ΠΡΟΣΚΕΚΛΗΜΕΝΕΣ ΟΜΙΛΙΕΣ

Transcript

1 ΠΡΟΣΚΕΚΛΗΜΕΝΕΣ ΟΜΙΛΙΕΣ

2 2 Muon Spectroscopy in Semiconductors E A Davis Department of Materials Science and Metallurgy, University of Cambridge, Cambridge CB2 3QZ, UK Although muons have a mass one-ninth that of the proton, their interaction with the host lattice when implanted into matter is, both electronically and chemically, virtually identical to that of hydrogen. As a consequence, the simulation of hydrogen by muons has proved to be an extremely valuable technique in the identification of potential sites for hydrogen in semiconductors and insulators. Experiments using muons are generally easier and more direct than those using hydrogen itself. One reason for this is the extremely high sensitivity of the associated spectroscopic techniques, by which one can detect individual muons. Another and more fundamental aspect is that hydrogen frequently forms a negative-u system, making the neutral state of the atom inaccessible under thermal equilibrium conditions. Such conditions do not apply in the muon experiments, permitting observation of both the ionized (charged) and unionized (neutral) states. The latter corresponds to muons that have captured an electron to form muonium atoms. The reduced mass of muonium is within 0.5% of that of hydrogen and so its Bohr radius and ionization energy are essentially the same as those of hydrogen. Early experiments on silicon and germanium identified preferred locations for muonium (and by implication hydrogen) at the interstitial sites of tetrahedral cages and the centres of covalent bonds. The corresponding electronic levels lie deep in the forbidden gap. In contrast, a few years ago, the first shallow donor states associated with muonium were discovered in CdS. These experiments were followed by similar observations in ZnO, confirming a previous theoretical suggestion that hydrogen could be the source of n-type conductivity in this material. Subsequently shallow levels associated with muonium have been found in InP and several other oxides. In the search for materials suitable for use as insulating high-permittivity gates in semiconductor devices, it is important to know in which materials hydrogen (an almost unavoidable impurity) is likely to form shallow donors. A predictive model, based on band-offset diagrams, will be discussed and its value assessed in the light of recent experiments using muon implantation.

3 3 Photovoltaic energy conversion challenges in material research and device development Walther Fuhs Hahn-Meitner-Institut Berlin The present photovoltaic market is dominated by the traditional silicon wafer technology which uses either mono- or polycrystalline silicon. However, this technology although reliable and effective is still far from being competitive in grid-connected applications with the established energy generation techniques. Therefore all research activities in this field aim at achieving substantial price reduction of the generated electrical energy. There are three dominating directions of research: (1) Improvement of the presently successful Si wafer technology (Si wafers, cell design, production technologies), (2) thin-film technologies (materials, devices, processes, production technologies), and (3) new approaches which apply new conversion principles and eventually may lead to very high conversion efficiencies. After a survey of the various concepts this talk will focus on the development of Si-thin film solar cells. The present status of solar cells made from hydrogenated amorphous silicon a-si:h and microcrystalline silicon µc-si:h will be reviewed and recent approaches for a polycrystalline silicon thin-film solar cell on glass substrates will be discussed. Although the photovoltaic effect is about 150 years old there are still many exciting questions in material and device research which have to be solved to enable wide terrestrial use of solar electricity.

4 4 TOUGHNESS DETERMINATION OF POLYMER SHEETS AND FILMS USING THE ESSENTIAL WORK OF FRACTURE (EWF) APPROACH: STRUCTURAL AND MOLECULAR DEPENDENCE J.Karger-Kocsis Institut für Verbundwerkstoffe GmbH (Institute for Composite Materials), Kaiserslautern University of Technology, POBox 3049, D Kaiserslautern, Germany Toughness is a key property for many polymer applications which is already often assessed by fracture mechanics. The essential work of fracture (EWF) method is gaining acceptance for the toughness determination of ductile sheets and films both under mode I and mode III conditions. Further, there is already an ISO draft on how to use the EWF for ductile polymers under mode I loading (in-plane crack opening) [1]. According to the EWF theory, credited to Broberg, ([2] and references therein) the total energy required to fracture of a precracked specimen is split in two components: the essential and non-essential (or plastic) work of fracture, respectively. The essential term is needed to fracture the polymer in the process zone and thus to generate new surfaces. The non-essential term considers the work consumed in the outer plastic region where various energy absorption mechanisms take place. EWF tests are easy to perform and the data reduction is also very simple. However, one of the major prerequisite of the EWF, viz. full ligament yielding prior to crack growth, is very rarely met [3-5]. On the other hand, this is exactly what we need in order to differentiate between effects of the initial structure and its alteration during loading. This is of great importance if we want to trace the toughness (being a material parameter) to molecular and supermolecular variables of polymers. It was quoted that the inherent toughness of amorphous glassy polymers is controlled in the first approximation by the square root of the entanglement molecular weight [4-5]. Note that this is in close analogy with the fracture behavior of rubbers. The scenario is far more complicated for semicrystalline polymers owing to a strong interrelation between molecular, crystalline and morphological entities (e.g. spherulite structure, crystalline phase, crystallinity, lamellar build-up, tie molecule density) which, in addition, undergo severe changes during loading [3,6-7]. Strong structural anisotropy caused by material composition (e.g. filling with anisometric particles) and/or processing (e.g. skin-core structure due to injectionmolding, mono- and biaxial orientations in films) may limit or even obstruct the application of the EWF method [3]. Nevertheless, the EWF method was successfully

