Photo-engineered optoelectronic properties of indium tin oxide via reactive laser annealing

Abstract: Transparent conductive oxides are appealing materials for optoelectronic and plasmonic applications as, amongst other advantages, their properties can be modulated by engineering their defects. Optimisation of this adjustment is, however, a complex design problem. This work examined the modification of the carrier transport properties of sputtered tin-doped indium oxide (ITO) via laser annealing in reactive environments. We relate the optical modifications to the structural, compositional, and electronic properties to elucidate the precise mechanisms behind the reactive laser annealing (ReLA) process. For sufficiently high laser fluence, we reveal an ambient-dependent and purely compositional modulation of the carrier concentration of ITO thin films. Hereby, we demonstrate that ReLA utilises the precise energy delivery of photonic processing to enhance the carrier mobility and finely tune the carrier concentration without significantly affecting the crystal structure. Exploitation of this phenomena may enable one to selectively engineer the optoelectronic properties of ITO, promising an alternative to the exploration of new materials for optoelectronic and photonic applications

Croissance, nanostructure et réponse optique de films minces d'agrégats d'argent dans des matrices diélectriques

L'objectif de ce travail est d'élaborer par pulvérisation ionique des films minces d'agrégats d'argent nanométriques dispersés dans des matrices diélectriques à la structure contrôlée, afin d'ajuster la position spectrale de leur(s) bande(s) d'absorption plasmon. Dans cette optique, nous avons cherché à contrôler la morphologie des agrégats. Par des mesures de microscopie électronique en transmission et diffusion centrale des rayons X en incidence rasante, nous montrons que le rapport hauteur/diamètre des agrégats (ellipsoïdaux) peut être ajusté par un choix adéquat du mode de dépôt (simultané ou alterné) des espèces diélectrique et métallique, de la nature de la matrice (Si3N4 ou BN), de la quantité d'argent déposée, des conditions d'assistance et de post-traitement. La position du mode de résonance (1,1) des films élaborés varie sur tout le spectre du visible (de 400 à 750 nm) en fonction de la forme des agrégats en accord qualitatif avec les prévisions du modèle de Maxwell-Garnett.The aim of this work is to get a fine control of the structure of nanocomposite thin films consisting of silver clusters embedded within dielectric matrices elaborated by ion beam sputtering, in order to adjust the spectral position of their plasmon absorption band(s). For this purpose, it is desirable to control clusters morphology. It is showed by an approach combining transmission electron microscopy and Grazing Incidence Small Angle X-ray Scattering that the height-to-diameter ratio of the (ellipsoidal) clusters can be adjusted by a proper choice of the deposition mode (simultaneous or alternate sputtering of the metal and the dielectric species), nature of the matrix (Si3N4 or BN), amount of deposited silver, assistance and post-treatment conditions. The spectral position of the (1,1) resonance mode of the elaborated films shifts in the visible range from 400 nm to 750 nm depending on clusters shape in qualitative agreement with simulations using the Maxwell-Garnett model.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF

Surface Plasmon Resonances and Local Field Enhancement in Aluminum Nanoparticles Embedded in Silicon Nitride

International audienceWe investigate the plasmonic response of periodic chains of flat aluminum nanoparti-cles capped with a transparent protective silicon nitride layer. The elaboration method is based on the nucleation and growth of nanoparticles by physical vapor deposition of Al at glancing incidence on a pre-patterned silicon nitride surface. A detailed structural characterization by transmission electron microscopy evidences a core@shell Al@AlN structure, with an in-plane particle size below 15 nm and a chain periodicity of about 30 nm. The nanoparticle assembly exhibits surface plasmon resonances whose spectral positions depend on the polarization of the electric field with respect to the particle chains, as revealed by absorbance measurements. Near-field calculations highlight the possible overlap between the surface plasmon resonance and the interband transitions of aluminum. The plasmonic behavior of such nanoparticle arrays suggests a potential for polarization-selective near-field enhancement over a broad spectral range

Couches de carbone amorphe hydrogéné sur verres ophtalmiques traités antireflets (contribution à l'étude des mécanismes de salissure)

L'objectif de ce travail était de résoudre le problème de salissure des verres ophtalmiques antireflet par le dépôt d'une couche ultra-mince de carbone amorphe hydrogéné a-C:H. Nous avons tout d'abord fait varier la tension d'autopolarisation afin de réduire l'absorption optique du film a-C:H obtenu par PECVD à décharge RF. Les couches réalisées avec un self-bias de 35 V et une épaisseur de 3 nm étaient transparentes. Nous avons ensuite déterminé les propriétés de nettoyage des films a-C:H et montré que celles-ci étaient dues à leur forte oléophilie : la salissure peut s'apparenter à un quasi-film mince, presque invisible en transmission mais difficile à enlever, compte tenu du fort travail d'adhésion. Ce comportement est opposé à celui observé sur les top-coats oléophobes. Dans ce cas, la salissure qui s'agence sous forme de micro-gouttelettes diffusantes (et donc très visibles en transmission) est facile à enlever de la surface compte tenu du faible travail d'adhésion.The goal of this work was to resolve the problem of the smudge on antireflective ophthalmic lenses by depositing an ultra-thin hydrogenated amorphous carbon coating a-C:H. First, we made the self-bias varying in order to reduce the optical absorption of the a-C:H film obtained by PECVD using a planar RF discharge. The coating obtained with a self-bias of 35 V and a thickness of 3 nm were transparent. Then, we determined the cleaning properties of a-C:H films and showed that the latter were due to the strong oleophilic nature of the material : the smudge can be considered as a quasi thin film almost invisible by transmission but very hard to remove, owing to the large adhesion work. This behaviour is opposite to the one observed on the olephobic top-coats. In this case, the smudge which was organised as scattering micro droplets (therefore very visible by transmission), is easy to remove from the surface, owing to the small adhesion work.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF

