Effect of a Balanced Concentration of Hydrogen on Graphene CVD Growth

The extraordinary properties of graphene make it one of the most interesting materials for future applications. Chemical vapor deposition (CVD) is the syntheticmethod that permits obtaining large areas ofmonolayer graphene. To achieve this, it is important to find the appropriate conditions for each experimental system. In our CVD reactor working at low pressure, important factors appear to be the pretreatment of the copper substrate, considering both its cleaning and its annealing before the growing process.The carbon precursor/hydrogen flow ratio and its modification during the growth are significant in order to obtain large area graphene crystals with few defects. In this work, we have focused on the study of the methane and the hydrogen flows to control the production of single layer graphene (SLG) and its growth time. In particular, we observe that hydrogen concentration increases during a usual growing process (keeping stable the methane/hydrogen flow ratio) resulting in etched domains. In order to balance this increase, a modification of the hydrogen flow results in the growth of smooth hexagonal SLG domains. This is a result of the etching effect that hydrogen performs on the growing graphene. It is essential, therefore, to study the moderated presence of hydrogen

Ultrafine particles produced by plasma enhanced chemical vapor deposition -from SiH4, CH4, NH3 and B2H6 gas mixtures- for nanostructured ceramics applications

[eng] Ultrafine particles of silicon and related binary and ternary alloys of the Si-B-C-N system produced in our research group from silane, methane, diborane, ammonia and nitrogen precursor gases by plasma enhanced chemical vapor deposition at low pressure and room temperature are reviewed. The in-situ techniques of plasma analysis and surface characterization (quadrupolar mass spectrometry, optical emission spectroscopy and ellipsometry) providing evidence of powder formation and the polymerization reactions based on the SinH2n- negative radicals electrically confined in the plasma sheath are described. The square wave modulation (SQWM) of the rf power is discussed as an efficient method of controlling the powder particle production with low particle-size dispersion. The properties of the powder particles determined by different structural characterization techniques providing their size and distribution, crystalline order and morphology, chemical composition and chemical bond vibrational characteristics, are analyzed and discussed[cat] Hom presenta una revisió sobre les partícules ultrafines de silici i els seus aliatges binaris i ternaris del sistema Si-B-C-N, produïdes en el nostre grup de recerca a partir dels gasos precursors silà, metà, diborà, amoníac i nitrogen, per dipòsit químic en fase vapor (CVD) reforçat per plasma, a baixa pressió i temperatura ambient. És descrita també la utilització de tècniques in situ d'anàlisi per plasma i de caracterització de superfícies (espectroscòpia de masses quadripolar, espectroscòpia òptica d’emissió i el·lipsometria), que donaren l’evidència de formació de partícules de pols i de reaccions de polimerització basades en radicals negatius SinH2n– confinats elèctricament en l’embolcall del plasma. La modulació d’ona quadrada (SQWM) de la font de rf és estudiada com un eficient mètode de control de la producció de partícules amb una petita dispersió de llurs dimensions. Finalment, hom analitza i discuteix les propietats de les partícules produïdes, determinades per diferents tècniques de caracterització, que permeteren obtenir llurs dimensions i distribució, ordre cristal·lí i morfologia, composició química i les característiques vibracionals dels enllaços químic

Laser induced nanostructuration of vertically aligned carbon nanotubes coated with nickel oxide nanoparticles

A facile method is explored to decorate vertically aligned multi-walled carbon nanotubes (VACNTs) with NiO nanostructures. Multi-walled VACNTs are grown by plasma enhanced chemical vapor deposition and coated with NiO nanoparticles (NPs) by drop casting and submitted to pulsed UV laser irradiation. Laser irradiation provokes rapid heating-melting-cooling processes which lead to the recrystallization of NiO NPs on the outer walls of VACNTs'. In this way, and depending on the laser fluence and the number of accumulated pulses, different nano-architectures such as continuous NiO coatings and spiny features are obtained. High resolution scanning and transmission electron microscopies and Raman spectroscopy, corroborated with photothermal simulations, suggest that the grown nanostructures are mainly created by the laser-induced high temperatures and catalytic action of NiO NPs

