High energy Li ion irradiation effects in ferroelectric PZT and SBT thin films

The ferroelectric Pb(Zr0.53Ti0.47)O-3 (PZT) and SrBi2Ta2O9 (SBT) thin films were prepared by laser ablation technique. The dielectric analysis, capacitance-voltage, ferroelectric hysteresis and DC leakage current measurements were performed before and after 50 MeV Li3+ ion irradiation. In both thin films, the irradiation produced some amount of amorphisation, considerable degradation in the ferroelectric properties and change in DC conductivity. On irradiation of these thin films, the phase transition temperature [T-c] of PZT decreased considerably from 628 to 508 K, while SBT exhibited a broad and diffuse transition with its T-c decreased from 573 to 548 K. The capacitance-voltage curve at 100 kHz showed a double butterfly loop with a large decrease in the capacitance and switching voltage. There was decrease in the ferroelectric hysteresis loop, remanant polarisation and coercive field. After annealing at a temperature of 673 K for 10 min while PZT partially regained the ferroelectric properties, while SBT did not. The DC conductivity measurements showed a shift in the onset of non-linear conduction region in irradiated SBT. The degradation of ferroelectric properties of the irradiated thin films is attributed to the irradiation-induced partial amorphization and the pinning of the ferroelectric domains by trapped charges. The regaining of properties after annealing is attributed to the thermal annealing of the defects generated during the irradiation. (C) 2003 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Hybrid FIB milling strategy for the fabrication of plasmonic nanostructures on semiconductor substrates

The optical properties of plasmonic semiconductor devices fabricated by focused ion beam (FIB) milling deteriorate because of the amorphisation of the semiconductor substrate. This study explores the effects of combining traditional 30 kV FIB milling with 5 kV FIB patterning to minimise the semiconductor damage and at the same time maintain high spatial resolution. The use of reduced acceleration voltages is shown to reduce the damage from higher energy ions on the example of fabrication of plasmonic crystals on semiconductor substrates leading to 7-fold increase in transmission. This effect is important for focused-ion beam fabrication of plasmonic structures integrated with photodetectors, light-emitting diodes and semiconductor lasers.

Influence of microstructure on the cutting behaviour of silicon

We use molecular dynamics simulation to study the mechanisms of plasticity during cutting of monocrystalline and polycrystalline silicon. Three scenarios are considered: (i) cutting a single crystal silicon workpiece with a single crystal diamond tool, (ii) cutting a polysilicon workpiece with a single crystal diamond tool, and (iii) cutting a single crystal silicon workpiece with a polycrystalline diamond tool. A long-range analytical bond order potential is used in the simulations, providing a more accurate picture of the atomic-scale mechanisms of brittle fracture, ductile plasticity, and structural changes in silicon. The MD simulation results show a unique phenomenon of brittle cracking typically inclined at an angle of 45° to 55° to the cut surface, leading to the formation of periodic arrays of nanogrooves in monocrystalline silicon, which is a new insight into previously published results. Furthermore, during cutting, silicon is found to undergo solid-state directional amorphisation without prior Si-I to Si-II (beta tin) transformation, which is in direct contrast to many previously published MD studies on this topic. Our simulations also predict that the propensity for amorphisation is significantly higher in single crystal silicon than in polysilicon, signifying that grain boundaries eases the material removal process.

Optimising drug solubilisation in amorphous polymer dispersions: rational selection of hot-melt extrusion processing parameters

The aim of this article was to construct a T–ϕ phase diagram for a model drug (FD) and amorphous polymer (Eudragit® EPO) and to use this information to understand the impact of how temperature–composition coordinates influenced the final properties of the extrudate. Defining process boundaries and understanding drug solubility in polymeric carriers is of utmost importance and will help in the successful manufacture of new delivery platforms for BCS class II drugs. Physically mixed felodipine (FD)–Eudragit® EPO (EPO) binary mixtures with pre-determined weight fractions were analysed using DSC to measure the endset of melting and glass transition temperature. Extrudates of 10 wt% FD–EPO were processed using temperatures (110°C, 126°C, 140°C and 150°C) selected from the temperature–composition (T–ϕ) phase diagrams and processing screw speed of 20, 100 and 200rpm. Extrudates were characterised using powder X-ray diffraction (PXRD), optical, polarised light and Raman microscopy. To ensure formation of a binary amorphous drug dispersion (ADD) at a specific composition, HME processing temperatures should at least be equal to, or exceed, the corresponding temperature value on the liquid–solid curve in a F–H T–ϕ phase diagram. If extruded between the spinodal and liquid–solid curve, the lack of thermodynamic forces to attain complete drug amorphisation may be compensated for through the use of an increased screw speed. Constructing F–H T–ϕ phase diagrams are valuable not only in the understanding drug–polymer miscibility behaviour but also in rationalising the selection of important processing parameters for HME to ensure miscibility of drug and polymer.

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.

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.

