Hybrid Zirconium Sol-Gel Thin Films With High Refractive Index

We describe the synthesis of optical quality thin film materials with high refractive index, employing zirconium based hybrid sol-gel precursors. As the zirconium propoxide precursor is unstable in the presence of a strong nucleophilic agent such as water, two synthesis routes have been performed employing a chelating agent and an organosilane precursor to avoid the formation of any undesired ZrO2 agglomerates, leading to organo-zirconate complexes and silicato-zirconate copolymers, respectively. The prepared hybrid sol-gel materials were deposited by spin-coating to form a transparent thin film on silicon substrates, and heat treated at 100 °C for the final stabilisation of the layer. The effect of the two synthesis routes on the optical properties of zirconium based hybrid sol-gel material is discussed. It was found that the nature and concentration of the organosilane precursor can significantly affect the structural properties of the deposited films. A correlation was also demonstrated between the concentration of the organosilane precursor and the refractive index of the material. By reducing the concentration of organosilane precursor, high refractive index materials were obtained. Similar behaviour was observed for the materials synthesised via chelating agent. The synthesis employing an organosilane precursor produces films with higher refractive index. A maximum refractive index of 1.746 was measured at 635nm for the deposited thin films

Graphene-doped photo-patternable ionogels: tuning of conductivity and mechanical stability of 3D microstructures

This work reports for the first time the development of enhanced conductivity, graphene- doped photo-patternable hybrid organic-inorganic ionogels and the effect of the subsequent materials condensation on the conductivity and mechanical stability of three- dimensional microstructures fabricated by multi-photon polymerisation (MPP). Ionogels were based on photocurable silicon/zirconium hybrid sol-gel materials and phosphonium (trihexyltetradecylphosphonium dicyanamide [P6,6,6,14][DCA] ionic liquid (IL). To optimise the dispersion of graphene within the ionogel matrices, aqueous solutions of graphene were prepared, as opposed to the conventional graphene powder approach, and employed as catalysts of hydrolysis and condensation reactions occurring in the sol-gel process. Ionogels were prepared via a two step process by varying the hydrolysis degree from 25 to 50%, IL content between 0-50 w/w%, and the inorganic modifier (zirconate complex) concentration from 30 to 60 mol.% against the photocurable ormosil and they were characterised via Raman, Electrochemical Impedance Spectroscopy and Transmission Electron Microscopy. MPP was performed on the hybrid ionogels, resulting in three- dimensional microstructures that were characterised using scanning electron microscopy. It is clearly demonstrated that the molecular formulation of the ionogels, including the concentration of graphene and the zirconate network modifier, play a critical role in the conductivity of the ionogels and influence the resulting mechanical stability of the fabricated three-dimensional microstructures. This work aims to establish for the first time the relationship between the molecular design and condensation of materials in the physico-chemistry and dynamic of ionogels

Clustering of smoking, alcohol drinking and cannabis use in adolescents in a rapidly developing country

BACKGROUND: Smoking, alcohol drinking and cannabis use ("risk behaviors") are often initiated at a young age but few epidemiological studies have assessed their joined prevalence in children in developing countries. This study aims at examining the joint prevalence of these behaviors in adolescents in the Seychelles, a rapidly developing country in the Indian Ocean. METHODS: Cross-sectional survey in a representative sample of secondary school students using an anonymous self-administered questionnaire (Global Youth Tobacco Survey). The questionnaire was completed by 1,321 (92%) of 1,442 eligible students aged 11 to 17 years. Main variables of interest included smoking cigarettes on ≥1 day in the past 30 days; drinking any alcohol beverage on ≥1 day in the past 30 days and using cannabis at least once in the past 12 months. RESULTS: In boys and girls, respectively, prevalence (95% CI) was 30% (26–34)/21% (18–25) for smoking, 49% (45–54)/48% (43–52) for drinking, and 17% (15–20)/8% (6–10) for cannabis use. The prevalence of all these behaviors increased with age. Smokers were two times more likely than non-smokers to drink and nine times more likely to use cannabis. Drinkers were three times more likely than non-drinkers to smoke or to use cannabis. Comparison of observed versus expected frequencies of combination categories demonstrated clustering of these risk behaviors in students (P < 0.001). CONCLUSION: Smoking, drinking and cannabis use were common and clustered among adolescents of a rapidly developing country. These findings stress the need for early and integrated prevention programs

Réalisation de guides d'onde plans faibles pertes en nitrure de silicium pour un biocapteur intégré