Nanostructured DLC coatings for self-assembly applications

The singular characteristics of diamond-like carbon (DLC) thin films, concerning tribological and surfaces properties, are suitable for self-assembly applications. Usually, DLC thin films have been developed as protective coatings for sliding surfaces with relative motion. But, DLC coatings deposited on nanostructured surfaces also provide new potential for self-assembly applications. In particular, the addition of fluorine during the deposition of DLC deposited by pulsed DC plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) has a significant effect on the surface energy and tribological characteristics, which accelerates the mechanisms involved in self-assembly processes. Among the multiple applications of DLC coatings we also found their biocompatibility and antithrombogenicity. Such properties make them candidates for a number of medical applications where wear-resistant coatings, such as prosthesis, or simply biocompatible parts are required

Optical security verification by synthesizing thin films with unique polarimetric signatures

This letter reports the production and optical polarimetric verification of codes based on thin-film technology for security applications. Because thin-film structures display distinctive polarization signatures, this data is used to authenticate the message encoded. Samples are analyzed using an imaging ellipsometer able to measure the 16 components of the Mueller matrix. As a result, the behavior of the thin-film under polarized light becomes completely characterized. This information is utilized to distinguish among true and false codes by means of correlation. Without the imaging optics the components of the Mueller matrix become noise-like distributions and, consequently, the message encoded is no longer available. Then, a set of Stokes vectors are generated numerically for any polarization state of the illuminating beam and thus, machine learning techniques can be used to perform classification. We show that successful authentication is possible using the knearest neighbors algorithm in thin-films codes that have been anisotropically phase-encoded with pseudorandom phase code

Laboratori d'electromagnetisme

zip comprimit. Pàgina inicial: 60/index.htm[eng] This material has been elaborated as a complement of the practical works of the Laboratory of Electromagnetism, matter of Physics of the Universitat de Barcelona. The images of the instrumentation used in 16 practical works are presented together with the images of the different experimental set-up that the students are asked to build at the laboratory. Finally, the "print-ready" text corresponding to the manual of the laboratory is presented.[cat] Aquest material ha estat elaborat per a complementar les experiències de laboratori de l'assignatura Laboratori d'Electromagnetisme de l'Ensenyament de Física de la Universitat de Barcelona. Es presenten, de manera ordenada, les imatges de la instrumentació utilitzada a les 16 pràctiques juntament amb les dels muntatges que els alumnes han de realitzar al laboratori. Finalment, apareix una versió preparada per a imprimir del manual del laboratori.[spa] Este material ha sido elaborado como complemento de las prácticas de laboratorio de la asignatura Laboratorio de Electromagnetismo de la titulación de Física de la Universitat de Barcelona. Se presenta, de manera ordenada, las imágenes de la instrumentación empleada en las diferentes 16 prácticas, junto con las imágenes de los montajes que los estudiantes deben preparar. Finalmente, aparece una versión del manual de laboratorio preparada para imprimir

Caracterización óptica de capas finas de carbono amorfo hidrogenado mediante elipsometría espectroscópica

