Listing 1 - 10 of 57 << page
of 6
>>
Sort by

Dissertation
The influence of doping on the physicochemical properties of coinage metal clusters : enhanced stabilities and modified chemical activities
Authors: ---
ISBN: 9789086491407 Year: 2007 Publisher: Leuven Katholieke Universiteit Leuven. Faculteit Wetenschappen

Loading...
Export citation

Choose an application

Bookmark

Abstract

Sinds geruime tijd leggen materiaalwetenschappers zich toe op het ontwerpen van materialen met vooraf bepaalde eigenschappen. Dit heeft voor het specifieke geval van metalen geleid tot de ontwikkeling van een brede waaier aan legeringen waarvan de eigenschappen aan gewenste specificaties voldoen. Sinds kort wordt een gelijkaardige weg gevolgd in materiaalonderzoek op nanometerschaal, en meer specifiek in het onderzoek van clusters in de gasfase. Clusters, gedefinieerd als nanometergrote entiteiten opgebouwd uit enkele tot vele duizenden atomen, hebben als belangrijkste karakteristiek dat hun fundamentele eigenschappen niet schaalbaar zijn met de afmetingen. Toevoegen van één enkel atoom of elektron kan de eigenschappen, en in het bijzonder de stabiliteit en de reactiviteit van een bepaalde cluster, drastisch wijzigen. De centrale onderzoeksvraag binnen de zoektocht naar bouwstenen voor een nieuwe klasse van cluster-geassembleerde materialen is dan ook: “Hoe kunnen clusters met gewenste eigenschappen ontworpen worden, die bovendien voldoende stabiel zijn om als bouwstenen te kunnen fungeren?”. Vertrekkende van deze onderzoeksvraag, zijn we nagegaan hoe een gecontroleerde wijziging van de fysische eigenschappen van clusters, door ze te doperen met verschillende elementen, de mogelijke chemische reacties zal beïnvloeden. In een eerste fase stond onderzoek naar de vorming en de eigenschappen van gemengde clusters centraal. Zowel de structuur als de elektronische eigenschappen van Au N X+ (X = Y, Er en Nb) en Cu N X+ (X = Sc, V, Fe en Co) clusters werden systematisch onderzocht en vergeleken met gedopeerde zilverclusters. De onderlinge gelijkenissen en verschillen tussen de eigenschappen van edelmetaalclusters (magische getallen, 2D versus 3D geometrische structuren, gedrag van een magnetische dopant, …) toonden aan dat koper zich eerder gedraagt als zilver dan als goud. Het afwijkende gedrag van goudclusters ten opzichte van koper- en zilverclusters werd toegeschreven aan het verschil in s-d-hybridisatie. In koper- en zilverclusters ligt de d-band relatief laag onder het Fermi niveau. Bijgevolg is er weinig s-d-hybridisatie en worden de chemische eigenschappen voornamelijk bepaald door de s elektronen. Goudclusters worden gekenmerkt door een hooggelegen d band. Dit geeft aanleiding tot hybridisatie van s- en d-orbitalen, waardoor het chemisch gedrag niet langer gedomineerd wordt door de s-elektronen. De grootte-afhankelijke stabiliteit van de clusters werd bestudeerd met behulp van fotofragmentatie en metastabiele-fragmentatie-experimenten, aangevuld met kwantumchemische berekeningen. Dit heeft geleid tot een experimentele identificatie en computationele bevestiging van hoogsymmetrische edelmetaalkooien die een centraal gastatoom accommoderen. Dit endohedraal doperingsatoom blijkt bovendien de kooivormige fullereenachtige structuren te stabiliseren. Uitzonderlijk hoge stabiliteit werd waargenomen voor Au16Y+, Au16Er+ en Cu16Sc+. Computationeel onderzoek van deze systemen met kwantumchemische methoden heeft aangetoond dat deze clusters een hoogsymmetrische geometrische structuur hebben, die daarenboven voldoet aan de 18-elektronenregel afkomstig van volledig gevulde s-, p- en d-schillen. In een tweede deel zijn we nagegaan hoe gecontroleerd wijzigen van de fysische eigenschappen van edelmetaalclusters, door ze gepast te doperen, de clusterreactiviteit beïnvloedt. Concreet werd de reactiviteit van neutrale homogene en gedopeerde goudclusters ten opzichte van CO in een lage-druk botsingscel bestudeerd. Een essentiële stap hierbij was de implementatie van een botsingscel in de bundellijn van onze binaire-clusteropstelling. Dit resulteerde in een unieke combinatie van flexibiliteit in de productie van binaire clusters en reactiviteitsmetingen van gasfase clusters. De reactiviteitsmetingen van neutrale goudclusters met CO resulteerden in sterk temperatuurs- en grootte- afhankelijke adsorptiewaarschijnlijkheden. De lagere reactiviteit met hogere temperatuur werd verklaard in termen van destabilisatie van de reactieproducten omwille van het exoterme karakter van de reactie. De grootte-afhankelijkheid werd toegeschreven aan de grootte-specifieke elektronische structuur. Hoge adsorptiewaarschijnlijkheden werden opgemeten voor Au16, Au18, en Au32 clusters, geproduceerd met de clusterbron op kamertemperatuur. In een CO-adsorptieproces wordt verondersteld dat CO-moleculen zich gedragen als twee-elektrondonoren. Hieruit volgt dat het aantal gedelokaliseerde elektronen in de reactieproducten Au16CO, Au18CO en Au32CO gelijk is aan de magische getallen 18, 20 en 34, wat de neiging tot het vormen van elektronisch gesloten structuren illustreert. Naast het vullen van elektronische schillen bleek ook de symmetrie van de gedelokaliseerde valentie-orbitalen een cruciale rol te spelen. De grootte-afhankelijkheid in de reactiviteit van gekoelde clusters vertoonde naast hoge adsorptiewaarschijnlijkheden in de grootte-gebieden waar ook de meest reactieve kamertemperatuurclusters geobserveerd werden ook even-oneven effecten als functie van het aantal goudatomen in de cluster. Hieruit bleek dat het belang van de elektronische structuur in het chemisch gedrag dat geobserveerd werd bij kamertemperatuur ook bij lagere temperaturen behouden blijft. Dit leidde tot de conclusie dat, hoewel de individuele geometrie van iedere cluster het specifieke adsorptiegedrag kan beïnvloeden, de belangrijkste tendensen in de grootte-evolutie van CO-reactiviteit hun oorsprong vinden in de elektronische structuur. Reactiviteitsmetingen op zilvergedopeerde goudclusters hebben aangetoond dat het substitueren van één enkel goudatoom door een zilveratoom, waardoor het aantal beschikbare elektronen ongewijzigd blijft, de reactiewaarschijnlijkheden niet significant wijzigt. Het vrijwel identieke chemisch gedrag van AuN and AuN-1Ag is in zekere zin tegenstrijdig met wat waargenomen werd voor kleine, binaire goud-zilver systemen (AuNAgM, N+M < 7), waarvoor werd aangetoond dat zilverdopering de CO-reactiviteit verlaagt. Hoewel één enkel vreemd atoom de reactiviteit drastisch kan veranderen, is dit duidelijk niet het geval voor zilver. Dit werd toegeschreven aan de erg gelijkaardige elektronische structuur van goud en zilver, waardoor het effect van dopering zeer beperkt is, zowel wat de elektronische structuur als de geometrie betreft. De reactiviteitsmetingen op goudclusters gedopeerd met yttrium hebben onomstotelijk de belangrijke rol van de elektronische schillenstructuur van metaalclusters aangetoond: waar het reactieve gedrag van grote AuNY-clusters (N > 20) niet significant verschilde van dat van hun homogene AuN tegenhangers, daalde de adsorptiewaarschijnlijkheden voor kleine AuNY-clusters (N < 21) drastisch. Dit groottegebied stemt precies overeen met het gebied waar endohedraal gedopeerde kooivormige geometrische structuren computationeel voorspeld zijn. Zulke structuur gaat gepaard met een significante ladingsverschuiving, zodat de verlaging van de reactiviteit veroorzaakt wordt door de modificatie van zowel de elektronische als de geometrische structuur ten gevolge van dopering. De ontdekking dat clusters opgebouwd uit goud, een materiaal dat in zijn bulkvorm voornamelijk gekend is omwille van zijn inertie, sterk chemisch actief kunnen zijn, vormde een mijlpaal in het clusteronderzoek. De observatie dat de chemische reactiviteit opnieuw verminderd kan worden door dopering – nanogoud wordt opnieuw edel, is opmerkelijk en opent deuren voor verder onderzoek. Zo kan het een belangrijke stap zijn in het verwerven van volledig inzicht in het proces van ladingstransfer dat gepaard gaat met adsorptiemechanismen en dat ook in katalytische reacties een belangrijke rol speelt. Bovendien is er de uitdaging een doperingsatoom te vinden dat de reactiviteit van nanogoud kan verhogen. Nanoclusters, aggregates of typically a few to a few thousand atoms represent a distinct form of matter between atoms and molecules on the one hand and solids on the other. The possible existence of highly symmetric nanoclusters constitutes a major issue in current cluster research. Not only their aesthetic attraction, but also the prospect to use these particles as building blocks for nanostructured materials stimulates further research. The challenge is to develop some guiding principles which would enable one to design stable clusters with tailored physical and chemical properties, suitable for the synthesis of cluster based materials. In view of this, we investigated how controlled modification of physical properties of single-element clusters, by doping them with different elements, is influencing their chemical activity. First, we elaborated on the production and properties of doped gold and copper clusters. In particular, the controlled modification of the physical properties of these clusters by doping them with different elements was investigated. Photofragmentation and metastable fragmentation experiments, probing the size dependent cluster stability, were performed on Au N X+ (X = Y, Er, and Nb) and Cu N X+ (X = Sc, V, Fe, and Co) clusters, and both qualitative and quantitative information was deduced from the mass abundance spectra. The electronic and geometric structures of the doped gold and copper clusters were studied systematically and compared with doped silver clusters. From the mutual similarities and differences between the coinage metal cluster properties (magic numbers, 2D versus 3D geometrical structures, behavior toward magnetic dopants, …), it was concluded that copper merely behaves like silver than like gold. The different behavior of gold compared to copper and silver was attributed to important differences in the degree of s-d hybridization. In silver and copper clusters, the d band locates rather well below the Fermi level. Consequently the degree of s-d hybridization is small, and the chemistry is basically dominated by the s electrons. Gold clusters have a much smaller separation between the d band and the Fermi level, which leads to an efficient s-d mixing and a behavior that is no longer dominated by the s electrons. The combined experimental and computational investigation of both the electronic and the geometric structures also led to an experimental identification and a computational confirmation of highly symmetric dopant encapsulating coinage metal cages. Recently experimental evidence for the existence of hollow Au N - ( N = 16-18) cages was deduced from photoelectron spectroscopy data. Furthermore, it was found that these cages could accommodate a guest atom with little structural distortion. Moreover, the central dopant atom was found to stabilize the fullerene-like cages. In our experiments, extreme stability was found for Au16Y+, Au16Er+, and Cu16Sc+. Quantum chemical computations of these structures indicated that this extreme stability might result from the combined effect of a highly symmetric geometry and an electronic structure satisfying the 18 electron rule stemming from completely filled s, p and d shells. In a next step, the influence of modification of physical properties on chemical activity was investigated. In particular, the reactivity of neutral gold and doped gold clusters toward carbon monoxide under few-collision conditions was studied. An essential step was the implementation of a collision gas cell in the beam line of the binary-cluster setup. This gave rise to a unique combination of flexibly tunable binary-cluster production and reactivity measurements of gas phase clusters under few-collision conditions. The investigation of pure gold cluster reactivity toward CO revealed a strong temperature and size dependence. The higher reactivity with lower temperature was explained in terms of stabilization of the reaction products. The size dependence was attributed to the size dependent electronic structure. Particularly high reaction probabilities were measured for room temperature Au16, Au18, and Au32. When electron counting rules are applied, it is assumed that CO molecules act as two-electron donors, making the number of delocalized electrons in the reaction products Au16CO, Au18CO, and Au32CO equal to the magic numbers 18, 20 and 34 respectively, indicating that there is a tendency toward closed shell structures formation. In addition to the shell filling, also the symmetry of the delocalized valence orbitals was found to play a crucial role. The size dependence in the reaction probabilities of cold clusters, showing high reactivity in the size regions located around the most reactive room temperature clusters, and the odd-even staggering in the reaction probabilities as a function of the number of gold atoms revealed that the importance of the electronic structure is preserved at lower temperatures. Therefore, it was concluded that although the individual geometry of each cluster will influence its ability to bind a CO molecule, the main trends in the size-evolution of the CO reactivity have their origin in the electronic structure. Reactivity measurements on silver doped gold clusters have revealed that the replacement of a gold atom by a silver atom, leaving the number of electrons unaltered, does not seem to influence the reaction probabilities significantly. The strongly similar chemical behavior of Au N and Au N-1 Ag, might be expected from the fact that gold and silver have a similar electronic structure, is to some extent in contradiction with the observations for small binary gold-silver systems (Au N Ag M , N+M < 7), for which it was found that silver doping poisons the reactivity toward CO. Although a single dopant might drastically change the reactivity, this is clearly not the case for silver, most probably due to the fact that the effect of a single dopant, which is electronically similar to the substituted gold atom, on both geometry and electronic structure is negligible. By performing reactivity measurements on yttrium doped gold clusters an interesting phenomenon was observed. While the reactivity behavior of large Au N Y ( N > 20) did not significantly differ from that of the pure AuN counterparts, it drastically decreased for small Au N Y species ( N < 21). This small size range corresponds to the region where cage-like gold structures encapsulating a dopant atom are predicted computationally. The lowering of the reactivity was therefore attributed to major changes in the electronic and geometric structure upon doping. Next to energy level inversions giving rise to new magic numbers also the possibilities of disturbed sigma donation - pi back-donation mechanisms, different bonding types, and an electron cloud shift were considered. The discovery that clusters of gold, a material known in bulk for its chemical inertness, can be highly chemical active, was a milestone in cluster research. The observation that gold regains its nobility upon doping with a single element, even at nanoscale, is striking and opens up new doors to further research. It might be an important step towards a full comprehension of the charge transfer involved in adsorption mechanisms. Moreover, further research might lead to the discovery of elements that, when inserted in a gold cluster, will enhance the reactivity of nanogold. Nanogoud wordt opnieuw edel! Al eeuwen lang wordt goud aanzien als een zeer waardevol element. De voornaamste reden hiervoor is dat goud, meer nog dan andere edelmetalen, chemisch inert is. Sinds enkele jaren blijkt goud echter niet altijd zo inert te zijn. Goudclusters, gedefinieerd als nanometergrote entiteiten opgebouwd uit enkele tot vele honderden goudatomen, blijken zelfs zeer reactief te zijn en bovendien als zeer goede katalysatoren voor een aantal heterogene katalyses te fungeren. De onderliggende mechanismen zijn echter nog niet volledig gekend. Clusters hebben als belangrijkste karakteristiek dat hun fundamentele eigenschappen niet schaalbaar zijn met de afmetingen. Toevoegen van één enkel atoom of elektron kan de eigenschappen, en in het bijzonder de stabiliteit en de reactiviteit van een bepaalde cluster, drastisch wijzigen. In ons onderzoek zijn we nagegaan hoe een gecontroleerde wijziging van de fysische eigenschappen van goudclusters, door ze te doperen met verschillende elementen, de mogelijke chemische reacties beïnvloedt. Zo wilden we enerzijds de fundamentele fysicochemische eigenschappen doorgronden, en anderzijds nieuwe mogelijkheden aanreiken voor het optimaliseren van chemische reactiviteit en katalytische activiteit van katalysatoren opgebouwd uit gouddeeltjes. Concreet werd de reactiviteit van neutrale homogene en gedopeerde goudclusters ten opzichte van CO in een lage-druk botsingscel bestudeerd. De opmerkelijkste resultaten werden gevonden in de CO-reactiviteit van goudclusters gedopeerd met yttrium. Deze reactiviteitsmetingen hebben onomstotelijk de belangrijke rol van de elektronische schillenstructuur van metaalclusters aangetoond: waar het reactieve gedrag van grote Au N Y-clusters ( N > 20) niet significant verschilde van dat van hun homogene AuN-tegenhangers, daalde de adsorptiewaarschijnlijkheden voor kleine Au N Y-clusters ( N < 21)

