For graphene to be a viable platform for nanoscale devices, high quality growth and structures are necessary. This means structuring the SiC surface to prevent graphene from having to be patterned using standard microelectronic processes. Presented in this thesis are new processes aimed at improving the graphene as well as devices based on high quality graphene nanoribbons. Amorphous carbon (aC) corrals deposited prior to graphene growth are demonstrated to control SiC step-flow. SiC steps are shown to be aligned by the presence of the corrals and can increase SiC terrace widths. aC contacts deposited and crystallized during graphene growth are shown as a way to contact graphene without metal lift-off. Observation of the Quantum Hall Effect demonstrates the high quality of the graphene grown alongside the nanocrystalline graphite contacts. Continuing the ballistic transport measurements on sidewall graphene nanoribbons, the invasive probe effect is observed using an atomic force microscope (AFM) based technique that spatially maps the invasive probe effect. Cleaning experiments demonstrate the role of scattering due to resist residues and environmental adsorbates on graphene nanoribbons. Finally, switches based on junctions formed in the graphene nanoribbons are shown as a route toward graphene based devices.

GaAsBi is a relatively unexplored alloy with interesting features such as a large bandgap reduction for a given lattice mismatch with GaAs substrates and good photoluminescence which make it promising for long wavelength light detection and emission applications. In this research, the molecular beam epitaxy (MBE) method was used to grow epi-layers and hetero-structures. A Vertical-external-cavity surface-emitting-laser (VECSEL) was grown as a part of collaboration with Tampere University in Finland. The process of laser growth promoted the writer’s skills in the growth of hetero-structures and led into an investigation of the effect of growth conditions on GaAsBi optical properties with important results. For instance, when the substrate temperature during growth was reduced from 400°C to 300°C and all other growth conditions were fixed, the Bi concentration in the deposited films increased from 1% to 5% and the photoluminescence (PL) intensity decreased by more than a factor of 1000. This is an indication of the importance of growth temperature in GaAsBi crystal quality. n+/p junctions were grown for the deep level transient spectroscopy (DLTS) experiments in collaboration with Simon Fraser University. The DLTS measurements showed that lowering the GaAsBi growth temperature increases the deep level density by a factor of 10. These deep levels are the source of non-radiative recombination and decrease the PL intensity. The structural properties of GaAsBi were investigated by high resolution x-ray diffraction and polarized PL and revealed long distance atomic arrangement (Cu-Pt ordering) in GaAsBi. The measurements showed that the ordering is more probable at high growth temperature. This can be due to the larger mobility of the atoms on the surface at high growth temperatures that allows them to find the ordered low energy sites. / Graduate

La situation énergétique et les enjeux environnementaux auxquels la société est confrontée entraînent un intérêt grandissant pour la production d'électricité à partir de l'énergie solaire. Parmi les technologies actuellement disponibles, la filière du photovoltaïque à concentrateur solaire (CPV pour concentrator photovoltaics) possède un rendement supérieur et un potentiel intéressant à condition que ses coûts de production soient compétitifs.La méthode d'épitaxie par faisceaux chimiques (CBE pour chemical beam epitaxy) possède plusieurs caractéristiques qui la rendent intéressante pour la production à grande échelle de cellules photovoltaïques à jonctions multiples à base de semi-conducteurs III-V. Ce type de cellule possède la meilleure efficacité atteinte à ce jour et est utilisé sur les satellites et les systèmes photovoltaïques à concentrateur solaire (CPV) les plus efficaces. Une des principales forces de la technique CBE se trouve dans son potentiel d'efficacité d'utilisation des matériaux source qui est supérieur à celui de la technique d'épitaxie qui est couramment utilisée pour la production à grande échelle de ces cellules. Ce mémoire de maîtrise présente les travaux effectués dans le but d'évaluer le potentiel de la technique CBE pour réaliser la croissance de couches de GaAs sur des substrats de Ge. Cette croissance constitue la première étape de fabrication de nombreux modèles de cellules solaires à haute performance décrites plus haut.La réalisation de ce projet a nécessité le développement d'un procédé de préparation de surface pour les substrats de germanium, la réalisation de nombreuses séances de croissance épitaxiale et la caractérisation des matériaux obtenus par microscopie optique, microscopie à force atomique (AFM), diffraction des rayons-X à haute résolution (HRXRD), microscopie électronique à transmission (TEM), photoluminescence à basse température (LTPL) et spectrométrie de masse des ions secondaires (SIMS). Les expériences ont permis de confirmer l'efficacité du procédé de préparation de surface et d'identifier les conditions de croissance optimales. Les résultats de caractérisation indiquent que les matériaux obtenus présentent une très faible rugosité de surface, une bonne qualité cristalline et un dopage résiduel relativement important. De plus, l'interface GaAs/Ge possède une faible densité de défauts. Finalement, la diffusion d'arsenic dans le substrat de germanium est comparable aux valeurs trouvées dans la littérature pour la croissance à basse température avec les autres procédés d'épitaxie courants. Ces résultats confirment que la technique d'épitaxie par faisceaux chimiques (CBE) permet de produire des couches de GaAs sur Ge de qualité adéquate pour la fabrication de cellules solaires à haute performance. L'apport à la communauté scientifique a été maximisé par le biais de la rédaction d'un article soumis à la revue Journal of Crystal Growth et la présentation des travaux à la conférence Photovoltaics Canada 2010.

