Si nanowires have potential applications in a variety of technologies such as micro and nanoelectronics, sensors, electrodes and photovoltaic applications due to their size and specific surface area. Au particle-assisted vapour-liquid-solid or VLS growth method remains the dominant process for Si nanowire growth. A comprehensive kinetic model that addresses all experimental observations and provides a physico-chemical model of the VLS growth method is thus essential. The work done as part of this research is divided into two sections. A steady state kinetic model was first developed for the steady state growth rate of Si nanowires using SiCl4 and SiH4 as precursors. The steady state refers to a balance between the rates of injection and ejection of Si into the Au droplet. This balance results in a steady state supersaturation under which wire growth proceeds. In particular evaporation and reverse reaction of Si from the Au droplet and modes of crystal growth for wire growth have been considered in detail for the first time. The model is able to account for both, the radius independent and radius dependent growth rates reported in the literature. It also shows that the radius dependence previously attributed to purely thermodynamic considerations could also as well be explained just by steady state kinetics alone. Expressions have been derived for the steady state growth rate that require the desolvation energy, activation energy for precursor dissociation and supersaturation prevalent in the particle as inputs for calculation. In order to evaluate this model the incubation and growth of Si nanowires were studied on sapphire substrates in an indigenously built automated MOCVD reactor. Sapphire was chosen as the substrate, as opposed to Si which is commonly used, so as to ensure that the vapour phase is the only source of Si. A classical incubation period for nucleation, of the order of 4-8 minutes, was experimentally observed for the first time. Using the change in this incubation period with temperature a value of 15kT was determined to be the desolvation energy for growth using SiH4. The steady state growth rate of Si nanowires were measured and compared with the predictions of the model using the values of activation energies so determined. The thesis based on the current research work is organized as follows: Chapter 1 introduces the research area followed by a brief outline of the overall work Chapter 2 provides a summary of current literature, and puts the research described in this thesis in perspective. The diameter dependent growth rate of NWs which was initially solely attributed to the Gibbs-Thomson effect is first summarized. Experimental observations to the contrary are then highlighted. These contradictions provided the incentive for the research described in this thesis. Following a summary of the growth rate theories, the experimental observations on incubation available in the literature are summarized. All the other variants of the VLS method are also discussed. Chapter 3 describes the design, construction and working of an indigenously built semi- automated CVD reactor. This CVD reactor was used to conduct the Si NW growth experiments over sapphire substrates. Chapter 4 develops the physical chemistry model for Au catalyzed Si nanowire growth using SiCl4 and SiH4 precursors. The model originated from the contradictions present in the literature over the rate limiting step of the VLS growth mechanism and the steady state growth rate dependence on wire diameter. The development starts with explaining the thermodynamics of the steady state VLS process. The significance of the model lies in the detailed analysis of the all the atomistic process occurring during the VLS growth. In particular the evaporation and reverse reaction of Si from Au-Si droplet is explained in detail and possibly for the first time. Expressions for steady state growth rate by various modes, such as layer by layer growth (LL), by multilayer growth (ML) and growth by movement of a rough interface at the L-S growth interface are derived and presented. Chapter 5 discusses the results which emerge out the kinetic model from the previous chapter. Under a single framework of equations, the model is successful in explaining both the diameter independent and diameter dependent growth of NWs. As one of the major outcomes of the model, the growth rates of Si NWs are predicted and trends in growth rate are found to agree with those experimentally observed. Growth rate dependencies on pressure and temperature are implicitly included in the equations derived. An estimate of supersaturation has been extracted for the first time using the framework of equations. Chapter 6 contains the experimental results of the Si NW growth over sapphire substrates. An incubation period in the order of 3-8 minutes has been observed for Si NW growth on sapphire. The data has been compared with existing literature data and interpreted using classical transient nucleation theory. The incubation period data has been utilized to extract the kinetic parameter, QD, which is the desolvation enegy. These parameters and the measured steady state growth rates have been used to estimate the supersaturation existing in the droplet using the framework developed in chapters 4 and 5. Chapter 7 summarizes the outcome of the current research and highlights the future directions for the research problem addressed in this thesis.