Effets des recuits ultra-rapides (10^5 K/s) sur la formation des siliciures métalliques en phase solide

La synthèse de siliciures métalliques sous la forme de films ultra-minces demeure un enjeu majeur en technologie CMOS. Le contrôle du budget thermique, afin de limiter la diffusion des dopants, est essentiel. Des techniques de recuit ultra-rapide sont alors couramment utilisées. Dans ce contexte, la technique de nanocalorimétrie est employée afin d'étudier, in situ, la formation en phase solide des siliciures de Ni à des taux de chauffage aussi élevés que 10^5 K/s. Des films de Ni, compris entre 9.3 et 0.3 nm sont déposés sur des calorimètres avec un substrat de a-Si ou de Si(100). Des mesures de diffraction de rayons X, balayées en température à 3 K/s, permettent de comparer les séquences de phase obtenues à bas taux de chauffage sur des échantillons de contrôle et à ultra-haut taux de chauffage sur les calorimètres. En premier lieu, il est apparu que l'emploi de calorimètres de type c-NC, munis d'une couche de 340 nm de Si(100), présente un défi majeur : un signal endothermique anormal vient fausser la mesure à haute température. Des micro-défauts au sein de la membrane de SiNx créent des courts-circuits entre la bande chauffante de Pt du calorimètre et l'échantillon métallique. Ce phénomène diminue avec l'épaisseur de l'échantillon et n'a pas d'effet en dessous de 400 °C tant que les porteurs de charge intrinsèques au Si ne sont pas activés. Il est possible de corriger la mesure de taux de chaleur en fonction de la température avec une incertitude de 12 °C. En ce qui a trait à la formation des siliciures de Ni à ultra-haut taux de chauffage, l'étude montre que la séquence de phase est modifiée. Les phases riches en m étal, Ni2Si et théta, ne sont pas détectées sur Si(100) et la cinétique de formation favorise une amorphisation en phase solide en début de réaction. Les enthalpies de formation pour les couches de Ni inférieures à 10 nm sont globalement plus élevées que dans le cas volumique, jusqu' à 66 %. De plus, les mesures calorimétriques montrent clairement un signal endothermique à haute température, témoignant de la compétition que se livrent la réaction de phase et l'agglomération de la couche. Pour les échantillons recuits a 3 K/s sur Si(100), une épaisseur critique telle que décrite par Zhang et Luo, et proche de 4 nm de Ni, est supposée. Un modèle est proposé, basé sur la difficulté de diffusion des composants entre des grains de plus en plus petits, afin d'expliquer la stabilité accrue des couches de plus en plus fines. Cette stabilité est également observée par nanocalorimétrie à travers le signal endothermique. Ce dernier se décale vers les hautes températures quand l'épaisseur du film diminue. En outre, une 2e épaisseur critique, d'environ 1 nm de Ni, est remarquée. En dessous, une seule phase semble se former au-dessus de 400 °C, supposément du NiSi2.

Synthesis, characterization and formulation of a cathode active material: Copper nitroprusside

Nowadays, rechargeable Li-ion batteries play an important role in portable consumer devices. Formulation of such batteries is improvable by researching new cathodic materials that present higher performances of cyclability and negligible efficiency loss over cycles. Goal of this work was to investigate a new cathodic material, copper nitroprusside, which presents a porous 3D framework. Synthesis was carried out by a low-cost and scalable co-precipitation method. Subsequently, the product was characterized by means of different techniques, such as TGA, XRF, CHN elemental analysis, XRD, Mössbauer spectroscopy and cyclic voltammetry. Electrochemical tests were finally performed both in coin cells and by using in situ cells: on one hand, coin cells allowed different formulations to be easily tested, on the other operando cycling led a deeper insight to insertion process and both chemical and physical changes. Results of several tests highlighted a non-reversible electrochemical behavior of the material and a rapid capacity fading over time. Moreover, operando techniques report that amorphisation occurs during the discharge.

Self-healing of cracks during ductile regime machining of silicon: Insights from molecular dynamics simulation

During nanoindentation and ductile-regime machining of silicon, a phenomenon known as “self-healing” takes place in that the microcracks, microfractures, and small spallings generated during the machining are filled by the plastically flowing ductile phase of silicon. However, this phenomenon has not been observed in simulation studies. In this work, using a long-range potential function, molecular dynamics simulation was used to provide an improved explanation of this mechanism. A unique phenomenon of brittle cracking was discovered, typically inclined at an angle of 45° to 55° to the cut surface, leading to the formation of periodic arrays of nanogrooves being filled by plastically flowing silicon during cutting. This observation is supported by the direct imaging. The simulated X-ray diffraction analysis proves that in contrast to experiments, Si-I to Si-II (beta tin) transformation during ductile-regime cutting is highly unlikely and solid-state amorphisation of silicon caused solely by the machining stress rather than the cutting temperature is the key to its brittle-ductile transition observed during the MD simulations