Production and characterisation of composites materials based on Ge nanoparticles-doped dielectric layer

Abstract

The main goal of this project was the processing and structural, chemical and optical characterisation of nanocomposite thin film Germanium (Ge) semiconductor nanoparticles (NPs) embedded in Alumina (Al2O3) layer. Such type of materials structures has several potential applications, mainly in electronics and optoelectronic devices like it is the case of memory or light emitting devices (LED’s). Stand-alone Alumina films were initially produced and studied as the reference starting point. The nanocomposite were produced by RF-magnetron sputtering technique. A significant number of characterisation techniques were used in order to evaluate the nanocomposite properties, namely X-ray diffraction (XRD), Raman scattering, scanning and transmission electron microscopy (SEM and TEM), Rutherford backscattering spectroscopy (RBS), and photoluminescence (PL). The results and discussion, based on the particular findings revealed by the detailed analysis of all data from each characterisation technique, are presented cautiously. The study of the deposition and annealing parameters led to processing parameters optimization. The ability to (re)produce such type of materials structures is discussed. The conclusions are presented in a concise way. Ultimately, some light emission that might be related to excitonic recombination in the Germanium nanocrystals was observed during PL measurements. The temperature dependence of the PL demonstrates the confinement effect.

Este trabalho teve como objectivo o processamento e a caracterização estrutural, química e óptica de filmes finos de nanocompósitos de Alumina com nanopartículas de Germânio. Estes materiais possuem várias potenciais aplicações, sobretudo em dispositivos electrónicos e opto-electrónicos como são o caso de dispositivos de memória ou emissores de luz (vulgarmente denominados LED´s). Filmes de Alumina foram inicialmente estudados para servirem como ponto inicial de referência. Os filmes de nanocompósitos foram produzidos por pulverização catódica em magnetrão por rádio frequência (RF-magnetron sputtering). A avaliação das propriedades dos filmes foi efectuada recorrendo a diversas técnicas de carcaterização, nomeadamente difracção de Raios-X (XRD), difusão Raman, espectroscopia electrónica de varrimento e de transmissão (SEM e TEM), espectroscopia de retrodispersão de Rutherford (RBS), e fotoluminescência (PL). Os resultados e a discussão, baseados nas conclusões individuais reveladas pela análise detalhada de todos os dados provenientes de cada técnica de caracterização, são apresentados de forma prudente. Os parâmetros de deposição e recozimento para a produção dos materiais nanocompósitos foram estudados e optimizados. A capacidade de (re)produzir tais estruturas de materiais é discutida. As conclusões são apresentadas de forma concisa. No final, os resultados de PL revelaram uma emissão de luz que poderá estar associada à recombinação excitónica dos nanocristais de Germânio. A dependência da temperatura do PL demonstra o efeito de confinamento quântico.