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In dieser Arbeit werden Mechanismen zur thermischen CVD von Siliciumcarbid aus Methyltrichlorsilan (MTS) und von Bornitrid aus Trimethoxyboran-Ammoniak- Gasmischungen diskutiert. Dazu werden die gebildeten Schichten und die entstehenden Reaktionsgasphasen in Abhängigkeit von den Prozeßparametern Temperatur und Eduktgaszusammensetzung untersucht. Durch Zusatz der bei der MTS-Thermolyse entstehenden gasförmigen Produkte zum Eduktgasstrom können Korrelationen zwischen den Produktkonzentrationen in der Gasphase und deren Einfluß auf die abgeschiedenen Schichten aufgezeigt werden. An Hand dieser Ergebnisse wird für die MTS-Thermolyse ein Reaktionsschema aufgestellt, welches sowohl primäre und sekundäre Gasphasenreaktionen als auch Oberflächenreaktionen umfaßt. Darauf aufbauend wird eine Methode zur Ermittlung der Schichtzusammensetzung durch Analyse des Reaktionsabgases vorgestellt und mit den Ergebnissen der ESMA-Untersuchungen verglichen. Im zweiten Teil der Arbeit wird der Einfluß von Ammoniak auf die Thermolyse von Trimethoxyboran und die dabei entstehenden Schichten untersucht. Die Charakterisierung der Bornitrid/Boroxid-Schichten erfolgt durch Ramanspektroskopie. Zur qualitativen Analyse dünner BN-Schichten auf faserförmigen Substraten wird der Einsatz von oberflächenverstärkter Ramanspektroskopie vorgestellt.

Systematische Untersuchungen zur Abscheidung von Zirconiumdioxid auf keramischen Fasermaterialien und einer Platin-Iridium-Legierung (PtIr20) sowie eine umfassende und vergleichende Charakterisierung der entstandenen Oxidfilme waren Gegenstand dieser Arbeit. Als Precursoren wurden Zirconium(IV)-tetra-tert.-butoxid (ZTB), Zirconium(IV)-chlorid und Sauerstoff verwendet. Für die kontinuierliche Beschichtung der oxidischen Fasern (NEXTEL-720-Multifilamentrovings) wurde ein thermisch induzierter Heißwand-CVD-Prozess (ZrCl4 + O2) entwickelt, die Abscheidung von ZrO2 auf unmodifiziertem bzw. oberflächlich oxidierten PtIr20 fand in einem statisch geführten Kaltwand-CVD-Verfahren unter Verwendung von ZTB statt. Die Charakterisierung der Zirconiumdioxidfilme erfolgte in Abhängigkeit von den Prozessparametern (z.B. Substratart, Beschichtungstemperatur, Zuggeschwindigkeit) mit Methoden wie: Infrarot- und Ramanspektroskopie (Detektion von Verunreinigungen und Phasenzusammensetzung), Röntgendiffraktometrie (Phasenanalyse, Ermittlung von Vorzugsorientierungen), Elektronenstrahlmikroanalyse (Stöchiometrie des ZrO2 und Kohlenstoffgehalt der Schichten), Rasterelektronenmikroskopie (Topologie der Filme) und Bündelzugversuch (Einfluss des ZrO2 auf die 50-%-Zugfestigkeit der Filamente).

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L’objectif fondamental de cette étude est de montrer la faisabilité de l’élaboration des couches épaisses de zircone non dopée, en contrôlant la microstructure et l’état mécanique, par MOCVD et par Sol-Gel. Dans un premier temps, nous avons essayé d’optimiser les conditions de dépôt de MOCVD, en faisant varier ou en jouant sur les différents paramètres du procédé, conduisant à l’obtention des couches de ZrO2 micrométriques et denses. La stabilité de la phase quadratique de la zircone est conditionnée par la pression partielle en oxygène, la température du substrat ainsi que l’épaisseur du dépôt. La texture cristallographique de type {100} est obtenue pour les dépôts réalisés à une température de substrat T ≤ 850°C et pour de faibles pressions totales. Concernant l’état mécanique des couches de zircone, l’augmentation de l’épaisseur de la couche peut relaxer les contraintes résiduelles de tension au sein du dépôt. Ce phénomène s’accentue au-delà d’une épaisseur critique suite à la création des espacements entre les colonnes de croissance de la couche. Parallèllement, nous avons montré que la qualité des dépôts Sol-Gel est maitrisée par le choix du substrat, l’utilisation de « sols » vieillis, la multiplication du nombre de couches « spin-coating », le mode de dépôt ainsi que la température de recuit. Certaines propriétés caractéristiques du dépôt telles que la cristallisation, la composition de phase et l’adhérence sont aisément contrôlées respectivement par l’âge du sol, la température de recuit et le coefficient de dilatation thermique associé au substrat utilisé. La microstructure (changement de phases, taille des cristallites, texture cristallographique) et les contraintes internes (thermiques et intrinsèques) ont été caractérisées. Le Sol-Gel présente l’avantage de proposer des couches de zircone très peu contraintes par rapport aux films obtenus par le procédé MOCVD. Quel que soit