Morphologie et auto-organisation de nanoparticules d'argent dispersées dans les matrices diélectriques (influence sur les propriétés optiques)

L objectif de ce travail est d ajuster la position spectrale de la résonance plasmon de surface de nanoparticules de métaux nobles dispersées dans un matrice diélectrique, en contrôlant leur morphologie et leur organisation spatiale. Nous montrons que lorsque la croissance est réalisée sur des substrats plans, il est possible de jouer sur la nature de la matrice pour modifier le rapport d aspect hauteur sur diamètre H/D des particules, et donc leur réponse optique. Des analyses structurales quantitatives menées par microscopie électronique en transmission à balayage (HAADF-STEM) font apparaître que H/D est une fonction décroissante du diamètre D, indépendamment de la quantité de métal déposé. Afin de comprendre ces effets de la matrice sur les propriétés structurales et optiques des particules, différentes études (influence du métal et de la quantité déposés, présence d une couche tampon, influence des conditions d élaboration, vitesse de recouvrement des particules, . . . ) sont menées et des simulations numériques des spectres de transmission sont réalisées en intégrant dans un modèle de Yamaguchi les paramètres structuraux issus de l analyse HAADF. Une autre approche consiste à utiliser des surfaces d alumine nanostructurées afin d induire une organisation surfacique des particules et ainsi entraîner une anisotropie de leurs propriétés optiques. Nous montrons que selon la géométrie de dépôt utilisée (incidence normale, incidence rasante, orientation et angle d incidence du flux atomique), il est possible par effet d ombrage de sélectionner le type de facettes sur lesquelles la croissance a lieu, et par conséquent d organiser les nanoparticules d argent sur la surface sous forme de bandes ou de chaînes linéaires, dont les propriétés optiques présentent une dépendance à la polarisation de la lumière incidente.The aim of this work is to adjust the spectral position of the surface plasmon resonance of noble-metal nanoparticles embedded in a dielectric matrix by tailoring their morphology and their spatial organization. We show that when the growth is performed on plane substrates, it is possible to modify the aspect ratio of the particles H/D, and thus their optical response by changing the nature of the matrix. Quantitative structural analyzes carried out by using high angle annular dark field scanning transmission electronic microscopy (HAADF-STEM) imaging reveal that H/D is a decreasing function of the diameter D, independently of the deposited metal amount. In order to understand these effects of the matrix on the structural and optical properties of the particles, various studies (influence of the metal and deposited amount, presence of a buffer layer, influence of the elaboration conditions, covering rate of the particles,. . . ) are presented and numerical simulations of the optical spectra are proposed by integrating the structural parameters from the HAADF analysis in a model of Yamaguchi. A second step consists in using nanostructured sapphire surfaces in order to induce a surface organization of the particles, and thus to involve an anisotropy of their optical properties. We show that according to the geometry used during the deposition (normal incidence, grazing incidence, orientation and angle of incidence of atomic flux), it is possible to select the type of facets on which the growth takes place (shadowing effect), and consequently to elaborate self-organized systems of metal nanoislands constituted of stripes or linear chains of particles, whose optical properties display a light-polarization dependence.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF

Effects of annealing on the electrical and optical properties of AlNxOy thin films

Resumo e posterAluminium oxynitride is known to be a ceramic material with high strength and hardness, resulting from a stabilization of alumina (Al2O3) with nitrogen, in a cubic spinel structure, at thermodynamic conditions very different from those found in low plasma temperature deposition processes. Beyond this stable phase of AlNxOy, the available knowledge on this system is still very reduced and the interest on studding this material arises from the fact that it may combine some of the advantages of the three base systems, Al, AlN and Al2O3, by changing the concentration of aluminium, oxygen and nitrogen in the films. In fact, recent studies showed that AlNxOy thin films deposited by physical vapour deposition presents unusual changes in the growing morphology and structure that may be quite different from those of spinel, consisting of Al nanoparticles embedded in an amorphous AlNxOy matrix. Depending on the amount of oxygen and nitrogen in the matrix, a wide variation in the electrical properties, as well as peculiar optical responses, such as an unusual large broadband absorption for some films, can be found in the samples. In this work, the thermal stability of representative AlNxOy coatings was tested in vacuum, using annealing temperatures ranging from 200 to 800ºC. No significant changes in the Al-type structure were observed for annealing temperatures of up to 600 ºC, below the aluminium melting point. On the contrary, for higher temperatures, new crystalline phases were found, which resulted in significant changes in the optical properties, and gradual changes in the values of electrical resistivity.This research is partially sponsored by FEDER funds through the program COMPETE-Programa Operacional Factores de Competitividade and by national funds through FCT-Fundação para a Ciência e a Tecnologia, under the projects PTDC/CTM-NAN/112574/2009 and PEst-C-FIS/UI607/2011-2012. One of us (J. Borges) is also indebted to FCT for financial support under PhD grant Nº SFRH/BD/47118/2008 (financiada por POPH - QREN - Tipologia 4.1 - Formação Avançada, comparticipado pelo Fundo Social Europeu e por fundos nacionais do MCTES)