Keywords

Academic collection --- 53 --- Theses


Dissertation
Correlations in quantum systems with a high degree of symmetry
Authors: ---
ISBN: 9789086491216 Year: 2007 Publisher: Leuven Katholieke Universiteit Leuven. Faculteit Wetenschappen

Loading...
Export citation

Choose an application

Bookmark

Abstract

Het begrijpen van verstrengeling in kwantumsystemen kan een ingewikkelde taak zijn. Sommige modellen vertonen echter symmetrie-eigenschappen die het bestuderen van correlaties eenvoudiger kunnen maken. Voorbeelden van zulke modellen zijn mean-field modellen die een permutatie-invariantie vertonen. Er zijn andere vereenvoudigingen dan groepssymmetrie mogelijk, die het gevolg van speciale combinatorische eigenschappen van correlaties zijn. De quasi-vrije toestanden van bosonen en fermionen die verbonden zijn met de Hartree-Fockbenadering en de VBS(valence bond solid)-toestanden verbonden met DMRG(density matrix renomalisation group) zijn daar voorbeelden van. In deze thesis zullen we vooral mean-field modellen bestuderen. In Hoofdstuk 1 worden de toestanden op spinsystemen gedefinieerd zowel als de notie van verstrengeling. Een inleiding over kwantumkanaal en hun capaciteit wordt ook gegeven. In Hoofdstuk 2 beschouwen we de asymptotische grondtoestanden van mean-field modellen. Die toestanden hebben een hoge graad van symmetrie die uitwisselbaarheid wordt genoemd. In Hoofdstuk 3 worden eindige systemen met mean-field Hamiltoniaan bekeken. De grondtoestanden zijn dan symmetrisch. We vergelijken ze met de asymptotische grondtoestanden van deze modellen, bekomen door de thermodynamische limiet te nemen. In het laatste hoofdstuk, leggen we een band tussen kwantumkanalen en mean-field modellen met een ferromagnetische interactie. Die link staat ons toe om de additiviteit van de tweede Renyi entropie-output te bewijzen voor een bepaalde klasse van kwantumkanalen. De Renyi entropie-output is een hoeveelheid die de zuiverheid van ouput-toestand meet. The understanding of entanglement in composite quantum systems can be rather involved if not impossible. One way to overcome the difficulties of studying many-body quantum systems and their correlations is to make use of any symmetry that they may exhibit. These symmetry properties can simplify the model we are studying, and allow us to make predictions about the behaviour of the system. By symmetry, we do not only mean group symmetry in this context, but rather special combinatorial properties. Examples of systems having a high level of symmetry are the permutation-invariant states corresponding to the mean field approximation but also the quasi-free states of fermion and boson systems which are linked to the Hartree-Fock approximation and used in solid states physics and Bose-Einstein condensation, and the VBS-states (valence bond solid states) represented by the DMRG (density matrix renormalisation group) approximation. In this work, we concentrate on the permutation-invariant states which we shall often call symmetric. In Chapter 1, states on finite and infinite spin systems are defined as well as the locality principle and entanglement. Some notion about quantum channels and their capacity are also introduced. The notions of symmetric and exchangeable states come from their classical equivalents: symmetric and exchangeable probabilities. In this regard, de Finetti's theorem is important as it characterises all exchangeable probabilities. In Chapter 2, we study these notions as well as their quantum equivalents. We then give a positivity criterion to recognise the two-site marginals of exchangeable states. This characterisation is useful as the decomposition given by Sto rmer's version of de Finetti's theorem is not unique, unless the decomposition is known for every N, where N denotes the system size, and hence recognising exchangeable states on two particles is far from being trivial. An application of this criterion is also given, namely we study the asymptotic ground state energy density of systems of composite particles. We prove that, under certain conditions, the asymptotic average ground state energy of such a system has a multiplicative behaviour, when the Hamiltonian is built out of ferromagnetic pair interactions. We conclude Chapter 2 with some remarks on the N-site marginals of exchangeable states, and how a positivity criterion similar to the one for two-site marginals could be found. We then turn our attention to symmetric states which are not necessarily exchangeable. An important result concerning symmetric probabilities on a system of N identical classical spin particles is that their distance to exchangeable probabilities is of order O(1/N). In Chapter 3, we obtain that the distance between the two-site marginals of the N-symmetric states and the exchangeable states is of order O(1/N) recovering partially the equivalent result for probabilities. We then consider the ground states of finite size mean field models, i.e., models for which the Hamiltonian is invariant under permutations of the particles. These ground states are examples of symmetric states, as they are obtained by taking the limit of the Gibbs states when the inverse temperature goes to infinity. When one takes the thermodynamical limit of such a model, one obtains an exchangeable state as asymptotic ground state. Hence, the distance between the ground state and the asymptotic ground state is of order O(1/N). In Chapter 3, for the qubit case, we give a correction of order O(1/N) of the two-site marginal of the ground state of a mean field model with respect to its asymptotic ground state, when the latter is pure. This allows one to study the fluctuations in such systems. Moreover the leading term of the concurrence between two qubits, or the entanglement of a qubit with the rest of the system, in such models can be calculated starting from the correction term. These quantities all vanish when the thermodynamical limit is taken as the asymptotic ground states are separable. We then apply this new result to the BCS-model, calculating the ground state energy of the finite size system. In Chapter 4, we consider quantum channels. We begin by recalling some conjectures about the additivity of their capacity and the amount of `mixedness' their noise creates. These conjectures are important when considering channels which are not memoryless, when the input states are entangled in time, or parallel channels, when the input spaces may be entangled in space. We then study in more detail the minimal second Renyi entropy output, linking it to the multiplicativity of the asymptotic ground state energy density of ferromagnetic mean field models under certain conditions. Therefore, we construct two ferromagnetic pair interactions starting from the Kraus decomposition of the quantum channel. Using this, we are able to prove the additivity of the minimal second Renyi entropy output for a class of channels. We conclude by giving some examples of such channels. Een essentieel verschil tussen de klassieke en de kwantumwereld is het bestaan van een rijke structuur van correlaties in toestanden van samengestelde systemen. Dit ligt aan de basis van verschijnselen als faseovergangen in grondtoestanden, Bose-Einstein condensatie, verstrengeling als basisgegeven in kwantuminformatie en kwantumcomputing,... De volledige probabilistische structuur van kwantumtoestanden ontrafelen is zeker een buitengewoon complexe taak waarvan men niet kan hopen dat ze in afzienbare tijd uitgevoerd wordt. Grote vereenvoudigingen treden echter op indien men zijn aandacht beperkt tot klassen van toestanden met een hoge symmetrie. Het woord symmetrie dient hier niet zozeer in de strikte mathematische zin opgevat te worden maar eerder in de grote vereenvoudigingen die optreden in de correlatiestructuur van deze toestanden. We denken hier in het bijzonder aan complexe systemen die opgebouwd zijn uit een groot (oneindig) aantal eenvoudige componenten. Zo zijn er de permutatie-invariante toestanden welke overeenstemmen met de mean-field benadering, de quasi-vrije toestanden van Fermion en Boson systemen welke verbonden zijn met de Hartree-Fock benadering en de VBS-toestanden (valence bond solid states) die de DMRG benadering (density matrix renormalisation group) weergeven. De permutatie-invariante toestanden van systemen samengestelde uit oneindig veel deeltjes werden gekarakteriseerd door de Finetti voor het klassieke geval en Sto rmer voor de kwantumsystemen. Het zijn convexe mengsels van producttoestanden en worden daarom beschreven door kansmaten op de eendeeltjestoestanden. We geven een eenvoudige positiviteitscriterium voor de beperking tot twee deeltjes van zulke toestanden. Deze geeft ons de mogelijkheid om een bovengrens te vinden voor de afstand van de beperking tot twee deeltjes van een permutatie-invariante toestand van een systeem met eindig veel deeltjes tot de verzameling van toestanden op twee deeltjes die een permutatie-invariante uitbreiding hebben op oneindig veel deeltjes. Voor permutatie-invariante interacties van een oneindig systeem reduceert het variatieprincipe van de thermodynamica, dat de grond- en evenwichtstoestanden bepaalt, zich tot een variatieprincipe over een laag-dimensionale convexe verzameling en geeft aanleiding tot de gap-vergelijking. Eindige-systeemsfluctuaties kunnen in principe berekend worden door expliciet de permutatiesymmetrie, beschreven aan de hand van Young tableau's, te gebruiken. Een meer structurele aanpak moet toelaten om rechtstreeks een variatieprincipe op te stellen in termen van functionalen op $n$-puntsobservabelen, waar $n$ de "dracht" van de interactie is. We hebben dan ook de mathematische structuur van deze functionalen bestudeerd voor het geval $n=2$ en wanneer de deeltjes maar twee vrijheidgraden hebben. Deze werkwijze hebben we toegepast in de concrete berekening van fluctuaties en van verstrengeling van $N$-deeltjessystemen. Het positiviteitscriterium heeft ons ook toegelaten om de asymptotische energiedichtheid van de grondtoestand van mean-field modellen te bestuderen wanneer de deeltjes samengesteld zijn uit twee componenten. Uiteindelijk konden we onze resultaten over mean-field modellen gebruiken om een partieel aantwoord te geven aan een belangrijk vermoeden in kwantuminformatie door met elk kwantumkanaal een ferromagnetische paarinteractie te associeren.