[spa] Este trabajo presenta una doble vertiente: por una parte, se ha diseñado y construido un elipsómetro espectral (visible-UV) automático que permite la caracterización óptica de materiales en volumen, en forma de capa fina y de estructuras multicapa. Los criterios para la alineación y calibración de este elipsómetro de analizador rotativo han sido establecidos y se han elaborado los programas informáticos de control y análisis de datos. Por otra parte, se ha realizado la caracterización óptica sistemática de las capas de carbono amorfo hidrogenado (a-C:H) obtenidas mediante plasma de rf de gas metano en un amplio margen de condiciones tecnológicas. Las propiedades ópticas de estas capas se pueden controlar mediante los parámetros tecnológicos de depósito analizados: temperatura de substrato, tensión de autopolarización, dilución del metano con hidrógeno y argón, presión y flujo. El carbono amorfo hidrogenado posee unas propiedades físicas similares a las del diamante en combinación con características propias del grafito, y tiene el interés adicional por su capacidad para formar una gran variedad de estructuras desde amorfas a microcristalinas. Estas estructuras presentan una amplia variedad de concentraciones de hidrógeno y de proporciones y disposición de los enlaces de carbono sp(3), sp(2) y sp(1), que determinan sus propiedades físicas, y que varían con las condiciones de preparación. El a-C:H presenta un conjunto único de propiedades: elevada dureza mecánica, alto índice de refracción y transparencia óptica en el IR, elevada resistividad eléctrica a la vez que una extraordinaria conductividad térmica, bajo coeficiente de fricción, impermeabilidad y resistencia a los ataques químicos. Estas propiedades permiten su aplicación en múltiples campos de la técnica: óptica, electrónica, optoelectrónica, mecánica y también en medicina debido a su biocompatibilidad. Algunas de las aplicaciones potenciales concretas que se han propuesto son: barreras de difusión, capas dieléctricas y protectoras de componentes electrónicos, discos ópticos, discos duros magnéticos, recubrimientos ópticos selectivos y recubrimientos antirreflectantes en fotodetectores, disipadores de calor para la fabricación de diodos láser de alta potencia, tweeters para equipos de alta fidelidad, ventanas de detección de rayos X, herramientas de corte, recubrimiento de prótesis, protección de plásticos aislantes frente al aire y la radiación UV, y recubrimiento de reactores de fusión. Los parámetros ópticos de las capas de a-C:H dependen de la configuración y de los enlaces que las componen y son, por tanto, unos indicativos útiles para su caracterización. La elipsometría es una técnica especialmente idónea para este fin ya que, siendo una técnica óptica, no es destructiva. Las capas de a-C:H poseen condiciones de superficie suficientemente adecuadas para ser analizadas mediante elipsometría, puesto que son lisas y no presentan oxidación superficial. Se ha realizado el estudio espectral, una vez crecidas las capas, de los parámetros ópticos (índice de refracción, coeficientes de extinción y de absorción, y gap óptico) y funciones asociadas, en función de un amplio abanico de parámetros tecnológicos de depósito. Se han interpretado las propiedades ópticas del a-C:H mediante la presencia de una distribución de agrupamientos grafíticos de distinto tamaño. Se ha reproducido teóricamente el frente de absorción de las capas de a-C:H, lo cual ha proporcionado información sobre la microestructura de las capas, que está relacionada con las propiedades estructurales. Las capas de a-C:H analizadas en este trabajo presentan índices de refracción con valores alrededor de 2, excepto para las capas depositadas a temperaturas de substrato elevadas. Estas capas son absorbentes en el visible, y se han determinado valores del gap óptico variando en un amplio margen de energías desde 1.6 eV, para capas obtenidas a baja tensión de autopolarización, hasta prácticamente cero cuando la temperatura de substrato supera los 370 ºC. Estos dos parámetros, tensión de autopolarización y temperatura de substrato, han resultado ser los más determinantes en las propiedades ópticas de las capas. Las variaciones observadas al aumentar la temperatura de substrato desde 20 ºC hasta 370 ºC, se han interpretado como producto de un cambio en la estructura del material, con un aumento del tamaño de los agrupamientos grafíticos, en las condiciones de depósito utilizadas. Se ha mostrado que las capas obtenidas sobre substratos refrigerados a temperaturas cercanas a la ambiente presentan propiedades ópticas interesantes para las aplicaciones en el visible e infrarrojo. El aumento del bombardeo iónico de las capas de a-C:H en un plasma de metano puro, representado por la variación de la tensión de autopolarización de la descarga rf desde -200 hasta -1200 V, determina tres tipos de material para nuestras condiciones de depósito: a bajos valores de V(SB) se obtienen capas blandas con mayor contenido de hidrógeno y de componente polimérica, a valores moderados de unos -500 V, las capas son duras con predominio de la componente tipo diamante y, para valores elevados, las capas que se depositan tienen predominio de la componente tipo grafito. Se ha estudiado la influencia sobre las propiedades ópticas de la utilización de hidrógeno o argón como gases diluyentes del metano en la descarga rf. En las condiciones de depósito utilizadas, la dilución con hidrógeno (desde 0% hasta 90%) provoca, para concentraciones pequeñas, un desarrollo de la componente grafítica de las capas de a-C:H. A partir del 30 %, el efecto selectivo del bombardeo iónico sobre los enlaces grafíticos, provoca la disminución del tamaño de los agrupamientos grafíticos. La utilización de una mezcla de metano con argón como gas de la descarga influye en menor medida sobre las propiedades ópticas de las capas que la dilución con hidrógeno. El mecanismo de ataque debido al bombardeo iónico de la capa en formación pasa a ser un mecanismo dominante que comporta una disminución del gap óptico debido a un aumento del desorden de las capas. La presión de la descarga induce pequeños cambios en las propiedades ópticas de las capas de a-C:H, al aumentar en el rango de 2 a 40 Pa. La disminución de la energía con que inciden los iones sobre la capa en formación debido a pérdidas de energía en los choques previos, reduce la efectividad en la eliminación de los enlaces grafíticos. El estudio de la influencia del flujo de gas metano en la descarga rf, en el rango de 2 a 10 sccm y con las condiciones de depósito estudiadas, ha mostrado muy ligeras variaciones en las propiedades ópticas del a-C:H. Se ha estudiado otros materiales en forma de capa fina, tales como capas policristalinas de Zn(1)P(3), oro evaporado y TiN. El estudio espectral ha llevado a la determinación de los parámetros ópticos y al análisis de la superficie de las muestras. Así mismo, las evoluciones en el tiempo de las capas de Zn(1)P(3) se han seguido mediante la utilización de la elipsometría en tiempo real y se ha determinado la cinética de la oxidación superficial.[eng] A spectroscopic ellipsometer (visible-UV) of rotating analyzer, which allows the optical characterization of bulk materials, thin films and multilayer structures, was designed and constructed. The optical properties (refractive index, absorption coefficient, optical gap, and associated functions) of hydrogenated amorphous carbon (a-C:H) thin films, obtained by plasma rf decomposition of methane, were measured. These properties were interpreted by assuming the presence of a distribution of graphitic c1usters sizes. The absorption edge was theoretically reproduced, and this provided information about the films microstructure. The optical properties of a-C:H thin films can be controlled by the deposition conditions analyzed: substrate temperature, self-bias voltage, dilution with hydrogen or argon, pressure and flux. a-C:H thin film s analyzed in this work have, in general, refractive index about 2 and are absorbent in the visible range. Optical band gap values from 1.6 eV to near zero were obtained. The changes induced by the increase of the substrate temperature were interpreted by an increase of the graphitic clusters size. The self-bias voltage determines three types of material depending on the dominating component. The dilution of the methane by hydrogen produces, for concentrations over 30%, a decrease of the graphitic cluster size, but the dilution with argon slightly reduces the sizes and increases the roughness. Pressure increases the graphitic and polymeric component, and flux has little influence. Moreover, spectroscopic ellipsometry provided the optical parameters and the analysis of the films surface of Zn(3)P(2) gold and TiN thin films. Time evolution of the Zn(3)P(2) films was studied by real time ellipsometry, and the kinetics of the surface oxidation was determined