5 5 adopted to asses the dynamic fracture toughness, to study effects like (anti)plasticization, impact modification, physical aging, UV and high energy irradiations, in ductile polymers. The EWF method has also been applied for the toughness determination of paper sheets ([8] and references therein). In addition, very recently this method was used to investigate the out-of-plane tearing response of single and multilayer films ([9] and references therein). References: 1 ISO/CD (2004): Plastics-determination of the fracture toughness w e essential work of fracture (EWF) test 2 Y.-W.Mai, S.-C.Wong and X.-H.Chen: Application of fracture mechanics for characterization of toughness of polymer blends in POLYMER BLENDS, Vol.2-Performance (Eds.: D.R.Paul and C.B.Bucknall), Wiley, N.Y., 2000, pp J.Karger-Kocsis: Microstructural and molecular dependence of the work of fracture parameters in semicrystalline and amorphous polymer systems in "FRACTURE OF POLYMERS, COMPOSITES AND ADHESIVES (ESIS Vol. 27)" (Eds.: J.G.Williams and A.Pavan), Elsevier Sci., Oxford, 2000, pp J.Karger-Kocsis: Fracture mechanical behavior of thermoplastic polymers as a function of molecular and supermolecular variables in THE APPLICATION OF FRACTURE MECHANICS TO POLYMERS, ADHESIVES AND COMPOSITES (ESIS Vol. 33), (Ed.: D.R.Moore), Elsevier, Oxford, 2004, pp J.Karger-Kocsis: Fracture and fatigue behavior of amorphous (co)polyesters as a function of molecular and network variables in "HANDBOOK OF THERMOPLASTIC POLYESTERS" (Ed.: S.Fakirov), Wiley-VCH, Weinheim, 2002, Vol. 1, Chapter 16, pp J.Karger-Kocsis: Dependence of the fracture and fatigue performance of polyolefins and related blends and composites on microstructural and molecular characteristics, Macromol.Symp., 143 (1999), J.Karger-Kocsis: Fracture and fatigue behaviour of semicrystalline polymers as a function of structural and molecular parameters in "STRUCTURE DEVELOPMENT DURING PROCESSING - Nato Science Series E, Vol.370" (Eds.: A.M.Cunha and S.Fakirov), Kluwer, Dordrecht, 2000, pp T.Bárány and J.Karger-Kocsis: In-plane fracture toughness of PET fiber-reinforced paper as a function of UV-irradiation, J.Macromol.Sci. PartB-Phys., B43 (2004), H.S.Kim and J.Karger-Kocsis: Tearing resistance of some co-polyester sheets, Acta Materialia, 52 (2004),

6 6 Organic Electronics George Malliaras Associate Professor Materials Science and Engineering Cornell University During the last fifteen years dramatic advances have been achieved in the performance of organic semiconductor devices. Organic light emitting diodes (OLEDs), for example, were first demonstrated in the late 80s and can already be found in cell phone displays. Moreover, OLED-based displays for laptops are scheduled to enter the market in 1-2 years. At the same time, organic thin film transistors (OTFTs) are being developed by numerous companies for "disposable" plastic electronics such as smart identification tags. This fast-paced progress can be attributed to unique properties of organic semiconductors such as ease of processing, their compatibility with mechanically flexible substrates and optoelectronic properties that can be tailored via chemical synthesis. The electronic properties of organic semiconductors and their connection to device performance will be discussed by drawing examples from recent studies of OLEDs and TFTs. In OLEDs, optimization of charge injection from metal electrodes is of tantamount importance for achieving efficient and stable device operation. Transition metal complexes, such as [Ru(bpy) 3 ] +2 (PF 6 - ) 2 (bpy is 2,2'-bipyridine), combine electronic and ionic conductivity and have recently demonstrated extremely promising performance. The physics of these devices is determined by a complex interplay between ionic and electronic space charge. Issues that need to be addressed for these materials to succeed in display and lighting applications will be discussed. A different set of challenges is encountered in OTFTs, where the mobility of the organic semiconductor has to be as high as possible. Polycrystalline films from small molecules such as pentacene have been shown to exhibit mobilities comparable to those in amorphous silicon. The connection between the growth conditions of these films, their morphology and their electrical properties will be discussed.

7 7 Resonant transmission of photonic amorphous and crystalline nanostuctures: Numeric modeling of their optical response P. Sharlandjiev Central Laboratory of Optical Storage and Processing of Information Bulgarian Academy of Sciences P.O. Box 95, Sofia PS-1113, Bulgaria, Metallo-dielectric photonic crystals are intensively studied because of their potential to many novel applications in information technologies, processing of information, optical storage, etc. Subwavelength diffraction structures, which are a special case of 2D photonic crystals that show the so called extraordinary transmission (zero diffraction order in transmittance) at certain wavelengths, are considered. Their optical response is numerically analyzed by the help of rigorous multiwave coupled wave approach based on exact solutions of the vector Maxwell equations. The polarization sensitive transmission of gratings, in which the modulation is due to rectangular dielectric cylinders embedded in metallick matrix, is studied. Further, such gratings are (periodically) sandwiched between homogeneous metal films and the resonant character of the optical response is analysed. There is a strong correlation between the optical behaviors of photonic crystal structures described above, and metal host films with randomly dispersed dielectric particles. The latter can be considered as photonic amorphous structures due to the existing of 1D quasi short range order. In both structures extraordinary transmittance is present. The interpretation of this phenomenon is usually related to the excitation of localized surface plasmon polaritons. In fact, they are related to particle strong negative extinction that has a resonant character. The observed optical resonances can be engineered and controlled. This optical response strongly depends on the morphology of the particles (shape, size and refractive index). For the case of embedded cylinders there is strong light polarization dependence. Besides embedded dielectric spheres and infinite cylinders in metal host, the case of dielectric core metal shell nanosized spheres in dielectric host matrix is analyzed as well. Some computational problems for evaluation of the extinction efficiency of a single dielectric particle in metal host matrix, related to the choice of truncation limit in the rigorous solutions of the Maxwell vector equations are discussed as well. Lower orders of the electric and magnetic modes are examined in order to find the poles that generate the morphology dependent resonances.