Ce projet de maîtrise consiste à l'asservissement et la mise en marche d'un réacteur d'épitaxie par jets chimiques au Laboratoire d'Épitaxie Avancée de l'Université de Sherbrooke. Le réacteur sert à la croissance dans l'ultravide de matériaux semi-conducteurs tels que l'arséniure de gallium (GaAs) et le phosphure d'indium-gallium (GalnP). La programmation LabVIEW™ et du matériel informatique de National Instruments sont utilisés pour asservir le réacteur. Le contrôle de la température de l'échantillon et de la pression de contrôle des réactifs de croissance dans le réacteur est assuré par des boucles de rétroaction. Ainsi, la température de l'échantillon est stabilisée à ±0,4 °C, alors que les pressions de contrôle de gaz peuvent être modulées sur un ordre de grandeur en 2 à 4 secondes, et stabilisées à ±0,002 Torr. Le système de pompage du réacteur a été amélioré suite à des mesures de vitesse de pompage d'une pompe cryogénique. Ces mesures révèlent une dégradation sur plus d'un ordre de grandeur de son pompage d'hydrogène avec l'opération à long terme. Le remplacement de la pompe cryogénique par une pompe turbo-moléculaire comme pompe principale a permis d'améliorer la fiabilité du système de pompage du système sous vide. D'autre part, la conductance du système d'acheminement de gaz et d'injection a été augmentée afin de réduire un effet mémoire des sources le système et faciliter la croissance de matériaux ternaires. Ainsi, des croissances de GaAs (100) sur substrat de même nature ont été effectuées et ont révélé un matériau de bonne qualité. Sa rugosité moyenne de 0,17 nm, mesurée par microscopie à force atomique, est très faible selon la littérature. De plus, une mobilité élevée des porteurs est obtenue à fort dopage au silicium, au tellure et au carbone, notamment une mobilité de 42 ± 9 cm2V_1s_1 des porteurs majoritaires "(trous) lors du dopage au carbone à 1,5 • 1019 cm-3, en accord avec la courbe théorique. La croissance du matériau ternaire GalnP a aussi été réalisée en accord de maille avec le substrat de GaAs, et avec une rugosité de 0,96 nm. Ceci constitue un premier pas dans la croissance d'alliages ternaires au laboratoire. Finalement, la mise eh marche du réacteur d'épitaxie par jets chimiques permet maintenant à cinq étudiants gradués de faire progresser des projets reliés directement à la croissance épitaxiale au Laboratoire d'Épitaxie Avancée de l'Université de Sherbrooke. [symboles non conformes]