Phase-modulated ellipsometer using a Fourier transform infrared spectrometer for real time applications

A new Fourier transform infrared phase‐modulated ellipsometer is presented. It combines the high frequency provided by a photoelastic modulator (37 kHz) with the low frequency of the Fourier transform infrared spectroscopy (<1 kHz), by means of a numerical data acquisition system. A full spectrum recording (from 900 to 4000 cm−1) can be achieved in 2 s. Thus, it allows its adaptation for kinetic in situ studies. The optical setup and the data reduction procedure are presented. In particular, a self‐consistent spectral calibration procedure is described in detail. The precision in Ψ and Δ increases from 0.3° to 0.02° when increasing the integration time from 2 to 760 s. The examples shown in this article illustrate the high sensitivity to identify and analyze the absorption vibration variations of ultrathin films (a few angstroms thick)

Optical absorption and graphitic clusters of hydrogenated amorphophous carbon thin films

The optical absorption of hydrogenated amorphous carbon films (a‐C:H) was measured by spectroscopic ellipsometry. The a‐C:H films were deposited at different substrate temperatures by rf‐plasma of methane. A volume distribution of graphitic cluster size was assumed to reproduce the experimental spectra of the absorption coefficient. The changes in the absorption coefficient and the optical gap, induced by deposition temperature, have been interpreted in terms of changes in the graphitic cluster size of the network. The increase in the deposition temperature produces an increase in the size of the graphitic clusters

Photonic characteristics of Langmuir-Blodgett self-assembled monolayers of colloidal silica particles

Monodispersed colloidal crystals based on silica sub-micrometric particles were synthesized using the Stöber-Fink-Bohn process. The control of nucleation and coalescence result in improved characteristics such as high sphericity and very low size dispersion. The resulting silica particles show characteristics suitable for self-assembling across large areas of closely-packed 2D crystal monolayers by an accurate Langmuir-Blodgett deposition process on glass, fused silica and silicon substrates. Due to their special optical properties, colloidal films have potential applications in fields including photonics, electronics, electro-optics, medicine (detectors and sensors), membrane filters and surface devices. The deposited monolayers of silica particles were characterized by means of FESEM, AFM and optical transmittance measurements in order to analyze their specific properties and characteristics. We propose a theoretical calculation for the photonic band gaps in 2D systems using an extrapolation of the photonic behavior of the crystal from 3D to 2D. In this work we show that the methodology used and the conditions in self-assembly processes are decisive for producing high-quality two-dimensional colloidal crystals by the Langmuir-Blodgett technique