8 8 Negative Index Materials in GHz and THz Frequencies Costas M. Soukoulis 1,3, Jiangfeng Zhou 1,2, Thomas Koschny 1,3 1. Ames Laboratory and Department of Physics and Astronomy, Iowa State University, Ames, Iowa Department of Electrical and Computer Engineering and Microelectronics Research Center, Iowa State University, Ames, Iowa Institute of Electronic Structure and Laser FORTH, and Dept. of Materials Science and Technology, University of Crete, Greece Abstract: We present new designs, fabrication and experiments on meta-materials that give a negative index of refraction, with low imaginary part, from GHz to THz frequencies Optical Society of America OCIS codes: ( ) Optical properties, ( ) Resonance Most of the negative index materials (NIMs) sample implementations to date have utilized the topology proposed by Pendry, consisting of split ring resonators (SRRs) and continuous wires. A lot of groups were able to fabrication NIMs with an index of refraction n=-1 with losses of less than 1dB/cm [1]. Recently different groups observed indirectly [2-7] negative μ at the THz region. In most of the THz experiments only one layer of SRRs were fabricated on a substrate and the transmission, T, was measured only for propagation perpendicular to the plane of the SRRs, exploiting the coupling of the electric field to the magnetic resonance of the SRR via asymmetry [8]. This way it is not possible to drive the magnetic permeability negative. Also, no negative n with small imaginary part has been observed yet at the THz region. One reason is that is very difficult to measure with the existing topology of SRRs and continuous wires both the transmission, T, and reflection, R, along the direction parallel to the plane of the SRRs. So there is a need for alternative, improved and simplified designs that can be easily fabricated and experimentally characterized, especially in the infrared and optical regions of the spectrum. Such designs are offered by pairs of finite in length wires (short-wire-pair), which will be discussed below. A short-wire-pair can behaves like an SRR, exhibiting a magnetic resonance followed by a negative permeability regime. Moreover, short-wire-pairs can give simultaneously a negative ε in the same frequency range, and therefore a negative n, without the need for additional continuous wires [9-11]. Recent experiments [6] have not shown though evidence of negative n at THz frequencies in the short wires-pair cases that were studied. This is in contrast with the claims [12] that one can get negative n at THz frequencies. The negative n obtained [7, 12, 13] at THz frequencies is most probably due to the large imaginary parts of ε and µ. Very recent unpublished work [14, 15] introduced new designs of short-wire-pair based metallic structures to obtain negative index of refraction in the microwaves regime. The basic structure of a single unit cell of this NIM was build from H-shaped wires and is as shown in Fig. 1A: The conventional SRR is replaced by a pair of short parallel wires, which provide both negative magnetic and negative electric response; the continuous wires are not necessary. The short-wire-pair consists of a pair of metal patches separated by a dielectric spacer of thickness t s. For an electromagnetic wave incident with a wave vector and field polarization as shown in Fig. 1A, the short-wire-pair will process not only a magnetic resonance resulting in a negative μ but also an electric resonance with a negative ε simultaneously. The magnetic resonance originates from the anti-parallel current in the wire pair with opposite sign charge accumulating at the corresponding ends; the electric resonance is due to the excitation of parallel current in the wire pair with same sign charge accumulating at the corresponding ends of both wires. Repeating this basic structure periodically in the x-, y-, and z-directions would result in a NIM structure. Transmission and reflection properties of a single-layer structure were measured over the frequency range of GHz using a network analyzer (HP 8510) and a pair of standard gain horn antennas serving as source and receiver. In the transmission measurements, the microwaves were incident normal to the sample surface. This is a tremendous simplification relatively to the

9 9 conventional SRRs and wires where the incident electromagnetic waves have to propagate parallel to the sample surface. With the conventional orientation of the SRRs, it is almost impossible to do these type of measurements at the THz region, since only single-layer samples are usually fabricated [2, 3]. In both measurements, the electric field of the incident wave was polarized parallel to the long dimension of the wires. (For perpendicular polarization the transmission at the resonance regime was nearly 100%, independently of the frequency, and the reflection was essentially zero.) Using the transmission and reflection results from a single layer, we can extract the effective refractive index that would result if a periodic multi-layer sample were built using the single-layer structure as a building block. The extracted refractive index is shown in Fig. 1C. The plots show the real part of the permittivity is negative over most of the measured range. The real part of the permeability is negative over a band near 16 GHz for the simulation and the experiment. The extracted real part of the refractive index is negative over a narrow band at 16 GHz. The ratio of the imaginary part of n to the real part of n is 1/3, which means that we have left-handed propagation with ε, µ and n negative. Fig. 1: (A) Schematic representation of one unit cell of the wirepair structure. (B) Photograph of fabricated microwave-scale wirepair sample. (C) Extracted refractive index n of a periodic array of wire-pair unit cells, using the simulated (solid curves) and measured (dotted curves) transmission and reflection data. The red and blue curves show the real part of n and imaginary part of n respectively. wavelengths. Our preliminary numerical results show that if our structure is scaled down by a factor of 200, it will give a negative index of refraction at THz frequencies, with both ε and µ are negative. These results show clearly the viability of using short wire pairs to build negative-index materials, if combined with additional continuous wires. It is likely that modifications of the basic structure studied here may improve or alter the NIM properties (Fig. 2). Also, wire-pair arrangements with significantly different geometries may lead to negative-index materials. The relative ease of fabricating wire-pair structures may hasten the development of NIMs working at optical Fig. 2: (A) Schematic representation of one unit cell of the alter long-wire-pair structure. (B) Ratio of real part to imaginary part of n (Red solid) and Real part of n (Blue dashed). The horizontal black line corresponds to n=-1. (The sign of n was changed to positive in order to improve visibility). The real part to imaginary part ratio of n can be as high as 15 at n=-1. There is sustained effort in the community to push the operation frequency of the meta-materials deeper and deeper in the THz region to reach ultimately optical frequencies. This is so important because there are no natural materials that have magnetic properties at such high frequencies. At low