Keywords

Academic collection --- 51 --- 53 --- Theses


Dissertation
Aspects of cosmology in supergravity
Authors: ---
ISBN: 9789086491209 Year: 2007 Publisher: Leuven Katholieke Universiteit Leuven. Faculteit Wetenschappen

Loading...
Export citation

Choose an application

Bookmark

Abstract

Kosmologie, de studie van het universum, heeft een snelle groei gekend sinds het begin van de twintigste eeuw. Rond 1920 werd ontdekt dat het heelal uitdijt. Het heelal blijkt op grote afstandsschalen bovendien bijzonder homogeen en isotroop te zijn; er is met andere woorden geen geprefereerd punt en het universum ziet er in alle richtingen identiek uit. Uit recente waarnemingen zijn enkele verrassende feiten naar boven gekomen. Zo werd ontdekt dat de uitdijing van het heelal op dit ogenblik versnelt. Een aantal theoretische problemen suggereren bovendien dat het heelal ook in de beginfase een periode van versnelde expansie heeft gekend. Deze fases van versnelde expansie kunnen niet verklaard worden als we aannemen dat het heelal enkel gevuld is met gewone materie zoals we die nu kennen. De waarnemingen tonen daarentegen aan dat ongeveer 70% van het heelal bestaat uit een vreemde vorm van energie, die donkere energie wordt genoemd en die verantwoordelijk is voor de versnelde uitdijing. Theoretisch gezien wordt die donkere energie vaak verklaard door de aanwezigheid van een kosmologische constante of van scalaire velden met potentiaaltermen. Het is dan ook interessant om te zien of die waarnemingen ook kunnen worden verklaard vanuit een meer fundamentele theorie. Snaartheorie zou mogelijk een dergelijke fundamentele theorie kunnen zijn. Men veronderstelt in snaartheorie dat deeltjes in werkelijkheid kleine, trillende, een-dimensionale snaren zijn. Verschillende trillingswijzen van een snaar worden dan waargenomen als verschillende deeltjes. Snaartheorieën leveren consistente theorieën voor quantumgravitatie op; ze slagen er met andere woorden in om Einstein's algemene relativiteitstheorie te combineren met quantum mechanica. Er zijn vijf verschillende snaartheorieën, die echter onderling gerelateerd zijn via dualiteiten. Snaartheorie wordt beschreven in 10 dimensies en worden gekarakteriseerd door een symmetrie die bosonen en fermionen uitwisselt en die supersymmetrie wordt genoemd. Om contact te maken met de vier-dimensionale realiteit veronderstelt men vaak dat 6 ruimtelijke dimensies compact zijn. Bij lage energieën worden die theorieën dan beschreven door vier-dimensionale supergravitatietheorieën, die Einstein gravitatie combineren met supersymmetrie. Lager-dimensionale supergravitatietheorieën bevatten vaak een groot aantal scalaire velden, die bijvoorbeeld geassocieerd zijn met het volume en de vorm van de compacte ruimte-dimensies. Het is dus interessant om te zien wat voor kosmologische oplossingen in supergravitatie mogelijk zijn. Hoofdstuk 2 van de thesis bevat een algemene inleiding tot kosmologie en supergravitatie. Het eerste gedeelte behandelt de homogeneïteit en isotropie van het heelal en hoe dit leidt tot de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker universa. De dynamica van dergelijk universum wordt behandeld, evenals enkele van de waarnemingen die wijzen op een huidige periode van versnelde expansie. We geven ook een kort overzicht van hoe scalaire velden die versnelde expansie kunnen verklaren. Vervolgens richten we de aandacht op supergravitatietheorieën. Na een algemene introductie over supersymmetrie en supergravitatie, behandelen we de supergravitatietheorieën die in de thesis voorkomen. Dit zijn de supergravitaties met 8 superladingen in 5, 4 en 3 dimensies, de N=8, geijkte supergravitaties in 4 dimensies en de maximale supergravitaties in 10 en 11 dimensies. De scalairen in deze theorieën vormen een niet-lineair sigma model, wat inhoudt dat ze kunnen worden gezien als coördinaten op een bepaalde doelruimte. Deze doelruimtes zijn gerestricteerd door supersymmetrie. We geven dan ook speciale aandacht aan de doelruimtes die in de relevante supergravitaties voorkomen. In hoofdstuk 3 bekijken we niet-geijkte supergravitaties, waar geen potentiaaltermen zijn voor de scalairen, als eerste stap in het bekomen van algemene resultaten over tijdsafhankelijke oplossingen in supergravitatie. In dit geval kunnen heel wat interessante oplossingen gevonden worden door de theorie eerst te reduceren naar drie dimensies, oplossingen te zoeken in drie dimensies en die vervolgens terug op te liften naar vier dimensies. Een interessante klasse van kosmologische oplossingen in drie dimensies kan dan worden gevonden door de geodetische vergelijkingen in de doelruimte van de scalairen op te lossen. In het geval dat de doelruimtes maximaal niet-compacte cosetruimtes zijn, kunnen deze vergelijkingen op algoritmische manier worden opgelost. In supergravitatie kunnen echter ook andere types van doelruimtes voorkomen. In het geval de doelruimte een niet-maximaal niet-compacte coset is, kan men echter een aantal scalairen op een welbepaalde manier trunceren, zodat de overblijvende scalairen een maximaal niet-compacte coset vormen. Deze procedure steunt op de Tits-Satake projectie voor symmetrische ruimtes. Men kan dan oplossingen van de getrunceerde theorie zoeken en deze zijn eveneens oplossingen van de oorspronkelijke theorie. Op die manier kan men toch een interessante klasse van kosmologische oplossingen vinden. De oplossingen van het geprojecteerde model vormen niet alle oplossingen van de oorspronkelijke theorie, maar geven in veel gevallen toch al een vrij goed beeld van het generieke gedrag van tijdsafhankelijke oplossingen. In de thesis geven we een uitbreiding van de Tits-Satake projectie van symmetrische ruimtes naar een klasse van meer algemene ruimtes. Dit zijn de zogenaamde homogene speciale meetkundes, die als doelruimte optreden in theorieën met 8 superladingen. Deze doelruimtes zijn relevant voor diverse op snaartheorie gebaseerde scenario's voor lage energie fysica. We gebruiken de Tits-Satake projectie eveneens om supergravitatietheorieën op te delen in universaliteitsklassen, waar de tijdsafhankelijke oplossingen van de verschillende modellen in een klasse een gelijkaardig gedrag vertonen. Na een inleiding waarin homogene speciale meetkunde wordt behandeld, bespreken we de Tits-Satake projectie voor symmetrische ruimtes. In dit gedeelte voeren we de noties van 'paint' en 'subpaint' groepen in. Deze noties worden vervolgens gebruikt om aan te tonen dat de Tits-Satake projectie kan worden uitgebreid naar homogene, speciale meetkunde. We leggen uit hoe de Tits-Satake projectie in die gevallen dient te worden uitgevoerd. Vervolgens bespreken we de resultaten van de projectie en behandelen we enkele toepassingen. In hoofdstuk 4 werken we met geijkte supergravitatietheorieën. Meer specifiek beschouwen we daar maximale supergravitaties in vier dimensies waar globale symmetrieën geijkt zijn. In dit geval is er een potentiaal aanwezig voor de scalairen in de theorie, wat aanleiding geeft tot interessante kosmologische oplossingen, die mogelijkerwijze versnellend zijn. Om informatie te bekomen over het gedrag van tijdsafhankelijke oplossingen in deze theorieën, kijken we naar zogenaamde schaalkosmologieën. In dit geval verloopt de uitdijing via een machtwet. Men kan aantonen dat deze kosmologieën overeenstemmen met attractors, repellers of zadelpunten van het kosmologische dynamische systeem. Ze corresponderen dus met het gedrag bij vroege of late tijden van meer algemene oplossingen. Daar de potentiaal in deze geijkte supergravitaties van een speciale vorm is (een som van exponentiële termen), kunnen we aantonen dat schaalkosmologieën hier inderdaad kunnen voorkomen. We geven alle mogelijke schaalkosmologieën en bespreken enkele van hun eigenschappen, zoals versnelling en stabiliteit. We geven ook een hoger-dimensionale oorsprong voor deze oplossingen en bespreken mogelijkheden om schaalkosmologieën te vinden in andere supergravitaties. Recent werd duidelijk dat D-branen een cruciale rol spelen in snaartheorie. Dit zijn hyperoppervlakken waar open snaren op kunnen eindigen. Dit leidt to interessante ijktheorieën op deze hyperoppervlakken, wat verklaart waarom D-branen belangrijk zijn in het construeren van fenomenologisch interessante modellen uit snaartheorie. D-branen zijn eveneens belangrijk bij het construeren van kosmologische modellen in snaartheorie. De dynamica van open snaren die eindigen op de braan, wordt bij lage energie beschreven door een wereld-volume effectieve actie. De bosonische termen van deze actie zijn welgekend; de fermionische termen zijn echter minder goed gekend. In hoofdstuk 5 bouwen we op bekende resultaten om een compacte en elegante vorm voor het fermionische deel van de D-braan actie in een willekeurige supergravitatie achtergrond te bekomen, op kwadratische orde in de fermionen. We behandelen enkele eigenschappen van de resulterende actie, zoals kappa-symmetrie en supersymmetrie en de consistentie met T-dualiteit. De resulterende actie is niet in canonieke vorm. We tonen aan hoe men door de wereld-volume geometrie op passende wijze te vervormen, toch een actie in canonieke vorm kan bekomen. Tot slot eindigt de thesis met een appendix over simpele Lie algebra's en reële vormen, een appendix met eigenschappen over reële Clifford algebra's en een appendix die de gebruikte conventies samenvat. Since the beginning of the twentieth century, cosmology, i.e., the study of the universe as a whole, has been a rapidly evolving science. In the 