Le nitrure de silicium est un matériau très utilisé en microélectronique et en optique intégrée du à l'excellente homogénéité et reproductibilité de son épaisseur et de son indice de réfraction. De plus, l'indice de réfraction élevé du nitrure de silicium est particulièrement intéressant pour les applications en biophotonique. En effet, ces dernières années les biocapteurs à champ évanescent ont démontré une augmentation de la sensibilité avec l'utilisation de guides d'onde plans à haut indice de réfraction. La sensibilité pourrait être encore améliorée en intégrant sur un même substrat l'ensemble des composants passifs et actifs (Lab-on-a-chip) qui composent le biocapteur à champ évanescent. L'intégration des différents composants optiques passe par la fabrication d'un guide d'onde plan dans le visible qui soit réalisé avec des procédés à basse température, faible épaisseur, faible perte et haut indice de réfraction. Même si les couches d'oxyde métallique (TiO[indice inférieur 2], Ta[indice inférieur 2]O[indice inférieur 5] par exemple), généralement utilisées pour ce type d'application, permettent d'obtenir de bonnes propriétés optiques, elles ne permettent pas d'atteindre la qualité des couches en nitrure de silicium notamment en termes de rugosité de surface pour de faibles épaisseurs. Dans le cadre de ces travaux de doctorat, les paramètres du guide d'onde sont optimisés pour une application utilisant des fluorophores à points quantiques émettant à 650 nm et excités avec une source laser à 532 nm. Une épaisseur de 80 nm est déterminée comme optimale pour l'excitation, la collection de la fluorescence et le couplage fibre-guide.Le développement d'un guide d'onde capable d'atteindre cette épaisseur et conservant des bonnes propriétés optiques est nécessaire. À notre connaissance aucun travail n'a été réalisé pour optimiser les pertes dans le visible des guides de nitrure de silicium, en fonction des paramètres du procédé PECVD. Dans ce travail de thèse, des guides d'onde sont fabriqués pour la première fois en utilisant le nitrure déposé par LF-PECVD (basse fréquence), et leurs performances sont comparées aux guides déposés par HF-PECVD (haute fréquence). Nous démontrons, en variant le débit des précurseurs, que l'absorption et les pertes en propagation des couches de nitrure sont plus faibles lorsque les dépôts sont faits par la technique LF-PECVD par rapport à la technique HF-PECVD. Cette différence s'explique probablement par le fait que le bombardement ionique, beaucoup plus important à basse fréquence qu'à haute fréquence, réduit la présence d'amas de silicium dans la couche, responsables de l'absorption dans le visible en plus de densifier les couches par enlèvement de l'hydrogène qui s'incorpore durant la déposition PECVD. Nous démontrons également que pour la technique LF-PECVD, les propriétés optiques des couches sont améliorées en utilisant une basse puissance pour la source r-f du plasma. En effet à haute puissance, le bombardement, très énergétique crée des défauts dans la couche et favorise la rupture des liaisons N-H plutôt que des liaisons Si-H. Finalement des guides d'onde plans de nitrure de silicium, avec une épaisseur de 80 nm et un indice de réfraction de 2, sont fabriqués et caractérisés. Des pertes de 0.1 dB/cm à 633 nm et 1.05 dB/cm à 532 nm sont obtenues et comparées avec les performances des autres matériaux

Réalisation de guides d'onde plans faibles pertes en nitrure de silicium pour un biocapteur intégré

Le nitrure de silicium est un matériau très utilisé en microélectronique et en optique intégrée du à l'excellente homogénéité et reproductibilité de son épaisseur et de son indice de réfraction. De plus, l'indice de réfraction élevé du nitrure de silicium est particulièrement intéressant pour les applications en biophotonique. En effet, ces dernières années les biocapteurs à champ évanescent ont démontré une augmentation de la sensibilité avec l'utilisation de guides d'onde plans à haut indice de réfraction. La sensibilité pourrait être encore améliorée en intégrant sur un même substrat l'ensemble des composants passifs et actifs (Lab-on-a-chip) qui composent le biocapteur à champ évanescent. L'intégration des différents composants optiques passe par la fabrication d'un guide d'onde plan dans le visible qui soit réalisé avec des procédés à basse température, faible épaisseur, faible perte et haut indice de réfraction. Même si les couches d'oxyde métallique (TiO[indice inférieur 2], Ta[indice inférieur 2]O[indice inférieur 5] par exemple), généralement utilisées pour ce type d'application, permettent d'obtenir de bonnes propriétés optiques, elles ne permettent pas d'atteindre la qualité des couches en nitrure de silicium notamment en termes de rugosité de surface pour de faibles épaisseurs. Dans le cadre de ces travaux de doctorat, les paramètres du guide d'onde sont optimisés pour une application utilisant des fluorophores à points quantiques émettant à 650 nm et excités avec une source laser à 532 nm. Une épaisseur de 80 nm est déterminée comme optimale pour l'excitation, la collection de la fluorescence et le couplage fibre-guide.Le développement d'un guide d'onde capable d'atteindre cette épaisseur et conservant des bonnes propriétés optiques est nécessaire. À notre connaissance aucun travail n'a été réalisé pour optimiser les pertes dans le visible des guides de nitrure de silicium, en fonction des paramètres du procédé PECVD. Dans ce travail de thèse, des guides d'onde sont fabriqués pour la première fois en utilisant le nitrure déposé par LF-PECVD (basse fréquence), et leurs performances sont comparées aux guides déposés par HF-PECVD (haute fréquence). Nous démontrons, en variant le débit des précurseurs, que l'absorption et les pertes en propagation des couches de nitrure sont plus faibles lorsque les dépôts sont faits par la technique LF-PECVD par rapport à la technique HF-PECVD. Cette différence s'explique probablement par le fait que le bombardement ionique, beaucoup plus important à basse fréquence qu'à haute fréquence, réduit la présence d'amas de silicium dans la couche, responsables de l'absorption dans le visible en plus de densifier les couches par enlèvement de l'hydrogène qui s'incorpore durant la déposition PECVD. Nous démontrons également que pour la technique LF-PECVD, les propriétés optiques des couches sont améliorées en utilisant une basse puissance pour la source r-f du plasma. En effet à haute puissance, le bombardement, très énergétique crée des défauts dans la couche et favorise la rupture des liaisons N-H plutôt que des liaisons Si-H. Finalement des guides d'onde plans de nitrure de silicium, avec une épaisseur de 80 nm et un indice de réfraction de 2, sont fabriqués et caractérisés. Des pertes de 0.1 dB/cm à 633 nm et 1.05 dB/cm à 532 nm sont obtenues et comparées avec les performances des autres matériaux