10 10 frequencies, up to several THz, the magnetic resonance frequency scales reciprocally with the structural size. At high frequencies, however, this linear scaling breaks down, as was shown in Ref. 16. Fig. 3.(A) The geometries of the 1-, 2-, and 4- cut singlering SRRs are shown; the unit cell has the dimensions a a in the SRR plane and 0:614a perpendicular to it. (B) The scaling of the simulated magnetic resonance frequency, f m, as a function of the linear size a of the unit cell for the 1-, 2-, and 4-cut SRRs (solid lines with symbols). Up to the lower THz region, the scaling is linear, f. The m 1/a maximum attainable frequency is strongly In Ref. 16, the limits of the resonant magnetic response for single-ring multicut SRR designs, shown in Fig. 3A, have been investigated up to optical frequencies. It was shown (see also Fig. 3B) that the breakdown of linear scaling due to the free electron kinetic energy occurs for frequencies above 100 THz. Well above the linear scaling regime, the resonance frequency saturates, while the amplitude of the resonant permeability decreases, ultimately ceasing to reach negative value. The highest resonance frequency at which μ < 0 increases with the number of cuts in the SRR. The highest magnetic resonance frequency is obtained for 4 or even more cuts. We would like to stress that the 4-cut single ring SRR design is favorable for higher dimensional LHMs not only for its highest attainable magnetic resonance frequency but also for its inherent symmetry [8, 17]. The general problem with the single gap SRRs is the inherent asymmetry of the resulting lattice of SRRs. As was discussed in Ref. 8, this will lead to the undesirable excitation of the magnetic resonance by the electric field. To avoid this coupling, more symmetric SRRs should be used. Koschny, Zhang and Soukoulis [17] proposed a three-dimensional isotropic LHM design, based on single-ring 4-gap SRRs, that allows left-handed behavior for any direction of propagation and any polarization of the electromagnetic wave. Using numerical transfer matrix simulations, they verified the isotropic transmission properties of the proposed structure. Their data show excellent agreement with results expected for a homogeneous slab with the corresponding negative ε and μ. No 3D isotropic LHM has been fabricated so far, and it is a challenge to be build even at microwaves frequencies. 1. K. Aydin, K. Guven, Lei Zhang, M. Kafesaki, C. M. Soukoulis, & E. Ozbay, Optics Letters, 29, 2623 (2004). 2. T. J. Yen, W. J. Padilla, N. Fang, D. C. Vier, D. R. Smith, J. B. Pendry, D. N. Basov, & X. Zhang, Science 303, (2004). 3. S. Linden, C. Enkirch, M. Wegener, J. Zhou, T. Koschny & C, M, Soukoulis,, Science 306, 1351 (2004). 4. N. Katsarakis, G. Konstantinidis, A. Kostopoulos, R. S. Penciu, T. F. Gundogdu, Th Koschny, M. Kafesaki, E. N. Economou, and C. M. Soukoulis, Optics Letters 30, 1348 (2005). 5. C. Enkrich, S. Linden, M. Wegener, S. Burger, L. Zswchiedrich, F. Schmidt, J. Zhou, T. Koschny and C. M. Soukoulis, Phys. Rev. Lett. 95, (2005). 6. C. Enkrich, F. Perez-Willard, D. Gerthsen J. Zhou, T. Koschny, C. M. Soukoulis, M. Wegener and S. Linden, Advanced Materials 17, 2543 (2005); G. Dolling et. al. Opt. Lett. 30, 3198 (2005). 7. S. Zhang et. al, Phys. Rev. Lett. 94, (2005); S. Zhang et. al. Phys. Rev. Lett. 95, (2005) 8. N. Katsarakis, T. Koschny, M. Kafesaki, E. N. Economou and C. M. Soukoulis, Appl. Phys. Lett. 84, 2943 (2004). 9. A. N. Lagarkov and A. K. Sarychev, Phys. Rev. B 53, 6318 (1996) 10. L. V. Panina, A. N. Grigorenko and D. P. Makhnorskiy, Phys. Rev. B 66, (2002) 11. V. A. Podolskiy, A. K. Sarychev, and V. M. Shalaev, J. Nonlinear Opt. Phys. Matt. 11, 65 (2002); V. A. Podolskiy, A. K. Sarychev and V. M. Shalaev, Opt. Express 11, 735 (2003) 12. V. M. Shalaev, et. al. Opt. Lett. 30, 3356 (2005) 13. A. N. Grigorenko et. al. Nature 438, 335 (2005) 14. J. Zhou, Lei Zhang, G. Tuttle, Th. Koschny and C. M. Soukoulis, Phys. Rev. B 73, (R) (2006). 15. J. Zhou, Th. Koschny, Lei Zhang, G. Tuttle, and C. M. Soukoulis, Appl. Phys. Lett. 88, (2006). 16. J. Zhou, Th. Koschny, M. Kafesaki, E. N. Economou, J. B. Pendry and C. M. Soukoulis, Phys. Rev. Lett. 95, (2005). 17. Th. Koschny, Lei Zhang, and C. M. Soukoulis, Phys. Rev. B 71, (2005).

11 11

12 12 ΘΕΜΑΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ 1 ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΚΑΙ ΟΠΤΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ

13 13 Φασματοσκοπική μελέτη ενός ολιγοθειοφαινείου τριών αρωματικών δακτυλίων με υποκαταστάτες -CHO. Δ. Ανεστόπουλος, 1 Μ. Φακής, 1* Γ. Μούσδης, 2 Β. Γιαννέτας 1 και Π. Περσεφόνης 1 1 Τμήμα Φυσικής, Πανεπιστήμιο Πατρών, Πάτρα, GR-26504, Ελλάδα 2 Ινστιτούτο Θεωρητικής και Φυσικής Χημείας, Εθνικό Ίδρυμα Ερευνών, Αθήνα, GR-11635, Ελλάδα Περίληψη. Η χρήση μοριακών ημιαγώγιμων υλικών για την κατασκευή ηλεκτρονικών και μικροηλεκτρονικών συσκευών προσφέρει πλεονεκτήματα ως προς το κόστος και την ευκολία ανάπτυξης αυτών των συσκευών. Παρά την μεγάλη πρόοδο των τελευταίων ετών, απαιτούνται επιπλέον σημαντικές ερευνητικές προσπάθειες για την κατασκευή μοριακών ηλεκτρονικών συσκευών που να ανταγωνίζονται αυτές που χρησιμοποιούν ανόργανους ημιαγωγούς. Η έρευνα πάνω στα υλικά αυτά εστιάζεται στη μελέτη των βασικών φωτονικών-ηλεκτρονικών διαδικασιών που συμβαίνουν σε πολύ μικρούς χρόνους. Η ομάδα των ολιγοθειοφαινείων είναι μια από τις πιο ελπιδοφόρες ως προς την εφαρμογή τους στην ηλεκτρονική λόγω της υψηλής καθαρότητάς τους και της ικανοποιητικής ευκινησίας φορέων που εμφανίζουν. Στην εργασία αυτή εξετάζουμε μέσω φασματοσκοπίας απορρόφησης-φθορισμού και φασματοσκοπίας χρονικής ανάλυσης ένα νέο ολιγοθειοφαίνειο με τρεις αρωματικούς δακτυλίους. Η μελέτη δείχνει τη δημιουργία συσσωματωμάτων σε πυκνά διαλύματα προκαλώντας διεύρυνση και μετατόπιση των φασμάτων εκπομπής και απορρόφησης προς το κόκκινο τμήμα του φάσματος. Η μελέτη της χρονικής εξέλιξης του φθορισμού έδειξε ότι το μόριο έχει χρόνο ζωής 250 ps στη πρώτη διεγερμένη κατάσταση. Με την παρουσία συσσωματωμάτων, η δυναμική της διεγερμένης κατάστασης χαρακτηρίζεται από μεταφορά ενέργειας από τα μεμονωμένα μόρια προς τα συσσωματώματα η οποία πραγματοποιείται σε 10 ps. Αυτό συμβαίνει διότι τα συσσωματώματα έχουν μικρότερο ενεργειακό χάσμα από τα μεμονωμένα μόρια. Τέλος, εξετάστηκαν οι περιστροφικές κινήσεις τόσο των μεμονωμένων όσο και των συσσωματωμένων μορίων και έδειξαν ότι τα σχηματιζόμενα συσσωματώματα είναι κυρίως διμερή. Ευχαριστίες. Ο Μ. Φακής ευχαριστεί το Ίδρυμα Κρατικών Υποτροφιών για τη χρηματοδότηση * fakis@upatras.gr Επιθυμητή παρουσίαση: Αφίσα

14 14 Ανάπτυξη οξειδίων υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς πάνω σε Γερμάνιο Ε.Κ. Ευαγγέλου 1, Α. Δημουλάς 2 1 Τμήμα Φυσικής, Παν. Ιωαννίνων, Ιωάννινα 2 Ινστιτούτο Επιστήμης Υλικών, ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», Αθήνα Περίληψη Για να συνεχισθεί απρόσκοπτα η σμίκρυνση και η αύξηση της ταχύτητας των ηλεκτρονικών διατάξεων, πρέπει να αντικατασταθεί το διοξείδιο του πυριτίου (SiO 2 ) - το διηλεκτρικό που χρησιμοποιείται σήμερα στην πύλη- από νέα υλικά υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς [1]. Επιπλέον φαίνεται ότι γίνεται επιτακτική η ανάγκη για χρήση άλλων ημιαγωγών με ευκινησία φορέων μεγαλύτερη από αυτή του Πυριτίου (Si) με σκοπό τη δημιουργία ταχύτερων διατάξεων χωρίς να αλλάξει δραματικά η σχεδίαση και η τεχνολογία ανάπτυξης ολοκληρωμένων του τύπου CMOS. Ιστορικά, τα πρώτα τρανζίστορ κατασκευάστηκαν σε Ge αλλά η αδυναμία εύρεσης σταθερού οξειδίου του Γερμανίου (GeO 2 ) λειτούργησε ανασταλτικά για την περαιτέρω χρήση του ημιαγωγού αυτού σε χρήσιμες εφαρμογές. Αντίθετα το SiO 2 αποδείχθηκε ιδανικό για την ανάπτυξη γρήγορων ηλεκτρονικών διατάξεων τεχνολογίας MOS μέχρι που η συνεχής σμίκρυνση των ηλεκτρονικών διατάξεων οδήγησε στην ανάγκη ανάπτυξης υμενίων SiO 2 λεπτότερων από 4nm. Το ενδιαφέρον για τη μελέτη του γερμανίου έχει αναθερμανθεί τα τελευταία χρόνια αλλά μέχρι σήμερα παραμένουν άλυτα αρκετά προβλήματα. Συγκεκριμένα η ανάπτυξη των κατάλληλων οξειδίων επάνω σε υποστρώματα Ge αλλά και η επιλογή των καταλλήλων μεταλλικών ηλεκτροδίων για την ολοκλήρωση μικροπυκνωτών MOS είναι σημεία μεγάλου ερευνητικού ενδιαφέροντος. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της μελέτης μας σε οξείδια σπανίων γαιών (Ce, Dy, Gd) και μετάλλων (Al, Hf) ανεπτυγμένων με Μοριακή Επιταξία Δέσμης (MBE) με ή χωρίς την παρουσία ενδιάμεσου στρώματος οξειδίου του Γερμανίου. Από την ανάλυση φαίνεται ότι η χρήση των οξειδίων σπανίων γαιών βελτιώνει τις ηλεκτρικές ιδιότητες των αντιστοίχων διατάξεων MOS και μπορούν να αποτελέσουν κατάλληλο ενδιάμεσο στρώμα αδρανοποίησης των επιφανειακών ατελειών (buffer passivating layer) πριν την εναπόθεση ενός οξειδίου υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς (k~25) για την ολοκλήρωση διατάξεων CMOS υψηλής ταχύτητας.