1920s, it was observed that the universe is expanding. Furthermore, the universe turns out to be remarkably homogeneous and isotropic at large distance scales, meaining that there's no preferred point and that it looks the same in all directions. Recent years have seen a rapid development in cosmology, due to a number of important observations. One of the most surprising facts that have sprung out of recent cosmological data, is the fact that the expansion of the universe is currently accelerating. Moreover, a number of theoretical problems also suggests that the universe underwent a period of accelerated expansion in its very early stages. These periods of acceleration cannot be explained if we assume that only ordinary matter is present in the universe. In fact, observations indicate that approximately 70% of the universe consists of a strange form of energy, called dark energy, that accounts for the observed accelerated expansion. Theoretically, an explanation for these observations is often given by assuming the presence of a cosmological constant or scalar fields with potential terms. It's an interesting endeavor to see whether these observations can be inferred from a more fundamental theory. String theory has the intention to provide us with such a fundamental theory of nature. It assumes that particles are tiny, vibrating, one-dimensional strings. Different vibration modes of a string are observed as different particles. String theories have the great advantage of offering consistent theories of quantum gravity, i.e., theories in which Einstein's general relativity is succesfully combined with quantum mechanics. There are five consistent string theories that are however all related via so-called dualities, offering the prospect of a unique underlying theory, that is so-far still largely unknown. String theories are most easily described in 10 dimensions and are characterized by a symmetry that exchanges bosons and fermions, called supersymmetry. In order to obtain agreement with our four-dimensional world, one often assumes that 6 dimensions are compact. At low energies, these theories are then described by four-dimensional supergravity theories, that combine Einstein's general relativity with supersymmetry. Lower-dimensional supergravity theories often contain a large number of scalar fields, that are for instance associated to changes in size and shape of the compact directions of space. Hence, it's interesting to see whether these scalar fields can lead to interesting cosmological solutions. Chapter 2 of the thesis contains a general introduction to cosmology and supergravity. The first section discusses how the assumptions of homogeneity and isotropy in cosmology lead to the so-called Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker universes. The dynamics of such universes is reviewed. We also review a number of observations that indicate that the universe is currently in a phase of accelerated expansion. We also give a short discussion on how scalar fields can incorporate this acceleration. In the next section, we focus on supergravity theories. After a general introduction on supersymmetry and supergravity, the supergravity theories that play a role in the thesis are introduced. This entails supergravities with 8 supercharges in 5, 4 and 3 dimensions, N=8 gauged supergravity in four dimensions and maximal supergravities in 10 and 11 dimensions. The scalars in supergravity theories generically span a non-linear sigma model, meaning that they can be seen as coordinates on some target space. These target spaces are highly restricted due to supersymmetry. Particular emphasis is then put on these geometries. The geometries relevant for the thesis are discussed. In chapter 3, we focus on ungauged supergravities, in which no potential terms for the scalar fields are present, as a first step in obtaining results on the behavior of time-dependent solutions in supergravity. In this case, a lot of interesting time-dependent solutions can be found by performing a dimensional reduction to three dimensions, finding solutions of the three-dimensional models and then lifting these solutions again to four dimensions. An interesting class of cosmological solutions in three dimensions can then be found by solving geodesic equations for the scalars in their respective target spaces. For three-dimensional Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker universes and for a specific class of target spaces, namely the maximally non-compact coset spaces, algorithmic methods for solving these geodesic equations have been obtained. In supergravity, also other target spaces appear, apart from the maximally non-compact cosets. In case the target space is a non-maximally non-compact coset space, one can perform a truncation of the scalar fields, such that the resulting scalars span a maximally non-compact coset. This procedure is known as the Tits-Satake projection for symmetric spaces. One can then find solutions of the projected model and they are automatically solutions of the original model. In this way, an interesting class of cosmological solutions can be found. The solutions of the Tits-Satake projected model do not capture all possible solutions of the original model, but in many instances, they already characterize some important properties of the overall behavior of time-dependent solutions of the non-projected models. In the thesis, we present an extension of the Tits-Satake projection, to a class of homogeneous, but not necessarily symmetric geometries. They are the so-called homogeneous special geometries, that appear in supergravity theories with 8 supercharges. They are relevant for various string theory inspired models of low energy physics. We furthermore use the Tits-Satake projection to group supergravity theories with homogeneous special geometry in universality classes, such that all models in one class exhibit a similar behavior for their cosmological solutions. After an introduction in which homogeneous special geometry is reviewed, we explain how the Tits-Satake projection is done for symmetric spaces. In this section, we introduce the notions of paint and subpaint groups. In the next section, we then show how these notions can be extended to general homogeneous special geometry. We explain how the Tits-Satake projection is done in these cases. Finally, we discuss the results of performing the projection, as well as some applications, such as using the projection to group theories in universality classes. In chapter 4, we discuss gauged supergravity theories. More specifically, we consider supergravity theories in four dimensions, with the maximal amount of supersymmetry possible and where a global symmetry group is made local. In this case, a potential is present for the scalar fields in the theory, leading to more interesting possibilities for cosmology, such as acceleration. In order to extract information on the behavior of cosmological solutions in these theories, we analyze them for so-called scaling cosmologies. For these cosmologies, the expansion is power-law. They are interesting, since a first-order analysis of the equations of motion, tells one that they correspond to attractors, saddle points and repellers, i.e., they correspond to the early-time or late-time behavior of more general cosmologies. Due to the fact that the potential in maximal, gauged, four-dimensional supergravity exhibits a very particular form, namely it is a sum of exponential terms, we are able to show that scaling cosmologies are indeed possible in these theories. We find all possible scaling cosmologies and comment on properties, such as acceleration and stability. We also give a higher-dimensional origin for these solutions and comment on the possibilities on finding scaling solutions in other supergravity theories. Recently, it has been emphasized that D-branes play a crucial role in string theory. They are essentially hyperplanes on which open strings can end. This leads to interesting gauge theories on these hyperplanes, showing that D-branes are important in obtaining phenomenologically viable models from string theory. It has also been shown that D-branes are important objects in obtaining interesting cosmological models in string theory. The dynamics of the open strings ending on the brane is at low energies described by a world-volume effective action. The bosonic terms of this effective action are well-known. The fermionic terms are however less well-known. In the last chapter of the thesis, we build on earlier results to obtain a compact and elegant formulation for the fermionic part of the D-brane action in a general supergravity background, to quadratic order in the fermions. We comment on various properties of the resulting action, such as kappa-symmetry and supersymmetry and the consistency with T-duality. The resulting action is not in canonical, Dirac-like form. By deforming the world-volume geometry in a suitable way, we establish a canonical form for the D-brane action. Finally, we end the thesis with an appendix on simple Lie algebras and real forms, an appendix on properties of real Clifford algebras and an appendix in which we summarize the conventions used throughout the thesis.

Keywords

Academic collection --- 51 --- 53 --- Theses


Dissertation
Vortex pinning in superconductors laterally modulated by nanoscale self-assembled arrays
Authors: ---
ISBN: 9789086491162 Year: 2007 Publisher: Leuven Katholieke Universiteit Leuven. Faculteit Wetenschappen