Experimental evidence of nanometer-scale confinement of plasmonic eigenmodes responsible for hot spots in random metallic films

International audienceWe report on the identification and nanometer scale characterization over a large energy range of random, disorder-driven, surface plasmons in silver semicontinuous films embedded in silicon nitride. By performing spatially resolved electron energy loss spectroscopy experiments, we experimentally demonstrate that these plasmons eigenmodes arise when the films become fractal, leading to the emergence of strong electrical fields (" hot spots ") localized over few nanometers. We show that disorder-driven surface plasmons strongly depart from those usually found in nanoparticles, being strongly confined and randomly and densely distributed in space and energy. Beyond that, we show that they have no obvious relation with the local morphology of the films, in stark contrast with surface plasmon eigenmodes of nanoparticles

Eclairage de précision et désaisonnement lumineux - bâtiment FERTICAP

National audienceLe désaisonnement lumineux est pratiqué en élevage caprins et dans les centres d'insémination artificielle pour maintenir les boucs en activité tout l'année. Dans le cadre de 2 projet tuteurés conduits avec l'ENSI Poitiers, les installations lumineuses existantes dans nos anciens bâtiments ont été caractérisées de façon à pouvoir simuler un éclairage équivalent dans le nouveau bâtiment et évaluer la performances de luminaires à LED. La possibilité de gradation des luminaires en fonction de l'apport de lumière extérieure a été évaluée

Caractérisation de la part de rayonnement lumineux utile aux traitements photopériodiques et à la sécrétion de mélatonine chez les caprins

International audienceLa reproduction des caprins est dite « saisonnée », elle alterne des périodes de repos sexuel et d’activité sexuelle selon la durée du jour. Les traitements lumineux de désaisonnement permettent le pilotage de la saisonnalité des chèvres (Chemineau et al., 1988) et le maintien de l’activité sexuelle des boucs à l’année (Delgadillo et al., 1991). Bien qu’il soit recommandé (GRC, 2012) d’apporter 200 lux à hauteur des yeux des animaux pour le désaisonnement lumineux en élevage ou en centre d’insémination, ce n’est pas l’intensité seule mais aussi la gamme de longueurs d’ondes reçue qui jouent un rôle sur la sécrétion de mélatonine. Il est donc important de caractériser la part utile du spectre lumineux pour les traitements photopériodiques utilisés en élevage caprin, de façon à améliorer les recommandations d’éclairage (gamme du spectre x intensité minimale) et éventuellement réduire les coûts. L’objectif de cette étude était de comparer l’effet de différentes gammes de longueurs d’onde du spectre lumineux visible à différentes intensités sur la sécrétion de mélatonine et le stress éventuellement causé (cortisol) chez le bouc

Tuneable properties of aluminium oxynitride thin films

In this subchapter is discussed some characteristics and properties of AlOxNy thin films produced by reactive DC magnetron sputtering. The films were deposited using Ar as working gas and a reactive gas mixture of N2+O2 (17:3). The reactive gas flow was varied in order to produce a wide range of chemical compositions. Sub-stoichiometric AlOxNy films, with CO+N/CAl atomic ratios up to 0.85 were produced, with Al-type crystalline structure. Transmission electron microscopy (TEM) analysis and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) spectra suggests that the films are a percolating network, composed by aluminium nanocrystals with different shapes and sizes embedded in an oxide/nitride matrix. The particular composition, structure and morphology of the films results in very different electrical properties, which can be explained using a tunnel barrier conduction mechanism for the electric charge transport, as well as distinct optical responses, such as an unusual large broadband absorption for some films.“This research was supported by FEDER through the COMPETE program and by the Portuguese Foundation for Science and Technology (FCT) in the framework of the Strategic Project PEST-C/FIS/UI607/2011, as well as the project PTDC/CTM-NAN/112574/2009 and by Programa Pessoa 2010/2011, Cooperação Portugal/França, Proc.º441.00, Project“COLOURCLUSTER”. J. Borges also acknowledges FCT financial support under PhD grant Nº SFRH/BD/47118/2008 (financiado por POPH – QREN – Tipologia 4.1 – Formação Avançada, comparticipado pelo Fundo Social Europeu e por fundos nacionais do MCTES).