Hybrid Zirconium Sol-Gel Thin Films With High Refractive Index

We describe the synthesis of optical quality thin film materials with high refractive index, employing zirconium based hybrid sol-gel precursors. As the zirconium propoxide precursor is unstable in the presence of a strong nucleophilic agent such as water, two synthesis routes have been performed employing a chelating agent and an organosilane precursor to avoid the formation of any undesired ZrO2 agglomerates, leading to organo-zirconate complexes and silicato-zirconate copolymers, respectively. The prepared hybrid sol-gel materials were deposited by spin-coating to form a transparent thin film on silicon substrates, and heat treated at 100 °C for the final stabilisation of the layer. The effect of the two synthesis routes on the optical properties of zirconium based hybrid sol-gel material is discussed. It was found that the nature and concentration of the organosilane precursor can significantly affect the structural properties of the deposited films. A correlation was also demonstrated between the concentration of the organosilane precursor and the refractive index of the material. By reducing the concentration of organosilane precursor, high refractive index materials were obtained. Similar behaviour was observed for the materials synthesised via chelating agent. The synthesis employing an organosilane precursor produces films with higher refractive index. A maximum refractive index of 1.746 was measured at 635nm for the deposited thin films

Optical Properties Of High Refractive Index Thin Films Processed At Low-Temperature

This study reports on the first development of high refractive index thin film materials processed at temperatures not greater than 100 degrees celsius. Three materials were synthesised by the sol–gel technique, each employing different transition metal precursors (niobium, tantalum and vanadium alkoxides). The optical properties of these materials were characterised by ellipsometry and the propagation losses at 638 nm were measured by the prism coupling method. It is shown that refractive indices as high as 1.870, 2.039 and 2.308 are obtained from niobium-, tantalum- and vanadium-based materials respectively, attributed to the influence of the transition metal atomic size on the condensation reactions

Development And Characterisation Of Integrated Microfluidics On Waveguide-Based Photonic Platforms Fabricated From Hybrid Materials

This article reports on a detailed investigation of sol–gel processed hybrid organic–inorganic materials for use in lab-on-a-chip (LoC) applications. A particular focus on this research was the implementation of integrated microfluidic circuitry in waveguide-based photonic sensing platforms. This objective is not possible using other fabrication technologies that are typically used for microfluidic platforms. Significant results on the surface characterisation of hybrid sol–gel processed materials have been obtained which highlight the ability to tune the hydrophilicity of the materials by careful adjustment of material constituents and processing conditions. A proof-of-principle microfluidic platform was designed and a fabrication process was established which addressed requirements for refractive index tuning (essential for waveguiding), bonding of a transparent cover layer to the device, optimized sol–gel deposition process, and a photolithography process to form the microchannels. Characterisation of fluid flow in the resulting microchannels revealed volumetric flow rates between 0.012 and 0.018 microlitres / min which is characteristic of capillary-driven fluid flow. As proof of the integration of optical and microfluidic functionality, a microchannel was fabricated crossing an optical waveguide which demonstrated that the presence of optical waveguides does not significantly disrupt capillary- driven fluid flow. These results represent the first comprehensive evaluation of photocurable hybrid sol–gel materials for use in waveguide-based photonic platforms for lab-on-a-chip applications