Loading...
Export citation

Choose an application

Bookmark

Abstract

In this work we studied the possibility of using nanoscale self-assembled arrays as templates to achieve periodic nanomodulation in superconducting thin films and their vortex pinning properties. The first system that was investigated was the periodic surface of a colloidal crystal grown by convective self-assembly of spherical colloidal polystyrene (PS) particles on SiO2. The top layer of the crystal consists of a closely packed (= triangular) array of nanospheres on which thin Nb films were grown. We studied crystals of nanospheres with a different diameter i.e. 357 nm and 202 nm. The Nb film thickness turned out to be crucial for achieving a reasonable level of electrical conduction in the weakly linked Nb "net" on top of the colloidal crystal. In the case of the 357 PS colloidal crystal covered with 130 nm Nb, we established the existence of a honeycomb potential of pinning centers which can be associated with the voids between the colloidal particles. The H – T phase diagram and resistance measurements indicate that this system behaves as a superconducting network, giving rise to integer and non-integer matching effects between the vortex lattice and the colloidal void lattice in magnetic fields up to 72 mT. However, the 202 nm PS colloidal crystal covered with 70 nm Nb shows that the nanosphere diameter clearly controls the vortex pinning properties of the colloidal crystal surface. Here, the resistance measurements only reveal weak pinning effects which are not entirely-field stable, apart from one single strongly pinned phase. The H – T phase diagram suggests the weak pinning to originate from purely geometric ordering effects due to competing symmetries in the colloidal lattice. Nevertheless, by using colloidal crystals of sufficiently large diameter, it is possible to observe periodic matching effects in magnetic fields covering the entire 100 G range. Currently, we are investigating the possibility of using macroscopically ordered monolayers of PS nanopsheres (monolayer) as etching mask to produce periodic pinning arrays in Nb thin film substrates (and magnetic films) and to study the effect of the nanosphere diameter on vortex pinning by magnetization and transport measurements. Futhermore, the use of neutron scattering is targetted for the study of the evolution of the vortex lattice symmetry with magnetic field in these structures. The second system that was investigated was the surface of anodized Al2O3 (AAO), which is essentially a membrane of triangularly arranged parallel hollow channels. AAO templates with different channel spacing and diameter were prepared; their surface was covered with 50 nm Nb. The superconductor mimics the periodic surface features, resulting in a Nb thin film with a triangular array of porous defects. We were able to analyze the vortex pinning properties of these system in the framework of the research conducted on lithographic antidot lattices. In the case of the template with 100 nm period and a pore diameter of 40 nm, the H – T phase diagram obtained from transport measurements indicates the existence of integer matching effects in fields up to 700 mT. The magnetization measurements showed that the "porous" antidots to act as efficient pinning centers, providing strongly increased critical currents compared to the plain reference film. Therefore, the triangular porous lattice can be labeled as a triangular lattice of "porous antidots". The second template with 50 nm period and a pore diameter of 25 nm suffered from a decrease in local order, but showed a single strong matching peak at a magnetic field close to 1T. AAO templated Nb thin films can provide enhanced critical currents and periodic matching effects in magnetic fields covering the entire 1000 G range. A practical application of nanoporous Al2O3 might be its incorporation into wires and cables as a template – matrix for Nb3Sn in the construction of high-field magnets. Recently, our interest in AAO membranes shifted partially away from the membrane surface towards the membrane itself. First, we are investigating the possibility to grow thin, long magnetic nanowires with local monopole character as a PPA system for AAO templated Nb thin films. Secondly, we are investigating the possibility to take advantage of the membrane porosity of AAO by using it as a directing or channeling guide for (superconducting or magnetic) ions to create arrays of size-dependent clusters in a host substrate. In conclusion, the analysis of the colloidal and AAO templates as topographic modulators has clearly shown that the notion and importance of the antidot in the context of superconductivity can be extended to non-lithographic, less ideal systems. Nanoscale self-assembled surfaces have evidenced to provide lateral nanostructuring which allows controlling and manipulating up to a certain degree vortex motion and critical currents in superconducting thin films. In the case of AAO, the template effect has shown to provide efficient pinning centra in a large range of temperature and magnetic field. The potential of self-assembly is not limited to the functionality produced by the surface of its structures, but can reasonably be expected to be further integrated in the solid state research on nanostructures. Inleiding De studie van supergeleiders vormt een belangrijk onderzoeksgebied binnen het domein van de vaste-stoffysica. Een materiaal in de supergeleidende toestand wordt immers gekenmerkt door een oneindige geleidbaarheid en een quasi perfecte diamagnetische respons [1]. Na de ontdekking van de hoge-temperatuur supergeleiders in 1986 [2], werd een supergeleidend analogon van vele toepassingen mogelijk geacht, in het bijzonder bij het genereren en verdelen van elektriciteit. Door het gebruik van supergeleidende kabels in elektrische netwerken, generatoren, of magneten kunnen verliezen door Joulese warmte vermeden worden, wat de efficiëntie en de schaalgrootte van zulke systemen ten goede zou komen. Enkele van de toenmalige technologische voorspellingen zijn al gerealiseerd zoals het gebruik van supergeleidende magneten bij medische NMR visualizatie, het toepassen van supergeleidende bekabeling in elektriciteitscentrales… Andere, zoals het project van de magnetisch geleviteerde trein ("MAGLEV") zijn in volle ontwikkeling of bevinden zich op het punt van (commerciële) doorbraak. Tegenwoordig wordt ook onderzoek verricht naar het functionele gebruik van supergeleiders in de verwezenlijking van passieve en actieve telecommunicatiefilters, qubits voor quantum computing, flux diodes en lenzen (zogenaamde fluxonica toestellen). De supergeleidende fase van een materiaal wordt echter beperkt door een drietal belangrijke parameters, namelijk de kritische temperatuur Tc, de kritische stroomdichtheid jc en het kritische magneetveld Hcn. Wanneer één van deze drie waardes wordt overschreden, keert het materiaal terug naar de normale toestand. Mogelijke toepassingen van supergeleiders hangen in grote mate af van de waarde van deze parameters. Daarom spitst een groot gedeelte van het onderzoek naar supergeleiders zich toe op het verhogen en manipuleren van de kritische stroom jc en het kritische magneetveld Hcn. Supergeleidende materialen van technologisch belang behoren meestal tot de klasse van type-II supergeleiders, waarin magnetische flux door middel van gekwantiseerde magnetische fluxlijnen ("vortices") het materiaal binnendringen [3]. In het geval van hoge-temperatuur supergeleiders werd aangetoond dat de introductie van defecten gecreëerd door bestraling met hoogenergetische ionen de waarde van de kritische stroom gevoelig verhoogt [4]. Het pinnen van vortices aan defecten voorkomt vortex beweging en a fortiori de verbreking van de supergeleidende toestand. Daarom worden zulke defecten pinning centra genoemd. In het recente verleden werd aangetoond dat door de geometrie van de supergeleider te beïnvloeden op een lengteschaal die vergelijkbaar is met de karakteristieke supergeleidende lengteschalen (de coherentielengte x(T) en de penetratiediepte l(T)) de kritische parameters kunnen verhoogd worden [5]. Het aanbrengen van periodische roosters van pinning centra geeft bovendien aanleiding tot zogenaamd matching effecten waarbij het rooster van vortices geometrisch in overeenstemming wordt gebracht met het rooster van pinning centra. De specifieke geometrie van rooster en pinning centra hebben een bepalende invloed op het resistief en magnetische gedrag van supergeleiders [6, 7]. De periode en de defecten in zulke lithografische geschreven patronen bezitten typisch submicron afmetingen. In het verleden werd uitvoerig aangetoond dat het introduceren van roosters van gaten de kritische stroom jc gevoelig kan verhogen t.o.v. ongestructureerde supergeleiders [8]. Het schrijven van uitgestrekte (~ cm²) homogene roosters van pinning centra in dunne polymeerfilms op Si wafers vereist tijdrovende, seriële technieken zoals elektronenbundellithografie. Deze techniek is een typische illustratie van de zogenaamde "top-down" benadering in het vervaardigen van nanostructuren. De antipode van de bovenvernoemde "top-down" methode is de "bottom-up" benadering. Archetypisch voor de "bottom-up" benadering is het concept van zelf-assemblage. Zelf-assemblage is de spontane organisatie van identieke objecten (proteïnen, moleculen, nanodeeltjes…) tot een stabiele, goed gedefinieerde, meestal periodische structuur [9]. De modulatielengte bereikbaar in zelf-geassembleerde nanostructuren kan veel kleiner zijn dan deze verkregen via courante lithografische technieken. Het topografische oppervlak van zulke zelf-geassembleerde structuren verstrekt als sjabloon een periodische laterale diktemodulatie op nanoschaal aan dunne film supergeleiders gegroeid op dit oppervlak. Hierdoor worden op een natuurlijke manier periodische roosters van pinning centra gecreëerd. In dit werk werd de mogelijkheid onderzocht om de supergeleidende kritische parameters te verhogen via het gebruik van zelf-geassembleerde nanostructuren. Daartoe werden de vortex pinning eigenschappen nagegaan van dunne supergeleidende Nb films gegroeid op het oppervlak van polystyreen colloïdale kristallen en nanoporeus aluminiumoxide. Experimentele technieken Dunne Nb films werden gegroeid door elektronenbundelverdamping in een ultra hoog vacuüm (UHV) kamer. De opdampsnelheid wordt gecontroleerd door middel van een quadrupoolmassaspectrometer. Vlakke referentiefilms werden simultaan gegroeid op Si/SiO2 substraten. Polystyreen colloïdale kristallen werden gegroeid door een gecontroleerde droging van colloïdaal polystyreen (gedispergeerd in H2O) op voorbehandelde SiO2 substraten. De colloïdale sferische deeltjes ordenen zich tijdens het drogingsproces tot een kristal, waarbij het oppervlak van het colloïdale kristal een triangulaire roosterstructuur vertoont. Er werden kristallen van colloïdale sferen met een diameter van 357 en 202 nm gegroeid. Poreuze Al2O3 membranen werden gefabriceerd door een getrapt, gecontroleerd elektrochemisch oxidatie van Al opgedampt op gedopeerde Si substraten. Parallelle poreuze kanalen in Al2O3 ordenen zich tot een nanoporeus membraan met triangulaire roosterstructuur. In dit werk werd gebruik gemaakt van poreus Al2O3 met een roosterperiode van 100 respectievelijk 50 nm en een poriediameter van 40 nm respectievelijk 25 nm. De keuze voor de supergeleider in dit onderzoek werd hoofdzakelijk bepaald door de vereiste van een relatief hoog kritisch magneetveld gezien de kleine modulatielengtes die kunnen verkregen worden door het gebruik van zelf-geassembleerde structuren. Daartoe werd Nb gekozen. Dit element heeft het hoogste kritische magneetveld van alle enkelvoudige elementen en is uitstekend bestand tegen oxidatie. In zijn nadeel spreken zijn reputatie van een "getter" materiaal (aantrekken van onzuiverheden) en zijn tendens om intrinsieke pinning centra (pinnen van fluxlijnen aan kristallijne defecten) te vormen. De karakterisering van de monsters gebeurt door middel van x-stralen diffractie, atomaire-kracht microscopie en raster elektronenmicroscopie. De Bragg-pieken in het lage-hoek q - 2q x-stralendiffractiespectrum laten een diktebepaling van de referentiemonsters toe. Uit hoge-hoek diffractiespectra kan de kristalstructuur bepaald worden. Atomaire-kracht- en elektronenmicroscopie verlenen een gedetailleerd beeld van de oppervlaktestructuur voor en na de groei van Nb. In het geval van atomaire-kracht microscopie (AFM) wordt het oppervlak in beeld gebracht door met een zeer scherpe naald het oppervlak af te tasten. De beweging van de naald wordt met behulp van een laserstraal gedetecteerd. Atomaire-kracht microscopie werd in dit werk gebruikt om een idee van de oppervlakteruwheid en de laterale dimensies in de monsters te verkrijgen. Bij raster elektronenmicroscopie (SEM) wordt het monsteroppervlak afgetast met een gerasterde elektronenstraal, waarbij de weerkaatste elektronen worden afgeleid, opgevangen en een gerasterde intensiteitsdistributie als beeld opleveren. In dit werk was elektronenmicroscopie vooral nuttig om de structuur van grote oppervlakken in beeld te brengen en om een idee van de laterale dimensies te verkrijgen daar waar atomaire-kracht microscopie ontoereikend bleek. Elektrische transportmetingen (weerstand in functie van temperatuur (R(T)) en magneetveld (R(H)) en V(I) stroom-spanningskarakteristieken) werden uitgevoerd in een He-cryostaat met een 9T supergeleidende magneet. De magnetische respons van de gemoduleerde supergeleidende films werd opgemeten in een SQUID- en VSM - magnetometer. Vortex pinning in Nb gemoduleerd door colloïdale kristallen van sferisch polystyreen In dit hoofdstuk hebben we de vortex pinning eigenschappen bestudeerd van supergeleidende dunne Nb films gegroeid op colloïdale kristallen. Drie-dimensionale periodische roosters (multilagen) van sferische polystyreen (PS) deeltjes werden gefabriceerd via de techniek van convectieve zelf-assemblage. Het periodische colloïdale oppervlak fungeert als een sjabloon tijdens de filmgroei. Door de sferische vorm van de colloïdale deeltjes werd een periodische diktemodulatie bekomen in dunne film supergeleiders. Er werden PS sferen met een diameter van 357 en 202 nm gebruikt. De partikeldiameter en kristalsymmetrie werden onderzocht en geverifieerd met AFM en elektronenmicroscopie. De 357 nm en 202 nm PS kristallen werden bedekt met een 130 nm respectievelijk 70 nm dikke Nb film. De Nb filmdikte bleek cruciaal om voldoende elektrische geleiding te creëeren in de gelinkte Nb "netten" gedeponeerd op de colloïdale kristallen. Om de supergeleidende eigenschappen van deze structuren te onderzoeken, werd een masker van Au contacten gedeponeerd op de monsters om 4-punts transportmetingen uit te voeren. Afhankelijk van