le procédé de dépôt, MOCVD et/ou Sol-Gel, l’élaboration des films de ZrO2 orientés demeure fonction de la température du traitement. La tentative d’élaborer des multicouches de zircone par un couplage MOCVD/Sol-Gel montre la possibilité de sélectionner des paramètres de dépôt propices à la fabrication d’un film présentant un état microstructural et mécanique contrôlé et voulu. / The fundamental purpose of this study is to demonstrate the feasibility to obtain an undoped zirconia thick film, by controlling the microstructure and mechanical state, using MOCVD and Sol-Gel technique. Firstly, we try to optimize the MOCVD deposition conditions, by varying the different process parameters, leading to the production of ZrO2 micrometric and dense films. The stability of the tetragonal zirconia phase depends on the oxygen partial pressure, the substrate temperature and the film thickness. The crystallographic texture of {100} type is obtained for the deposits obtained under a substrate temperature T ≤ 850°C and a low total pressure. Concerning mechanical state of the zirconia films, the thickness increasing can relax the tensile residual stress within the deposit. This phenomenon accents beyond a critical thickness due to the creation of columns spaces during film growth. In the second part, we show that the quality of the Sol-Gel deposition is controlled by substrate origin, use of aged sol, increase of “spin-coating” layers number, deposition mode and annealing temperature. Some deposit characteristics such as crystallization, phase composition and film adhesion are easily controlled by sol aging, annealing temperature and thermal expansion coefficient associated to the used substrate, respectively. The microstructure (phase change, crystalline size, crystallographic texture) and the internal stresses (thermal and residual) were characterized. The Sol-Gel technique has the advantage of providing zirconia films with low stress level compared to the films obtained by MOCVD. Regardless of the deposition process, MOCVD and / or Sol-Gel, the development of ZrO2 oriented films is in function of the treatment temperature. The attempt to get multilayer zirconia by coupling MOCVD/Sol-Gel methods shows the possibility to choose the deposition parameters in order to produce films with controlled and wanted microstructure and mechanical state.

L'enjeu de cette étude est de concevoir des rubans supraconducteurs à faible coûts de production, destinés au transport de courant et la limitation de courant. Nous avons utilisé des méthodes originales et peu onéreuses comme le laminage pour l'élaboration du substrat et les méthodes de dépôt chimique « metal organic decomposition » (MOD) et « metal organic chemical vapor deposition » (MOCVD) pour la réalisation des différentes couches. <br />La technique MOCVD à injection s'avère particulièrement bien adaptée à la fabrication de rubans supraconducteurs car elle permet d'obtenir des couches épitaxiées d'YBCO de façon reproductible et sur de grandes longueurs. Cependant, le dépôt de couches tampon par MOCVD sur des substrats métalliques souples provoque leur oxydation et dégrade leur structure cristalline. L'utilisation combinée des techniques de dépôt MOD et MOCVD a permis de solutionner ce problème : le dépôt d'une première couche tampon de La2Zr2O7 (LZO) par MOD dans une atmosphère réductrice d'Ar + 5%H2 permet d'éviter l'oxydation du substrat et de limiter la diffusion d'O2 lors des dépôts suivants par MOCVD. Deux architectures ont été développées et caractérisées : NiWRABiTS/LZOMOD/YBCOMOCVD et NiWRABiTS/LZOMOD/CeO2MOCVD/YBCOMOCVD. L'étude de ces conducteurs a prouvé que de telles architectures permettent d'atteindre de forts courants critiques : respectivement JcLZO/LZO/YBCO = 0.8 MA/cm2 avec Ic/cm = 34 A/cm, et JcNW/LZO/CeO2/YBCO = 1.2 MA/cm2 avec Ic/cm = 54 A/cm, sur des rubans de plusieurs centimètres de long recouverts d'une couche de 800 nm d'YBCO. <br />Une étude TEM a permis de comprendre la croissance des couches de LZO par MOD et d'observer la formation de porosités pendant la pyrolyse des précurseurs. L'étude combinée EBSD/MO a démontré que la microstructure des substrats est transférée à la couche supraconductrice et a une influence néfaste sur la qualité du film d'YBCO. L'utilisation de couches tampons épaisses (e > 150 nm) permet d'estomper ces défauts et d'améliorer les propriétés supraconductrices des rubans.<br />Finalement, des essais fructueux en limitation de courant, et en transport de courant sous contrainte mécanique, ont permis de valider le procédé de fabrication des rubans pour cette application spécifique.