15 15 Οργανικά τρανζίστορ με φθαλοκυανίνες μετάλλων Γ. Χαϊδόγιαννος 1, Φ. Πετράκη 2, Ν.Γλέζος 1, Σ.Κέννου 2, S. Nespurek 3 1 Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής, ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», Αγία Παρασκευή, GR 15310, Ελλάδα 2 Τμήμα Χημικών Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Πατρών, Πάτρα, GR 26504, Ελλάδα 3 Institute of Macromolecular Chemistry, Academy of Sciences of the Czech Republic, 16206, Prague 6, Czech Republic Περίληψη. Τα οργανικά ηλεκτρονικά είναι ένας νέος και αναπτυσσόμενος τομέας της μικροηλεκτρονικής που έχει σαν στόχο να καλύψει εφαρμογές που είτε δεν είναι σήμερα προσιτές με την τρέχουσα τεχνολογία των ημιαγωγών είτε ελπίζεται ότι θα ελαττωθεί το κόστος με τη χρήση οργανικών υλικών. Τέτοιες εφαρμογές είναι το ηλεκτρονικό χαρτί (e-paper), χημικοί αισθητήρες, έξυπνες κάρτες και διατάξεις μνήμης. Η έρευνα εστιάζεται κυρίως σε δύο ειδών διατάξεις, τα οργανικά τρανζίστορ (OFET) και τις οργανικές φωτοδιόδους (OLED). Στην περίπτωση των οργανικών τρανζίστορ το κρίσιμο μέγεθος είναι η ευκινησία των φορέων οι οποίες είναι ούτως ή άλλως κατά πολύ μικρότερες από αυτές των ημιαγωγικών τρανζίστορ. Οι υψηλότερες ευκινησίες έχουν αναφερθεί για το πεντακένιο και το α-εξιθειοφαίνιο σε p-τύπου κανάλια διατάξεων OFET και είναι ~ 1 cm 2 /Volt.sec. Και οι δυο αυτές ομάδες υλικών παρουσιάζουν δυσκολίες κατά την παρασκευή των διατάξεων, λόγω της περιορισμένης διαλυτότητάς τους. Οι φθαλοκυανίνες μετάλλων είναι μία κατηγορία υλικών που έχει επίσης μελετηθεί για τον ίδιο σκοπό. Πλεονεκτούν ως προς τη χημική και θερμική σταθερότητά τους (ως τους 400ºC), ενώ είναι εύκολα εξαχνώσιμα. Στην παρούσα εργασία μελετώνται τα σουλφονικά άλατα νατρίου φθαλοκυανινών μετάλλων σαν υποψήφια προς χρήση υλικά στα p-τύπου κανάλια των οργανικών τρανζίστορ. Η παρασκευή των αγώγιμων υμενίων γίνεται είτε με εξάχνωση ή δια περιστροφής (spin coating). Γίνεται σύγκριση της ηλεκτρικής συμπεριφοράς σε σχέση α) με τη μέθοδο εναπόθεσης β) το είδος του μετάλλου και γ) την παρουσία ή μη πλευρικών ομάδων. Στόχος είναι να επιλεγούν το είδος του υλικού και η διεργασία παρασκευής του υμενίου με τις βέλτιστες επιδόσεις.

16 16 Size and annealing effects on the third order nonlinear optical response of ultrathin Au island films E. Xenogiannopoulou 1,2, K. Iliopoulos 1,2, S. Couris 1,2,, T. Karakouz 3, A. Vaskevich 3 and I. Rubinstein 3 1 Institute of Chemical Engineering and High Temperature Chemical Processes (ICEHT), Foundation for Research and Technology-Hellas (FORTH), Patras 26504, Greece 2 Department of Physics, University of Patras, Patras 26500, Greece 3 Department of Materials and Interfaces, Weizmann Institute of Science, Rehovot 76100, Israel Abstract. Thin films of noble metal nanoparticles (e.g. Au, Ag, etc) are known to exhibit large third order optical susceptibilities χ (3) which can be further enhanced by the presence of surface plasmon resonance (SPR) located in the region nm. Moreover, these films present ultra fast time response, usually limited by the laser pulse duration. As a result, they have been proposed for applications in all-optical switching devices, gas sensors, etc. Parameters like the thickness of the prepared films, the deposition rate, the size and the morphology of the nanoparticles, the type and the pretreatment of the substrate and of course the deposition technique can significantly influence their nonlinear optical response. In the present work, the nonlinear optical properties of ultrathin island-type Au films were investigated by Optical Kerr Effect technique using 35 ps laser pulses at 532 nm. The Au island films were prepared by thermal evaporation at a rate of nm s -1 onto glass substrates. The thickness of the so prepared films was ranging between nm. The glass substrates were precoated with 3-mercaptopropyl trimethoxysilane (MPTS) in order to improve the Au adhesion on the glass. In addition a post deposition annealing of Au covered slides (for 20h at C) was used for tuning the optical properties and the morphology of Au island films. Both unannealed and annealed films of nm thickness exhibit the characteristic surface plasmon resonance, while it vanishes for the 15 nm films, as they are near the percolation threshold. The effective χ (3) value of the films was found to increase by decreasing the film thickness, reaching a maximum value for the nm thick films. In particular, an almost two orders of magnitude increase was found for the nm films compared to the 15 nm thickness films. Annealing process was found to result to films having larger nonlinearities compared to the unannealed ones, basically because of the shifting of the peak of the SPR towards shorter wavelengths, therefore approaching the laser excitation wavelength resulting to more efficient resonant enhancement. In general, all Au island films studied have shown very large nonlinear optical response, low noise and good stability. The potential of controlling preparation conditions in order to tune their linear/nonlinear optical properties is also discussed. 1 couris@iceht.forth.gr

