Parameterization of the dielectric function of semiconductor nanocrystals

Optical methods like spectroscopic ellipsometry are sensitive to structural properties of semiconductor films such as crystallinity or grain size. The imaginary part of the dielectric function is proportional to the joint density of electronic states. Consequently, the analysis of the dielectric function around the critical point energies provides useful information about the electron band structure and all related parameters like the grain structure, band gap, temperature, composition, phase structure, carrier mobility, etc. In this work an attempt is made to present a selection of the approaches to parameterize and analyze the dielectric function of semiconductors, as well as some applications

Real-Time Ellipsometry at High and Low Temperatures

[Image: see text] Among the many available real-time characterization methods, ellipsometry stands out with the combination of high sensitivity and high speed as well as nondestructive, spectroscopic, and complex modeling capabilities. The thicknesses of thin films such as the complex dielectric function can be determined simultaneously with precisions down to sub-nanometer and 10(–4), respectively. Consequently, the first applications of high- and low-temperature real-time ellipsometry have been related to the monitoring of layer growth and the determination of optical properties of metals, semiconductors, and superconductors, dating back to the late 1960s. Ellipsometry has been ever since a steady alternative of nonpolarimetric spectroscopies in applications where quantitative information (e.g., thickness, crystallinity, porosity, band gap, absorption) is to be determined in complex layered structures. In this article the main applications and fields of research are reviewed

Optikai modellek fejlesztése sokösszetevős anyagrendszerek ellipszometriai vizsgálatához = Optical model development for ellipsometric study of many-compound materials

Az ellipszometria olyan optikai módszer, amely felületközeli, roncsolásmentes, in situ vizsgálatokat tesz lehetővé. A technológiába bekerülő összetett rétegek törésmutatója általában nem ismert, vagy éppen az a meghatározandó mennyiség. Ebben az esetben a törésmutatót diszperziós formulákkal, vagy az ún. effektív közeg közelítéssel (vagy egyszerre mindkettővel) határozhatjuk meg. Van lehetőség olyan paraméterek meghatározására is, amelyek egy-egy mikroszkópikus szerkezeti tulajdonsággal (pl. sávszélesség ill. szemcseméret, különböző fázisok) kapcsolatba hozhatók. Ebben a munkában az egy- és polikristályos CdTe (amely egy igéretes fotovoltaikus anyag) ion implantációval keltett hibasűrűségének az optikai tulajdonságaira való hatását vizsgáltuk. A CdTe optikai tulajdonságainak kritikus pont struktúráinak szélességét a kontrollált roncsoltság függvényében határoztuk meg. Az effektív roncsoltság mint egyetlen paraméter szerinti parametrizációt kerestük, amely elegendő az összes minta és a kritikus pontok szélességének szimultán leírásához. Ez a parametrizáció szolgálhat adatbázisul a különböző feltételek között leválasztott CdTe filmek optikai tulajdonságainak fitteléséhez. Ezen az úton nyílik lehetőség a CdTe gyártásközi, valósidejű ellenőrzésére. | Ellipsometry is an optical method which makes possible near-surface, non-destructive, in-situ studies. However, the refractive index of the coumpound materials in the technology is usually unknown or just the only question. In this case, the refractive index can be determined using dispersion formula or the so called effective medium approximation, or both. There is a possibility to determine parameters which can be coupled with microscopical structural properties (such as band gap or grain size or different phases). In this project, we studied the effects of defect density caused by ion implantation on the optical properties of single and polycrystalline CdTe, which is a promising photovoltaic material. The widths of the critical point structures in the optical properties of CdTe were determined as a function of the controlled defect density. We seeked a parameterization of the optical properties with a single parameter – an effective defect density -- that is sufficient to modify all critical point widths simultaneously and describe the optical properties for the full set of samples. This parameterization can serve as a database to fit the optical properties of CdTe films during different growth conditions. In this way, it will be possible to use real time optical measurements of CdTe during its fabrication and processing