Graphene is a novel two dimensional material that is revolutionizing many areas of science and it is no surprise that a significant amount of effort is dedicated to its investigation. One of the major areas of graphene research is the development of procedures for large scale production. Among many recently developed methodologies, graphene oxide reduction stands out as a straightforward and scalable procedure for producing final material with properties similar to those of graphene. Laser reduction of graphite oxide is one of the novel approaches for producing multilayer graphene, and this work describes a viable approach in detail. It is determined that a material which is comprised of a combination of laser reduced graphite oxide-coupled to an unreduced graphite oxide layers beneath it, produces a broadband photosensitive material. The efficiency of light conversion into electrical current is greatly dependent upon the oxygen content of the underlying graphite oxide. Developing novel ways for reducing graphite oxide is an ongoing effort. This work also presents a new method for achieving complete reduction of graphite oxide for producing predominantly sp2 hybridized material. This approach is based on the irradiation of graphite oxide with a high flux 3 keV Ar ion beam in vacuum. It is determined that the angle of irradiation greatly influences the final surface morphology of reduced graphite oxide. Also, multilayer epitaxial graphene growth on silicon carbide in ultra-high vacuum was investigated with quadrupole mass spectrometry (QMS). Subliming molecular and atomic species were monitored as a function of temperature and heating time. The grown films were characterized with X-ray photoelectron spectroscopy coupled with Ar ion depth profiling.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Einfluss einer hyperthermischen Stickstoffionenbestrahlung (Ekin < 25 eV) auf das Galliumnitrid-Schichtwachstum. Dabei wird insbesondere der Einfluss einer Oberflächenrekonstruktion, einer Strukturierung der Oberfläche, einer Zwischenschicht (Pufferschicht) und der Einfluss verschiedener Siliziumsubstratorientierungen auf das epitaktische Wachstum von dünnen Galliumnitrid-Schichten nach einer hyperthermischen Stickstoffionenbestrahlung diskutiert. Ziel war es, möglichst dünne, epitaktische und defektarme Galliumnitrid-Schichten zu erhalten. Für die Charakterisierung der Galliumnitrid-Schichten und der Siliziumsubstrate standen diverse Analysemethoden zur Verfügung. Die kristalline Oberflächenstruktur konnte während des Wachstums mittels Reflexionsbeugung hochenergetischer Elektronen beobachtet werden. Nachfolgend wurde die Oberflächentopografie, die kristalline Struktur und Textur, sowie die optischen Eigenschaften der Galliumnitrid-Schichten mittels Rasterkraftmikroskopie, Röntgenstrahl-Diffraktometrie, hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie und Photolumineszenzspektroskopie untersucht.

published_or_final_version / abstract / Physics / Doctoral / Doctor of Philosophy

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The topological insulator Bi2Te3 has been grown on Si(111)-(7 × 7) surface by molecular beam epitaxy. Reflection high energy electron diffraction, in situ scanning tunnelling microscopy, x-ray photoelectron spectroscopy and ex situ x-ray diffraction studies have been performed to analyze the quality of the growth. These analyses suggest a very good layer-by-layer epitaxial growth of Bi2Te3 on the atomically at Si surface. The magnetoresistance of the samples has been studied with magnetic field perpendicular and parallel to the sample surface, up to 9 T, over a temperature range of 2 K to 20 K. A sharp dip at low fields (0 T - 1 T) and near-linear behavior for high fields (> 4 T) have been observed in the perpendicular field magnetoresistance. The low field dip is due to weak antilocalization that agrees well with the simplified Hikami-Larkin-Nagaoka model. It has been demonstrated that both the low field dip and the high field near-linear behavior can be explained by the original Hikami-Larkin-Nagaoka formula alone in a system with strong spin-orbit coupling. From the fitting of the perpendicular field magnetoresistance the phase coherence length, the mean free path and the spin-orbit relaxation time have been estimated. The phase coherence length shows power law dependence with temperature indicating two dimensional nature of the transport. The power law also suggests electron electron interaction as the prominent dephasing mechanism. The out-of-plane spin-orbit relaxation time is determined to be small and the in-plane spin-orbit relaxation time is found to be comparable to the momentum relaxation time. The estimation of these charge and spin transport parameters is useful for topological insulator based magneto electric device applications. It also has been shown that the strong spin-orbit coupling suppresses the Zeeman contribution in perpendicular field magnetoresistance. The logarithmic divergence of perpendicular field magnetoresistance with temperature for low temperature range (2 K - 20 K) at high fields shows the presence of Coulomb interaction in the spin singlet channel. For magnetoresistance with the field parallel to the sample surface, the observed magnetoresistance has parabolic dependence for small fields (0 T - 0.6 T) and logarithmic dependence for large fields (> 3 T), which is due to the Zeeman effect. It is found that the data are inconsistent with only the Maekawa and Fukuyama theory of non interacting electrons with Zeeman contributions to the transport, but are consistent with theory if one also takes into account the electron electron interaction and the Zeeman splitting term in the electron electron interaction theory of Lee and Ramakrishnan. The Zeeman g-factor and the strength of Coulomb scattering due to electron electron interaction have been estimated from fitting of the parallel field magnetoresistance. The magnetoresistance also shows anisotropy with respect to the field directions. The angle dependent anisotropic magnetoresistance can be fitted well by the original HLN theory alone. The anisotropy can have potential application in anisotropic magnetic sensors. / text

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