17 17 Ηλεκτρικός χαρακτηρισμός διόδων Schottky γερμανίου Π. Τσίπας 1, Γ. Μαύρου 1, Α. Σωτηρόπουλος 1, Α. Δημουλάς 1 και Ε. Ευαγγέλου 2,* 1 Εργαστήριο ΜΒΕ, Ινστ. Επιστήμης Υλικών, ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», Αθήνα 2 Τμήμα Φυσικής Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων, Πανεπιστημιούπολη, Ιωάννινα Οι επαφές μετάλλου-ημιαγωγού (MS ή Schottky) παρουσιάζουν μεγάλο τεχνολογικό και ερευνητικό ενδιαφέρον. Μέχρι σήμερα έχουν κυρίως μελετηθεί οι επαφές μετάλλων επάνω σε Πυρίτιο ή ημιαγωγούς της οικογένειας III-V. Τα τελευταία χρόνια το γερμάνιο (Ge) παρουσιάζει μεγάλο τεχνολογικό ενδιαφέρον για ενσωμάτωσή του στην σημερινή τεχνολογία CMOS. Συνεπώς γίνεται επιτακτική η συστηματική μελέτη των φυσικών ιδιοτήτων διαφόρων επαφών μετάλλου/ge. Στην εργασία αυτή παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των ηλεκτρικών μετρήσεων διόδων Schottky σε μία σειρά από μέταλλα όπως Pt, Hf, Gd, Ta, Ni και Ti. Από μετρήσεις χαρακτηριστικών ρεύματος-τάσης (I-V), υπολογίζονται το φράγμα δυναμικού, ο παράγοντας ιδανικότητας και η σειριακή αντίσταση. Το φράγμα δυναμικού διαφόρων μετάλλων πάνω σε γερμάνιο δείχνει ασθενή εξάρτηση από το έργο εξόδου του μετάλλου υποδεικνύοντας ότι η ενέργεια Fermi εντοπίζεται ισχυρά σε ένα συγκεκριμένο σημείο στην διεπιφάνεια της επαφής (strong Fermi-level pinning). Παρόμοια αποτελέσματα λαμβάνουμε και από μετρήσεις C-V αν και οι τιμές του φράγματος δυναμικού διαφέρουν λίγο μεταξύ των δύο μεθόδων. Μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν και σε n και σε p τύπου υποστρώματα μόνο που στην δεύτερη περίπτωση οι επαφές παρουσιάζουν ωμική συμπεριφορά. Ο παράγοντας S, που μας δείχνει την ισχύ του εντοπισμού της ενέργειας Fermi (pinning factor) είναι περίπου 0.05, κοντά στο όριο του Bardeen (S=0), και το επίπεδο ουδετερότητας του φορτίου (charge neutrality level) βρίσκεται μόνο περίπου 0.09 ev πάνω από το άκρο της ζώνης σθένους. Εξ αιτίας αυτού, το επίπεδο Fermi βρίσκεται υψηλότερα από το επίπεδο ουδετερότητας του φορτίου στις περισσότερες ενδιαφέρουσες περιπτώσεις με αποτέλεσμα να δημιουργείται ένα σταθερό αρνητικό φορτίο στην διεπιφάνεια. Το γεγονός αυτό θα μπορούσε να αποτρέψει την αποτελεσματική αναστροφή της επιφάνειας του p τύπου γερμανίου στις δομές MOS. * Συγγραφέας επικοινωνίας: Ε.Κ. Ευαγγέλου, Τηλ: , eevagel@uoi.gr

18 18 Μετρήσεις αξιοπιστίας διατάξεων MOS ανεπτυγμένων πάνω σε Γερμάνιο. S. Rahman, Ε.Κ. Ευαγγέλου*, Ι. Ανδρουλιδάκης Τμήμα Φυσικής, Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων, Ιωάννινα Περίληψη Στην προσπάθεια για διαρκή μείωση των διαστάσεων και αύξηση της ταχύτητας των ολοκληρωμένων τεχνολογίας CMOS είναι πλέον γνωστό ότι είναι απαραίτητη η χρήση λεπτών υμενίων οξειδίων με διηλεκτρική σταθερά μεγαλύτερη από αυτή του SiO 2. Επίσης γίνεται μεγάλη προσπάθεια να αναπτυχθούν τρανζίστορ MOSFET σε υποστρώματα ημιαγωγών όπως το Γερμάνιο, που έχουν μεγαλύτερη ευκινησία φορέων από το Πυρίτιο. Ένα από τα μεγάλα προβλήματα που πρέπει να αντιμετωπιστεί είναι και η αξιοπιστία των νέων υλικών και διατάξεων που αναπτύσσονται. Μεταξύ των διηλεκτρικών που φαίνεται να έχουν μεγάλο ενδιαφέρον είναι και το οξείδιο του Αφνίου (HfO 2 ), το οποίο παρουσιάζει μεγάλο ενεργειακό χάσμα, φραγμούς δυναμικού στη διέλευση των φορέων αγωγιμότητας >1eV (conduction valence band offsets), καλή μονωτική συμπεριφορά και αποδεκτές τιμές διεπιφανειακών καταστάσεων (D it ~ 1x10 12 ev -1 cm -2 ). Ειδικά για τη βελτίωση των διεπιφανειακών ατελειών έχει προταθεί η χρήση ενός λεπτού στρώματος από οξείδια σπανίων γαιών. Στην παρούσα εργασία μελετάται η αξιοπιστία διατάξεων Pt/Dy 2 O 3 /Hf 2 O 3 /n-ge με διαφορετικά πάχη των αντιστοίχων οξειδίων. Αρχικά παρουσιάζονται τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των αντιστοίχων μικροπυκνωτών MOS, που δείχνουν ότι η παρουσία ενός οξειδίου σπάνιας γαίας βελτιώνει τις μονωτικές ιδιότητες της διηλεκτρικής στοίβας και μειώνει τις διεπιφανειακές στάθμες. Γίνεται συσχετισμός του παγιδευμένου φορτίου με το επαγόμενο από ηλεκτρική καταπόνηση ρεύμα διαρροής (stress induced leakage current - SILC), το οποίο βρίσκεται να ακολουθεί ένα νόμο δύναμης του χρόνου (ηλεκτρικής καταπόνησης). Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι ο συγκεκριμένος συνδυασμός οξειδίων μπορεί να οδηγήσει σε διατάξεις MOS βασισμένες στο γερμάνιο, που θα παρουσιάζουν αποδεκτούς χρόνους ζωής. * Συγγραφέας επικοινωνίας: Ε.Κ. Ευαγγέλου, Τηλ: , eevagel@uoi.gr