Nanoszemcsés szerkezetek és vékonyrétegek ellipszometriai modellezése bioszenzorikai és (opto)elektronikai alkalmazásokhoz = Ellipsometric modelling of nanograin structures and thin films for biological and (opto)electronical applications

Folyadékcellát, in situ mérési eljárást és optikai modelleket fejlesztettünk fehérjék leválasztás közbeni ellipszometriai mérésére. Az általunk fejlesztett 0,5 ml térfogatú és az előzőleg vásárolt 5 ml térfogatú kereskedelmi folyadékcella szisztematikus összehasonlító vizsgálatával, folyadékdinamikai szimulációval elemeztük és teszteltük a cellák legjobb beállítását és használhatóságának határait (pl. ablakkorrekció, szükséges folyadékmennyiség). Elsőként vizsgáltuk flagellinből polimerizált filamentumok rögzítését, a rögzített rétegek szerkezetét és a leválasztás kinetikáját. Megmutattuk, hogy a flagellin-leválasztás kinetikája többréteges ellipszometriai modellel vizsgálható. Ezáltal részletes betekintést nyerünk a rétegépülés folyamatába. Megvizsgáltuk a szubsztrát-minőség és az aktiválás hatását az immobilizációra. MATLAB nyelven kifejlesztettünk egy teljes moduláris ellipszometriai kiértékelő rendszert, amelyben implementálni tudtuk saját modelljeinket, és amelyet az MFA 128-node-os szuperszámítógépén Octave/Linux alatt futtatni tudtunk. Szoftverünkkel megmutattuk, hogy a parametrizált dielektromos függvény modell jól használható porózus szilícium, leválasztással létrehozott nanokristályos szilícium, ionimplantált szilícium és vegyületfélvezető szerkezetek rétegvastagságának, összetételének, kristályosságának és szemcseméretének meghatározására. A fenti anyagszerkezetek és a rendezett felületi struktúrák vizsgálatához paraméter-kereső algoritmusokat fejlesztettünk. | We have developed a flow cell, in situ measurement, and optical models for the ellipsometric measurement of proteins during deposition. We have tested and evaluated the best conditions and the limit of capabilities (e.g. windows correction, needed volume of solution) through systematic comparative studies of a home-made 0,5-ml cell and a commercial 5-ml flow cell. We were the first who investigated the immobilization, structure and deposition kinetics of flagellar filaments. We have shown that the deposition kinetics can be studied in detail using multi-layer optical models. Using these models we have a detailed view of the mechanisms of layer growth. We have investigated the effect of activation and substrate properties on the immobilization. We have developed a complete modular ellipsometric software package in MATLAB to implement our special models, and to enable to run the programs on the 128-node super computer of the MFA using Octave/Linux. With our software we have shown that using parameterized dielectric functions the layer thickness, structure, composition, crystallinity, and grain size of porous silicon, deposited nanocrystalline silicon, ion implanted silicon, and compound semiconductors can be determined with a high sensitivity. We have developed parameter search algorithms to evaluate the above materials, as well as order surface structures

Optical properties of bioinspired disordered photonic nanoarchitectures

Bioinspired 1+2D nanoarchitectures inspired by the quasi-ordered structures occurring in photonic nanoarchitectures of biological origin, like for example butterfly scales, were produced by depositing a layer of SiO2 nanospheres (156 nm and 292 nm in diameter) on Si wafers, over which a regular multilayer composed from three alternating layers of SiO2 and TiO2 was deposited by physical vapor deposition. Flat multilayers were deposited in the same run on oxidized Si (324 nm SiO2 thickness) for comparison. Different types of disorder (in plane and out of plane) were purposefully allowed in the 1+2D nanoarchitectures. The positions of the specular reflection maxima for the flat multilayer and for the two different bioinspired nanoarchitectures were found to be similar. Additionally to this, the bioinspired nanoarchitectures exhibited angle independent diffuse reflection too, which was absent in the flat multilayer. Different model calculations were made to explain the specular and diffuse optical properties of the samples. Satisfactory agreement was obtained between experimental data and model calculations