Dissertation
Magnetization reversal and domain structure in the polycrystalline Co/CoO exchange bias system
Authors: ---
ISBN: 9789086491292 Year: 2007 Publisher: Leuven Katholieke Universiteit Leuven. Faculteit Wetenschappen

Loading...
Export citation

Choose an application

Bookmark

Abstract

Inleiding Magnetisme speelt een belangrijke rol in de huidige technologische samenleving en wordt gebruikt in tal van toepassingen. Op medisch vlak wordt magnetisme zinvol toegepast in scanners met een hoge resolutie. Verder wordt er veel onderzoek verricht naar magnetische nanodeeltjes die nuttig kunnen zijn bij het bestrijden van verschillende ziektes. Dergelijke magnetische deeltjes kunnen gebruikt worden om medicijnen te vervoeren naar een specifieke plaats in het lichaam, bv. een tumor. Deze deeltjes kunnen namelijk gestuurd worden door het aanleggen van een magneetveld. Andere voorbeelden van de toepasbaarheid van magnetisme kan men vinden in de huidige informatie- en communicatietechnologie. Denk maar aan videobanden, kredietkaarten, sensoren, harde schijven, … Omwille van de huidige en nieuwe aanstromende technologie, blijft magnetisme een uitdagend onderzoeksdomein. In deze thesis wordt het exchange bias effect onderzocht in polykristallijne Co/CoO dubbellagen. Dit exchange bias effect wordt gekarakteriseerd door een horizontale verschuiving van de ferromagnetische hysteresislus en is het gevolg van de ‘exchange’ koppeling aan het grensvlak tussen een ferromagnetische laag (bv. Co, Fe, Ni,… ) en een antiferromagnetische laag (bv. CoO, FeMn, NiO,… ). De antiferromagnetische laag wordt bijna niet beïnvloed door een uitwendig aangelegd magneetveld aangezien dergelijk materiaal geen macroscopische magnetisatie bezit. Bijgevolg kan de magnetisatie van de ferromagnetische laag gestabiliseerd worden in een bepaalde richting door deze te koppelen met een antiferromagnetische laag. Dergelijke stabilisatie van de ferromagnetische laag werd reeds in 1956 ontdekt door Meiklejohn en Bean, maar tot op heden is er nog steeds geen betrouwbare theoretische verklaring voor dit fenomeen. De grootste oorzaak voor het uitblijven van een goed inzicht is de moeilijkheid om de magnetische configuratie van beide lagen aan het grensvlak zichtbaar te maken. Het resultaat is dat er vandaag verschillende theoretische modellen bestaan die andere fysische parameters gebruiken, zoals ruwheid, korrelgrootte, een al dan niet gecompenseerde antiferromagnetische grenslaag, loodrechte koppeling, anisotropieëen,… Naast de horizontale verschuiving van de hysteresislus die het exchange bias effect karakteriseert, zijn er nog andere fenomenen die met dit effect direct in verband kunnen gebracht worden, zoals een verbreding van de hysteresislus, een training effect, een asymmetrische hysteresislus, magnetische relaxatie, een verticale verschuiving van de hysteresislus en een positief exchange bias effect. De microscopische oorsprong van sommige van deze fenomenen is nog steeds onduidelijk. Eén van deze fenomenen, het training effect, is het onderwerp van deze thesis. Het training effect is een geleidelijke vermindering van de horizontale verschuiving van de hysteresislus wanneer de dubbellaag aan opeenvolgende hysteresislussen wordt onderworpen. Het is algemeen aanvaard dat het training effect verbonden is met een gewijzigde spinstructuur van de antiferromagnetische laag ten gevolge van een cyclisch variëerend magneetveld. De microscopische oorsprong van het training effect is evenwel nog altijd een onderwerp van discussie. Dit wordt weerspiegeld door de verschillende modellen met uiteenlopende fysische achtergronden die het training effect proberen te verklaren. Het doel van de thesis is tweeledig. Eerst en vooral willen we meer inzicht verwerven in het training effect en de daarbij horende ferromagnetische domeinstructuur in polykristallijne Co/CoO dubbellagen. Het Co/CoO exchange bias systeem werd geselecteerd omdat het gekend staat voor een uitgesproken training effect en asymmetrische hysteresislus onmiddellijk na koelen in de aanwezigheid van een uitwendig magneetveld. Als tweede doel werd er vooropgesteld om het training effect terug te draaien, of met andere woorden, de dubbellagen terug te initialiseren naar de toestand die wordt bekomen na veldkoelen. Twee methoden worden toegepast om de dubbellagen naar hun oorspronkelijke toestand te laten terugkeren. Bij de eerste methode wordt er een groot magneetveld aangelegd in de richting van het koelveld. Bij de tweede methode wordt er een hysteresislus uitgevoerd in het vlak, maar loodrecht op de koelrichting. De tweede methode blijkt veel efficiënter voor het recupereren van de originele toestand van de dubbellagen na veldkoelen. Experimentele technieken De structuur van de CoO laag wordt bestudeerd met behulp van x-stralenreflectometrie en atomaire krachtmicroscopie. De atomaire krachtmicroscoop gebruikt een zeer scherpe naald (tip) die het oppervlak aftast en hierbij de van der Waals interactiekracht tussen tip en sample detecteert. Op deze manier wordt een topografisch beeld van het oppervlak gevormd. Voor het bestuderen van de ferromagnetische Co laag worden verschillende technieken aangewend. Er werd een lage temperatuur magnetische krachtmicroscoop (LT-MFM) gebouwd om de domeinstructuur van de Co laag tijdens de verschillende stadia van de hysteresislus te bestuderen. De LT-MFM maakt gebruik van hetzelfde principe als de atomaire krachtmicroscoop. Bij de LT-MFM wordt de tip bedekt met een dun magnetisch laagje en bijgevolg kan men de magnetische interactie tussen de tip en het sample-oppervlak opmeten. Op deze manier kan de domeinstructuur van het sample in beeld gebracht worden. Fig. 1 (zie samenvatting doctoraatsproefschrift) toont de belangrijkste onderdelen van de huisgebouwde LT-MFM opstelling. De LT-MFM wordt afgekoeld in een cryogene opstelling die gekenmerkt wordt door 3 onafhankelijke supergeleidende spoelen. Bijgevolg kan een magneetveld aangelegd worden in de 3 ruimtelijke richtingen, wat een grote meerwaarde betekent voor de LT-MFM. De magnetisatie-metingen van de ferromagnetische Co laag worden uitgevoerd met behulp van het magneto-optisch Kerr effect (MOKE) bij kamertemperatuur. Het anisotrope magnetoweerstandseffect (AMR), de ‘vibrating sample magnetometer’ (VSM) en gepolariseerde neutronenreflectometrie (PNR) worden aangewend om de magnetisatie van de Co laag te bestuderen bij lage temperatuur. Het AMR effect wordt nauwkeurig opgemeten door de Co/CoO dubbellaag te integreren in een Adler-Jackson weerstandsbrug. De AMR metingen worden uitgevoerd in de cryogene opstelling die ook voor de LT-MFM metingen gebruikt wordt. Gepolariseerde neutronenreflectometrie (PNR) wordt gebruikt om de magnetisatie-richtingen van de ferromagneet tijdens de verschillende hysteresislussen na te gaan. De metingen worden uitgevoerd met de V6 reflectometer-opstelling in het Hahn-Meitner-instituut te Berlijn. De gepolariseerde neutronen, waarvan het magnetisch moment parallel (up) of antiparallel (down) georiëenteerd is met het aangelegde veld, worden weerkaatst op het sample. De intensiteit van de gereflecteerde neutronenbundel wordt opgemeten door een detector die zodanig gepositioneerd is dat de weerkaatsingshoek identiek is aan de invalshoek. Door gebruik te maken van een analysator, gepositioneerd net voor de detector, kunnen 4 verschillende intensiteiten (R++, R--, R-+ en R+-) opgemeten worden. De R++ en R-- signalen, waarbij het magnetisch moment van de neutronen onveranderd blijft, geven informatie over de structuur en de magnetisatie-component van het sample in het vlak dat evenwijdig is met het aangelegde veld. De R+- en R-+ reflectiviteiten, waarbij het magnetisch moment van de neutronen omkeert door interactie met het sample, geven enkel informatie van magnetische oorsprong. De spin-flip reflectiviteiten zijn evenredig met het kwadraat van de magnetisatie-component in het vlak van het sample en loodrecht op het aangelegde veld. Karakterisatie van de structurele en magnetische eigenschappen De polykristallijne Co/CoO dubbellagen worden vervaardigd door het opdampen van ongeveer 20 nm Co bij kamertemperatuur op een geoxideerd Si substraat door middel van DC magnetronverstuiving (DC-sputtering) of moleculaire-bundel-epitaxie. Vervolgens wordt de gegroeide Co laag in situ in een zuurstofatmosfeer gebracht bij een druk van ongeveer 10-3 mbar gedurende 2 minuten. Uit atomaire krachtmicroscopie volgt dat de CoO laag een typische korrelstructuur heeft met een gemiddelde diameter van ongeveer 26 nm. De verdeling van de korrelgroottes kan benaderd worden door een lognormale verdeling. Uit de x-stralenmetingen blijkt dat de dikte van de CoO laag ongeveer 