktionen von RO2 mit HO2 auswirkt. Die Effekte der Deuterierung von HO2 wurden ebenfalls studiert. Für zwei RO2 wurde zusätzlich das UV-Absorptionsspektrum bestimmt.rnrn αrnRO2 + HO2 → RO + OH + O2 R1arnrn βrn → RO2H + O2 R1brnrn γrn → ROH + O3 R1crnrnIn dieser Arbeit wurde ein neues Experiment aufgebaut. Für die direkte und zeitaufgelöste Messung der OH-Konzentration wurde das Verfahren der Laser-induzierten Fluoreszenz angewendet. Die Radikalerzeugung erfolgte mittels gepulster Laserphotolyse, wodurch unerwünschte Nebenreaktionen weitgehend unterdrückt werden konnten. Mittels transienter Absorptionsspektroskopie konnten die Menge der photolytisch erzeugten Radikale bestimmt und die Ozonbildung über R1c quantifiziert werden. Für die Auswertung wurden kinetische Modelle numerisch an die Messdaten angepasst. Um die experimentellen Unsicherheiten abzuschätzen, wurde ein Monte-Carlo-Ansatz gewählt.rnrnk1 und α reagieren sehr empfindlich auf Veränderungen des RO2-Substitutionsmusters. Während sich eine OH-Bildung für das unsubstituierte C2H5O2 (EtP) mit α EtP ≤ 5 % nicht nachweisen lässt, stellt R1a bei den α-Oxo-substituierten H3CC(O)O2 (AcP) und HOCH2C(O)O2 (HAP) mit α AcP = (63 ± 11) % bzw. α HAP = (69 ± 12) % den Hauptkanal dar. Wie die mit α HEP = (10 ± 4) % geringfügige OH-Bildung bei HOC2H4O2 (HEP) zeigt, nimmt die OH-Gruppe in β-Stellung weniger Einfluss auf den Wert von α als die Oxogruppe in α-Stellung. Bei der Erzeugung α-Oxo-substituierter RO2 kann ebenfalls OH entstehen (R+O2→RO2/OH). Die Druckabhängigkeit dieser OH-Quelle wurde mit einem innovativen Ansatz bestimmt. Mit γ AcP = (15+5-6) % bzw. γ HAP = (10+2-3) % lässt sich für die Reaktionen der α-Oxo-substituierten RO2 eine erhebliche Ozonbildung nachweisen. Durch die Einführung der α-Oxogruppe steigt k1 jeweils um 1,3 • 10-11 cm3s-1 an, der Effekt der β-Hydroxygruppe ist halb so groß (k1 AcP = (2,0 ± 0,4) • 10-11 cm3s-1, k1 HAP = (2,6 ± 0,4) • 10-11 cm3s-1). Das Verzweigungsverhältnis α steigt weiter, wenn das HO2 deuteriert wird (α AcP,iso = (80 ± 14) %, k1 AcP,iso = (2,1 ± 0,4) • 10-11 cm3s-1). Vergleiche mit älteren Studien zeigen, dass die OH-Bildung über R1a bislang deutlich unterschätzt worden ist. Die möglichen Ursachen für die Unterschiede zwischen den Studien werden ebenso diskutiert wie die Hintergründe der beobachteten Substituenteneffekte.

Measurement of the 1s-2s energy interval in muonium

The 1s-2s interval has been measured in the muonium (;mgr;(+)e(-)) atom by Doppler-free two-photon pulsed laser spectroscopy. The frequency separation of the states was determined to be 2 455 528 941.0(9.8) MHz, in good agreement with quantum electrodynamics. The result may be interpreted as a measurement of the muon-electron charge ratio as -1-1.1(2.1)x10(-9). We expect significantly higher accuracy at future high flux muon sources and from cw laser technology.

Sub-bandgap spectral photo-response analysis of Ti supersaturated Si

We have analyzed the increase of the sheet conductance (ΔG□) under spectral illumination in high dose Ti implanted Si samples subsequently processed by pulsed-laser melting. Samples with Ti concentration clearly above the insulator-metal transition limit show a remarkably high ΔG□, even higher than that measured in a silicon reference sample. This increase in the ΔG□ magnitude is contrary to the classic understanding of recombination centers action and supports the lifetime recovery predicted for concentrations of deep levels above the insulator-metal transition.

Interstitial Ti for intermediate band formation in Ti-supersaturated silicon

We have analyzed by means of Rutherford backscattering spectrometry (RBS) the Ti lattice location and the degree of crystalline lattice recovery in heavily Ti implanted silicon layers subsequently pulsed laser melted (PLM). Theoretical studies have predicted that Ti should occupy interstitial sites in silicon for a metallic-intermediate band (IB) formation. The analysis of Ti lattice location after PLM processes is a crucial point to evaluate the IB formation that can be clarifyied by means of RBS measurements. After PLM, time-of-flight secondary ion mass spectrometry measurements show that the Ti concentration in the layers is well above the theoretical limit for IB formation. RBS measurements have shown a significant improvement of the lattice quality at the highest PLM energy density studied. The RBS channeling spectra reveals clearly that after PLM processes Ti impurities are mostly occupying interstitial lattice sites.

Study of the Electrical Behavior in Intermediate Band-Si Junctions

In this study we analyze the electrical behavior of a junction formed by an ultraheavily Ti implanted Si layer processed by a Pulsed Laser Melting (PLM) and the non implanted Si substrate. This electrical behavior exhibits an electrical decoupling effect in this bilayer that we have associated to an Intermediate Band (IB) formation in the Ti supersaturated Si layer. Time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToFSIMS) measurements show a Ti depth profile with concentrations well above the theoretical limit required to the IB formation. Sheet resistance and Hall mobility measurements in the van der Pauw configuration of these bilayers exhibit a clear dependence with the different measurement currents introduced (1menor queA-1mA). We find that the electrical transport properties measured present an electrical decoupling effect in the bilayer as function of the temperature. The dependence of this effect with the injected current could be explained in terms of an additional current flow in the junction from the substrate to the IB layer and in terms of the voltage dependence in the junction with the measurement current.