19 19 ΜΕΛΕΤΗ ΤΩΝ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΓΕΝΕΣΗΣ-ΕΠΑΝΑΣΥΝΔΕΣΗΣ ΦΟΡΕΩΝ ΣΕ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ POLY-Si THIN-FILM-TRANSISTORS Μ. Α. Έξαρχος 1 *, Γ. Ι. Παπαϊωάννου 1, Δ.Ν. Κουβάτσος 2 και A. T. Voutsas 3 1 Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών, Τμήμα Φυσικής, Τομέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης, Αθήνα 15784, Ελλάς 2 ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής, Αθήνα 15310, Ελλάς 3 SHARP Labs of America, SHARP Inc., Camas, WA 98607, USA Η ερμηνεία των μεταβατικών φαινομένων σε MOSFETs με μερικώς απογυμνωμένο υμένιο Si (body Si), έχει αποδοθεί στους μηχανισμούς γέννεσης-επανασύνδεσης φορέων εντός του υμενίου των διατάξεων. Στην περίπτωση των Thin-Film- Τransistors (TFTs) των οποίων τo υμένιο Si είναι ενδογενές, αναμένεται η συμπεριφορά τους να ομοιάζει με αυτήν των MOSFETs με ολικά απογυμνωμένο υμένιο Si όπου τα μεταβατικά φαινόμενα απουσιάζουν. Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η κατανόηση των μηχανισμών γέννεσης-επανασύνδεσης φορέων διατάξεων Poly-Si TFTs κατά την μετάβαση της κατάστασης λειτουργίας τους από OFF σε ON. Οι διατάξεις που μελετήθηκαν είναι MOSFETs n-τύπου, των οποίων το κανάλι έχει πλάτος 200μm και μήκος 8μm. Η τεχνική που χρησιμοποιήθηκε είναι η φασματοσκοπία Βαθιών Σταθμών (Deep Level Transient Spectroscopy, DLTS). Τα εξαγόμενα αποτελέσματα στηρίζονται στην καταγραφή της χρονικής και θερμοκρασιακής απόκρισης της μεταβολής του ρεύματος του απαγωγού, ύστερα από εφαρμογή διαδοχικών παλμών δυναμικού στην πύλη του τρανζίστορ. Η μελέτη των πειραματικών αποτελεσμάτων έδειξε πως στη κατάσταση ΟFF λαβαίνει χώρα θερμική γένεση οπών οι οποίες συλλαμβάνονται από ατέλειες εντοπισμένες στα κοκκώδη όρια του πολυκρυσταλλικού υμενίου Si. Η διάρκεια του χρόνου OFF καθώς επίσης και η θερμοκρασία είναι βασικοί παράμετροι για την προαναφερθείσα διαδικασία. Οι οπές αυτές εκπέμπονται όταν το τρανζίστορ μεταβαίνει στην κατάσταση ON. Οι μετρήσεις DLTS εκτείνονται θερμοκρασιακά από 110Κ έως 400Κ, ενώ η χρονική διάρκεια των παλμών δυναμικού ανέρχεται σε 1msec, 10msec και 100msec. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν τα αποτελέσματα i) με διαφορετικό πάχος υμενίου Si (100nm, 50nm και 30nm), ii) με διαφορετικό προσανατολισμό κρυσταλλοποίησης. * mexarcho@phys.uoa.gr

20 20 Μελέτη ηλεκτρικών ιδιοτήτων λεπτών υμενίων NiO που αναπτύχθηκαν με τη μέθοδο Παλμικής Εναπόθεσης με laser (PLD) Ι. Φασάκη 1,3, Μ. Σταματάκη 1,3, Α. Γιαννουδάκος 1,3, Φ. Ρουμπάνη-Καλαντζοπούλου 1, Δ. Τσαμάκης 2, Μ. Κομπίτσας 3,* 1 Σχολή Χημικών Μηχανικών, ΕΜΠ, Ηρώων Πολυτεχνείου 9, Πολυτεχνειούπολη Ζωγράφου, , Ελλάδα 2 Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Η/Υ, ΕΜΠ, Ηρώων Πολυτεχνείου 9, Πολυτεχνειούπολη Ζωγράφου, , Ελλάδα 3 Εθνικό Ίδρυμα Ερευνών, Ινστιτούτο Θεωρητικής και Φυσικής Χημείας, Βασιλέως Κωνσταντίνου 48, Αθήνα , Ελλάδα Περίληψη. Δομές λεπτών υμενίων NiO αναπτύχθηκαν με τη μέθοδο της παλμικής εναπόθεσης με laser (PLD) σε υποστρώματα Si. Για την ανάπτυξη των υμενίων χρησιμοποιήθηκε μεταλλικός στόχος Ni και οξυγόνο (Ο 2 ) σαν αντιδρόν αέριο. Οι εναποθέσεις έγιναν σε σταθερή θερμοκρασία υποστρωμάτος (200 ο C) και σε διαφορετικές τιμές πίεσης οξυγόνου (0,05-0,5 mbar). Στη συνέχεια μετρήθηκαν η ηλεκτρική αντίσταση, η ευκινησία των φορέων και ο τύπος αγωγιμότητας των υμενίων NiO με τη μέθοδο van der Pauw. Οι μετρήσεις έδειξαν ότι στη χαμηλή περιοχή της πίεσης τα δείγματα έχουν ηλεκτρική συμπεριφορά τύπου n, δηλαδή επικρατούν οι δότες σαν ηλεκτρικοί φορείς. Αντίθετα, στην περιοχή των υψηλών πιέσεων οξυγόνου τα υμένια έδειξαν ηλεκτρική συμπεριφορά τύπου p, όπως ειναι γενικώς γνωστό από τη βιβλιογραφία. Με κατάλληλη επιλογή της πίεσης του οξυγόνου, έγινε εναπόθεση δομών τύπου p-nio/n-nio (ομοεπαφή) και λήφθηκαν οι χαρακτηριστικές καμπύλες I-V των δειγμάτων που έδειξαν τυπική συμπεριφορά p-n διόδου. Επίσης μελετήθηκε η επίδραση του διαφορετικού τύπου αγωγιμότητας του υποστρώματος (p-si και n-si) στη χαρακτηριστική της διόδου των ομοεπαφών. Οι δομές αυτές δίνουν τη δυνατότητα ανάπτυξης και μελλοντικής εφαρμογής τους σε συσκευές ανίχνευσης αερίων (gas sensors). * mcomp@eie.gr