2 nm is. X-stralenmetingen tonen verder aan dat de Co laag voornamelijk bestaat uit een polykristallijne hexagonale dichtgepakte structuur. MOKE metingen bij kamertemperatuur laten zien dat er een uniaxiale anisotropie aanwezig is in de Co laag, consistent met de hexagonale kristalkorrels. De temperatuursafhankelijkheid van de weerstand van de Co laag kan beschreven worden met behulp van de Bloch-Grüneisen integraal. De parameter m in de Bloch-Grüneisen integraal neemt de waarde 3 aan tijdens de fit procedure, wat verklaart kan worden doordat de Co laag een korrelige structuur heeft. Electron-magnon verstrooiing in Co is verwaarloosbaar klein, en bijgevolg wordt de temperatuursafhankelijkheid van de weerstand beschreven door een T3 wet. Het trainingseffect in Co/CoO dubbellagen Het exchange bias effect in de Co/CoO dubbellaag wordt tot stand gebracht door het systeem te koelen in de aanwezigheid van een magneetveld. Het magneetveld is noodzakelijk om de ferromagneet te satureren, maar verder is de grootte van het magneetveld onbelangrijk. Fig. 2 (zie samenvatting doctoraatsproefschrift) toont de eerste drie hysteresislussen nadat het systeem gekoeld werd tot 5K in een magneetveld van 400 mT. De hysteresislussen vertonen een duidelijke horizontale verschuiving in de tegengestelde richting als de koelveldrichting. In de eerste hysteresislus kan een duidelijke asymmetrische vorm waargenomen worden. De eerste magnetisatie-omkering in de afnemende tak is abrupt en wordt gedomineerd door domeinwandverschuiving. De daaropvolgende magnetisatie-omkeringen zijn meer geleidelijk en worden gekarakteriseerd door een rotatie van de magnetisatie. Het training effect in Co/CoO dubbellagen kan beschreven worden met een model waarbij vele onafhankelijke antiferromagnetische korrels met een grootte Gi gekoppeld zijn aan één enkel ferromagnetisch domein. Volgens Hoffmann zijn er meerdere gemakkelijke assen nodig om het training effect te observeren. Bijgevolg wordt elke antiferromagnetische korrel opgebouwd uit verschillende (drie) gemakkelijke assen en die assen zijn willekeurig georiënteerd tussen de verschillende korrels. Verder wordt er een ferromagnetische interactie verondersteld tussen de ongecompenseerde antiferromagnetische magnetisatie en het ferromagnetische domein. De totale energie van het model is de som van de antiferromagnetische magneto-kristallijne anisotropie energie, de exchange koppelingsenergie en de Zeeman energie. Het model is in staat het training effect in Co/CoO dubbellagen te beschrijven. De minimalisatie van de energie toont aan dat na veldkoelen de ongecompenseerde magnetisatie van de antiferromagnetische korrels gemiddeld langs de koelrichting gericht is. Na een volledige hysteresislus maakt de ongecompenseerde antiferromagnetische magnetisatie bij saturatie gemiddeld een hoek van -21.5° met het aangelegde magnetische veld. De richtingsverandering van de gemiddelde ongecompenseerde antiferromagnetische magnetisatie is de oorzaak van het trainingseffect. Om een beeld te vormen over de veranderende domeinstructuur van de ferromagnetische Co laag tijdens het training effect worden LT-MFM metingen uitgevoerd. Na veldkoelen wordt er geen magnetisch contrast waargenomen, maar na de eerste magnetisatie-omkering tijdens de afnemende tak van de hysteresislus ontstaat een duidelijke magnetische structuur met een golflengte van ongeveer 1 m. De magnetische domeinen blijven zelfs zichtbaar bij het aanleggen van een magneetveld dat de ferromagneet satureert. De LT-MFM metingen zijn in overeenstemming met de AMR metingen, die een weerstandsverandering aan het licht brengen na de eerste magnetisatie-omkering. De weerstandsverandering wijst op een verandering van de ferromagnetische domeinstructuur. De terugkeer naar de oorspronkelijke toestand Een tweede doelstelling van deze thesis is de dubbellaag terug te initialiseren naar de toestand die bekomen wordt na veldkoelen, zonder het sample terug op te warmen. Een voor de hand liggende methode is het aanleggen van een groot magneetveld in de koelrichting om op die manier de ongecompenseerde antiferromagnetische magnetisatie terug in de veldkoelrichting te brengen. Er wordt aangetoond dat het aanleggen van een DC magneetveld van 12 T onvoldoende is om de ongecompenseerde magnetisatie duidelijk te beïnvloeden. Om nog hogere velden te bekomen wordt een gepulst magneetveld van 34.5 T aangelegd langs de veldkoelrichting. Fig. 3(a) (zie samenvatting doctoraatsproefschrift) toont de eerste twee hysteresislussen na veldkoeling, waarbij tijdens de eerste magnetisatie-omkering een kleine weerstandsverandering optreedt en de daaropvolgende magnetisatie-omkeringen komen overeen met een grote weerstandsverandering. Dit wijst op domeinwandverschuiving tijdens de eerste magnetisatie-omkering en rotatie tijdens de daaropvolgende omkeringen. Fig. 3(b) (zie samenvatting doctoraatsproefschrift) geeft twee hysteresislussen weer die gemeten zijn na het aanleggen van een gepulst veld van 34.5 T. De magnetisatie-omkering in de afnemende tak van de hysteresislus na het gepulste veld wordt gekarakteriseerd door minder rotatie (kleinere weerstandsverandering) en vindt plaats bij een hoger negatief veld in vergelijking met de getrainde lus. Dit is de eerste keer dat een duidelijke toename van de horizontale verschuiving van de hysteresislus wordt waargenomen door het aanleggen van een gepulst veld langs de koelrichting. De toename van het exchange bias effect is ook een indirect bewijs van de ferromagnetische koppeling tussen de Co en de CoO laag. De resultaten van het aanleggen van een gepulst veld kunnen niet verklaard worden door gebruik te maken van voorgaande energievergelijking, aangezien er geen term aanwezig is die de ongecompenseerde antiferromagnetische magnetisatie direct koppelt met het uitwendige magneetveld. Men zou dit kunnen oplossen door een term in de energievergelijking bij te voegen die Zeeman-energie tussen het ongecompenseerde moment van de antiferromagnetische korrels en het uitwendige veld afschat. Dergelijke term is verantwoordelijk voor het richten van de ongecompenseerde antiferromagnetische magnetisatie langs de veldkoelrichting. Een tweede en efficiëntere manier om de Co/CoO dubbellaag terug te brengen naar zijn originele toestand na veldkoelen is het aanleggen van een hysteresislus in het vlak van het sample en loodrecht op de veldrichting. Dit wordt verder de loodrechte hysteresislus genoemd. Dit verrassende resultaat is samengevat in Fig. 4 (zie samenvatting doctoraatsproefschrift). Voor elk datapunt in Fig. 4(a) (zie samenvatting doctoraatsproefschrift) wordt de Co/CoO dubbellaag gekoeld in een magneetveld van 400mT totdat een temperatuur van 10K bereikt wordt. Vervolgens worden twee hysteresislussen gemeten langs het koelveld om de asymmetrie de eerste hysteresislus te verwijderen. Nadien wordt een loodrechte hysteresislus aangelegd met een maximaal magneetveld dat is weergegeven op de horizontale as van Fig. 4(a) (zie samenvatting doctoraatsproefschrift). Tenslotte wordt er opnieuw een hysteresislus aangelegd langs de koelrichting en wordt er nagegaan of de originele toestand na veldkoelen terug wordt bekomen. Elk datapunt van de grafiek stelt de asymmetriegraad voor en deze is gedefinieerd als het hoogteverschil tussen beide AMR pieken gedeeld door de verandering van het AMR signaal bij het tweede coërcitieve veld. Wanneer het loodrechte veld een maximale waarde van 150 mT bereikt, wordt de initiële toestand na veldkoelen grotendeels hersteld (zie Fig. 4(b) in de samenvatting van het doctoraatsproefschrift). Het is merkwaardig dat de asymmetrie opnieuw verdwijnt als het loodrechte magneetveld groter is dan 400 mT. PNR en SQUID metingen bevestigen het heroptreden van de initiële toestand. LT-MFM metingen tonen verder aan dat de domeinstructuur, die na de eerste magnisatie-omkering ontstaat, gedeeltelijk kan verwijderd worden door het uitvoeren van de loodrechte hysteresislus. Er wordt aangetoond dat het effect van het aanleggen van een loodrechte hysteresislus volledig kan verklaard worden met behulp van de energie vergelijking. Wanneer in de berekeningen het maximale loodrechte veld een waarde bereikt van 90 mT, zal de ongecompenseerde magnetisatie gemiddeld gericht zijn volgens de koelveldrichting en bijgevolg wordt de initiële situatie na veldkoelen opnieuw bekomen. Hoe meer het loodrechte veld de waarde van 90 mT overschrijdt, hoe verder de ongecompenseerde antiferromagnetische magnetisatie zich gemiddeld van de koelrichting verwijdert. Bijgevolg verdwijnt de asymmetrische hysteresislus opnieuw. Aangezien het uitgebreide Fulcomer en Charap model het effect van de loodrechte hysteresislus volledig beschrijft,


Dissertation
Electron spin resonance probiding of point defects in functional oxides and Si/high-K structures
Authors: ---
ISBN: 9789086491247 Year: 2007 Publisher: Leuven Katholieke Universiteit Leuven. Faculteit Wetenschappen

Loading...
Export citation

Choose an application

Bookmark

Abstract

Tegenwoordig verwachten we dat onze gebruiksvoorwerpen gebaseerd op halfgeleidertechnologie steeds kleiner, sneller, multifunctioneler, en –als het even kan– ook nog goedkoper worden. Gedurende jaren is de industrie er in geslaagd om tegemoet te komen aan deze eisen door onder andere miniatuur GSMs, MP3-spelers, foto- en videocamera’s, en labtops op de markt brengen. Het woord “nano” is zelfs boven zijn wetenschappelijke betekenis (eenheid prefix) uitgestegen en werd het toverwoord in de reclame wereld om alles, van elektronica tot waspoeder, aan de man te brengen. De elementaire eenheid die decennia lang aan de basis lag van alle geavanceerde toepassingen was de Si/SiO2-structuur. Het succes van de halfgeleiderindustrie was tot nu toe gebaseerd op de schaalbaarheid van de Si/SiO2-gebaseerde micro-elektronica: krachtigere chips konden bekomen worden door de afmetingen van de metaal-oxide-halfgeleider (MOS) componenten steeds kleiner te maken. Op dit moment is het punt echter bereikt waar verdere “schaling” van de Si/SiO2-gebaseerde componenten onmogelijk wordt vermits dit zou leiden tot zware problemen met de performantie en betrouwbaarheid van de MOS componenten. De nieuwe generatie transistoren zal alternatieve “nieuwe” isolerende poortmaterialen nodig hebben. Een voor de hand liggende oplossing is het gebruik van een isolator met een hogere diëlektrische constante (k) waardoor een fysisch dikkere oxide laag kan gebruikt worden zonder dat de capaciteit van de poort hierbij moet inboeten. Het gebruik van zulk een alternatief poortoxide in de plaats van het uitgebreid bestudeerde SiO2-oxide brengt natuurlijk onverwachte problemen met zich mee zoals de vorming van een tussenlaag en diffusie van additieven. Er zijn al talrijke studies die handelen over verschillende van deze kandidaat hoge-k materialen maar uiteindelijk blijven we achter met meer vragen dan antwoorden. In een poging om enkele van deze vragen te beantwoorden werden in deze thesis drie van deze hoge-k materialen bestudeerd: ZrO2, HfO2, en LaAlO3. Een ander gevolg van de huidige nano-rage is de stijgende populariteit van, o.a., nano-deeltjes, nano-draden, en nano-buisjes. Wanneer men oxides schaalt tot deze kleine dimensies (~10-8-10-9 m) veranderen echter hun elektrische en optische eigenschappen, waadoor onderzoekers weer van voor af aan kunnen beginnen met het bepalen van de materiaaleigenschappen. Verwikkeld in een strijd om oplossingen te vinden voor al deze nieuwe problemen die zich aandienen is zowel het toegepast als het fundamentele onderzoek naar nano-structuren de laatste jaren exponentieel gegroeid. Hierbij werd de toenemende impact van de aanwezigheid van defecten blootgelegd, zowel in de kern van de nano-materialen als aan de halfgeleider/oxide grenslaag in MOS-structuren. De aanwezigheid van één enkel puntdefect kan een bepalend, meestal negatief effect hebben op de optische en elektrische eigenschappen zoals fotoluminescentie, geleiding, en dopering van nano-deeltjes. Om een beter begrip te krijgen van de negatieve invloeden die deze puntdefecten kunnen hebben is het van cruciaal belang dat we kennis kunnen verwerven wat betreft de fysische structuur van die defecten. Elektron spin resonantie (ESR) is hiervoor de uitgelezen techniek. Voorwaarden zijn dat de defecten een magnetisch moment (“spin”) hebben en in voldoende aantal aanwezig zijn in het te onderzoeken systeem (typisch 1010-1012 magnetisch centra). In deze thesis zal ESR dan ook aangewend worden om optredende puntdefecten te monitoren, karakteriseren, en identificeren in een aantal materialen die mogelijk gebruikt kunnen worden in toekomstige halfgeleider nano-technologieën. In een eerste fase werden pyrolytisch gevormde SiO2-nano-deeltjes bestudeerd, met de bedoeling om via de analyse van de ESR-eigenschappen van ingebedde intrinsieke puntdefecten, informatie te verkrijgen op reële atomaire schaal van de invloed van de sterke dimensionele reductie. Ter verhoging van de detectiviteit en resolutie werd het ESR-onderzoek uitgevoerd in combinatie met verschillende types van bestraling, zoals UV, VUV, en 60Co-gamma straling. Voor het eerst werden in de nano-deeltjes verschillende puntdefecten gedetecteerd zoals E’, het zuurstof peroxy-radicaal, het methyl radicaal, en een ongekend signaal met axiale symmetrie (g//=2.0041, g * * * * * * * Today, we want our devices based on semiconductor devices to be ever smaller, faster, more multi-functional, and, if possible, also cheaper. For years now industry has been able to meet these demands bringing e.g., tiny cell phones, MP3-players, photo and video cameras, and laptops on the market. The word 'nano' has even surpassed its scientific meaning (unit prefix) and became the magic word to sell electronic devices and even washing-powder. Up to present, the success of semiconductor-based industry has been the scalability of the microelectronics. More powerful chips could be realized through scaling of the metal-oxide-semiconductor (MOS) device dimensions. Using the Si/SiO2 entity as basic building block, this down-scaling was successfully accomplished for gate thicknesses down to the 1-nm range. At this very moment, however, semiconductor industry has reached the end of the road for pure Si/SiO2 based technology. Further down-scaling of the SiO2 gate oxide layer would induce excessive leakage currents because of direct tunneling, and moreover, serious reliability problems. This means that to keep on track with the requested advances in semiconductor devices an alternative "new" gate insulating material will be required for future generations of MOS devices. As an obvious solution, an insulator with a higher value of dielectric constant (k) would allow one to use a physically thicker oxide layer retaining the same gate capacitance. The use of such an alternative insulator instead of the extensively studied SiO2 oxide brings about unforeseen problems associated with, e.g., interlayer formation and dopant penetration. Many candidate materials have been studied, leaving us with more questions than answers. In search for some fundamental answers three of these so-called high-k materials, ZrO2, HfO2, and LaAlO3, were studied in this thesis and are the subject of chapters 3 and 4. Another outcome of the current nano-wave is the rising popularity of, e.g., nanoparticles, nanowires, and nanotubes. Scaling down the SiO2 dielectric to such small dimensions, however, changes its electrical and optical properties, opening a whole new area of research. The characterization of the structure of SiO2 nanoparticles is the subject of chapter 2. The last few years, applied and fundamental research of nano-structures has grown exponentially revealing the upcoming relative impact of defects in the core of the nano-materials (nanoparticles, nanotubes, ultrathin layers) as well as at the interface. The study of point defects subsequently became of general interest since the presence of one single point defect can play a crucial definite part in the optical and electronic properties, such as, e.g., photoluminescence, doping of semiconductor nanoparticles, and conduction (in e.g., carbon nanotubes), of the nano-structures. To gain a better understanding of the detrimental influence of the presence of point defects atomic identification of occurring point defects is of vital importance. Up to the present the only known technique able to reveal the required atomic-scale information is electron spin resonance. Hence, in this thesis we will use electron spin resonance to monitor, characterize, and hopefully identify occurring point defects in a range of materials of interest for future developments in semiconductor nano-technology. The outline of this thesis is as follows: Chapter 1 starts with a summary of some elementary notions of the theory and practice of electron spin resonance experiments. Further a brief overview of the characteristics of some occurring defects is Si/SiO2 and in Si/high-k structures is given. In chapter 2 an extensive electron spin resonance study is presented of fumed silica nanoparticles. Monitoring occurring point defects as a function of post-formation heating and treatment revealed interesting atomic-scale information concerning the particles' network structure. The third chapter reports on the observation of P-impurity related point defects in nm-thick P-implanted HfO2 films on (100)Si and in ZrO2 powder -two oxides prominent in current high-k insulator research. It is shown that the incorporation of P in these high-k oxides results in ESR-active defects possibly acting as hole traps. This finding is important in view of the observed enhanced dopant penetration through HfO2 layers during the necessary dopant activation anneals. The study of the nature and stability of the (100)Si/LaAlO3 interface is the subject of chapter 4. Here it is demonstrated that the interface is abrupt and stable for annealing up to about 800 °C. It is evidenced that upon annealing in the range 800-860 °C a Si/SiO2-type interlayer starts forming. Upon annealing at temperatures higher then 930 °C the interlayer with SiOx nature is found to break up. The latter is possibly related crystallization and possibly silicate formation. In the last chapter the influence of ion implantation in amorphous bulk SiO2 was studied. In cooperation with R. Weeks (Vanderbilt University, USA), R. Magruder (Belmont University, USA), and R. Weller (Vanderbilt University, USA) the densities of observed defects were compared to the optical absorption bands around 4.8 and 5.3 eV. In this manner information could be obtained concerning the source of the optical absorptions. This thesis ends with a summary and general conclusions of the experimental work performed. Tegenwoordig verwachten we dat onze gebruiksvoorwerpen gebaseerd op halfgeleidertechnologie steeds kleiner, sneller, multifunctioneler, en – als het even kan- ook nog goedkoper worden. Gedurende jaren is de industrie er in geslaagd om tegemoet te komen aan deze eisen door onder andere miniatuur GSMs, MP3-spelers, foto- en videocamera’s, en labtops op de markt brengen. Het woord “nano” is zelfs boven zijn wetenschappelijke betekenis (eenheid prefix) uitgestegen en werd het toverwoord in de reclame wereld om alles, van elektronica tot waspoeder, aan de man te brengen. De elementaire eenheid die decennia lang aan de basis lag van alle geavanceerde toepassingen was de Si/SiO2-structuur. Het succes van de halfgeleiderindustrie was tot nu toe gebaseerd op de schaalbaarheid van de op Si/SiO2-gebaseerde micro-elektronica: krachtigere chips konden bekomen worden door de afmetingen van de metaal-oxide-halfgeleider (MOS) componenten steeds kleiner te maken. Op dit moment is het punt echter bereikt waar verdere “schaling” van de Si/SiO2-gebaseerde componenten volgens de “klassieke” weg onmogelijk wordt vermits dit zou leiden tot onaanvaardbare problemen met de performantie en betrouwbaarheid van de MOS componenten. De nieuwe generatie transistoren zal alternatieve “nieuwe” isolerende poort materialen nodig hebben. Een voor de hand liggende oplossing is het gebruik van een isolator met een hogere diëlektrische constante (k) waardoor een fysisch dikkere oxide laag kan gebruikt worden zonder dat de capaciteit van de poort hierbij moet inboeten. Een ander gevolg van de huidige nano-rage is de stijgende populariteit van, o.a., nano-deeltjes, nano-draden, en nano-buisjes. Wanneer men oxides schaalt tot deze kleine dimensies (~10-8-10-9 m) veranderen echter hun elektrische en optische eigenschappen, waadoor onderzoekers weer van voor af aan kunnen beginnen met het bepalen van de materiaaleigenschappen. De toenemende miniaturisatie heeft tot gevolg dat de relatieve impact van atomaire defecten ¾afwijkingen van de standaard samenstelling en ordening van de materie op atomaire schaal¾ drastisch toeneemt. De elektron spin resonantie (ESR) techniek is de uitgelezen techniek voor de observatie, en vooral, identificatie van zulke defecten. In deze thesis werd ESR dan ook aangewend om optredende puntdefecten te monitoren, karakteriseren, en identificeren in een aantal materialen die mogelijk gebruikt kunnen worden in toekomstige halgeleider nano-technologieën. In een eerste fase werden pyrolytisch gevormde SiO2-nanodeeltjes bestudeerd, met de bedoeling om via de analyse van de ESR-eigenschappen van ingebedde intrinsieke puntdefecten, informatie te verkrijgen op reële atomaire schaal van de invloed van de sterke dimensionele reductie. Voor het eerst werden in de nano-deeltjes verschillende puntdefecten gedetecteerd (zoals E’ en het zuurstof peroxy-radicaal). Een grondige studie van de ESR-parameters van deze defecten als functie van onder andere bestraling en de postdepositie warmtebehandeling leverde een bijkomend inzicht in de specifieke structuur van de nanodeeltjes op atomair niveau. In een tweede luik werden enkele veel belovende hoge-k oxiden bestudeerd: We slaagden erin om P-onzuiverheid gerelateerde puntdefecten te observeren in nm-dunne P-geïmplanteerde HfO2-lagen op (100)Si en in ZrO2-poeder. Er werd aangetoond dat de integratie van P in deze hoge-k oxiden resulteert in ESR-actieve puntdefecten. Vermits er een versterkte diffusie van additieven (P) werd vastgesteld in HfO2-lagen is de identificatie van resulterende P-geassocieerde defecten van cruciaal belang. Deze defecten kunnen immers optreden als schadelijke ladingsvallen. Als laatste binnen het hoge-k hoofdstuk werd de natuur en stabiliteit van de (100)Si/LaAlO3 grenslaag bestudeerd. Er werd aangetoond dat de grenslaag abrupt en stabiel is voor warmtebehandelingen tot ongeveer 800 °C. Na een warmtebehandeling bij 800-860 °C begint zich echter een Si/SiO2-type grenslaag te vormen. Deze SiO2(x) natuur van de interlaag blijkt echter terug op te breken na een warmtebehandeling bij temperaturen hoger dan 930 °C. Dit is mogelijk gerelateerd met kristallisatie en/of silicaat vorming. In een laatste hoofdstuk werd gekeken naar de invloed van ionenimplantatie (O en Si) in amorf SiO2. In samenwerking met R. Weeks (Vanderbilt University, USA), R. Magruder (Belmont University, USA) en R. Weller (Vanderbilt University, USA) werden de geobserveerde ESR-defect dichtheden vergeleken met de optische absorptie banden rond 4.8 eV en 5.3 eV. Zo kon informatie verkregen worden over de bron van de geobserveerde optische absorpties.

Keywords

Academic collection --- 669 --- 53 --- 669 Metallurgy --- Metallurgy --- Theses


Book
La celebrazione del matrimonio cristiano : il nuovo rito nel contesto delle attuali problematiche culturali e sociali.
Author:
ISBN: 9788861240025 886124002X Year: 2007 Volume: 2 Publisher: Trapani Il pozzo di Giacobbe

Loading...
Export citation

Choose an application

Bookmark

Abstract


Book
Evaluatie van de ruimtelijke spreiding, het gebruik en het partnerschap van de werkwinkel
Authors: ---
ISBN: 9789055504275 Year: 2007

Loading...
Export citation

Choose an application

Bookmark

Abstract


Book
Het grote spinnenboek : ontpop je tot een echte spinnenkenner.
Authors: ---
ISBN: 9789058780355 Year: 2007 Publisher: Thorn Cyclone

Loading...
Export citation

Choose an application

Bookmark

Abstract


Book
Proza 1906 - 1916 : očerki, statʹi, recenzii.
Author:
ISBN: 9785902152491 Year: 2007 Publisher: Moskva Ellis Lak 2000

Loading...
Export citation

Choose an application

Bookmark

Abstract

Listing 1 - 10 of 57 << page
of 6
>>
Sort by