The work presented in this thesis deals with optical studies of semiconductor quantum dots (QDs) in the InGaAs material system. It is shown that for self-assembled InAs QDs, the interaction with the surrounding GaAs barrier and the InAs wetting layer (WL) in particular, has a very large impact on their optical properties. The ability to control the charge state of individual QDs is demonstrated and attributed to a modulation in the carrier transport dynamics in the WL. After photo-excitation of carriers (electrons and holes) in the barrier, they will migrate in the sample and with a certain probability become captured into a QD. During this migration, the carriers can be affected by exerting them to an external magnetic field or by altering the temperature. An external magnetic field applied perpendicular to the carrier transport direction will lead to a decrease in the carrier drift velocity since their trajectories are bent, and at sufficiently high field strength become circular. In turn, this decreases the probability for the carriers to reach the QD since the probability for the carriers to get trapped in WL localizing potentials increases. An elevated temperature leads to an increased escape rate out of these potentials and again increases the flow of carriers towards the QD. These effects have significantly different strengths for electrons and holes due to the large difference in their respective masses and therefore it constitutes a way to control the supply of charges to the QD. Another effect of the different capture probabilities for electrons and holes into a QD that is explored is the ability to achieve spin polarization of the neutral exciton (X0). It has been concluded frequently in the literature that X0 cannot maintain its spin without application of an external magnetic field, due to the anisotropic electron – hole exchange interaction (AEI). In our studies, we show that at certain excitation conditions, the AEI can be by-passed since an electron is captured faster than a hole into a QD. The result is that the electron will populate the QD solely for a certain time window, before the hole is captured. During this time window and at polarized excitation, which creates spin polarized carriers, the electron can polarize the QD nuclei. In this way, a nuclear magnetic field is built up with a magnitude as high as ~ 1.5 T. This field will stabilize the X0 spin in a similar manner as an external magnetic field would. The build-up time for this nuclear field was determined to be ~ 10 ms and the polarization degree achieved for X0 is ~ 60 %. In contrast to the case of X0, the AEI is naturally cancelled for the negatively charged exciton (X-) and the positively charged exciton (X+) complexes. This is due to the fact that the electron (hole) spin is paired off in case of X- (X+).  Accordingly, an even higher polarization degree (~ 73 %) is measured for the positively charged exciton. In a different study, pyramidal QD structures were employed. In contrast to fabrication of self-assembled QDs, the position of QDs can be controlled in these samples as they are grown in inverted pyramids that are etched into a substrate. After sample processing, the result is free-standing AlGaAs pyramids with InGaAs QDs inside. Due to the pyramidal shape of these structures, the light extraction is considerably enhanced which opens up possibilities to study processes un-resolvable in self-assembled QDs. This has allowed studies of Auger-like shake-up processes of holes in single QDs. Normally, after radiative recombination of X+, the QD is populated with a ground state hole. However, at recombination, a fraction of the energy can be transferred to the hole so that it afterwards occupies an excited state instead. This process is detected experimentally as a red-shifted luminescence satellite peak with an intensity on the order of ~ 1/1000 of the main X+ peak intensity. The identification of the satellite peak is based on its intensity correlation with the X+ peak, photoluminescence excitation measurements and on magnetic field measurements. / Arbetet som presenteras i denna avhandling rör studier av kvantprickars optiska egenskaper. En kvantprick är en halvledarkristall som endast är några tiotals nanometer stor. Den ligger oftast inbäddad inuti en större kristall av ett annat halvledarmaterial och pga. den begränsade storleken får en kvantprick mycket speciella egenskaper. Bland annat så kommer elektronerna i en kvantprick endast att kunna anta vissa diskreta energinivåer liknande situationen för elektronerna i en atom. Följaktligen kallas kvantprickar ofta för artificiella atomer. För halvledarmaterial gäller det generellt att det inte endast är fria elektroner i ledningsbandet, som kan leda ström utan även tomma elektrontillstånd i valens­bandet, vilka uppträder som positivt laddade partiklar, kan leda ström. Dessa kallas kort och gott för hål. I en kvantprick har hålen såsom elektronerna helt diskreta energinivåer. Precis som är fallet i en atom, så kommer elektroniska övergångar mellan olika energi­nivåer i en kvantprick att resultera i att ljus emitteras. Energin (dvs. våglängden alt. färgen) för detta ljus bestäms av hur energinivåerna i kvant­pricken ligger, för elektronerna och hålen, och genom att analysera ljuset kan man således studera kvantprickens egenskaper. Studierna i den här avhandlingen visar att växelverkan mellan en kvantprick och den omgivande kristallen, som den ligger inbäddad i, har stor inverkan på kvantprickens optiska egenskaper. T.ex. visas att man kan kontrollera antalet elektroner, som kommer att finnas i kvantpricken genom att modifiera hur elektronerna kan röra sig i omgivningen. Dessa rörelser modifieras här genom att variera temperaturen och genom att lägga på ett magnetiskt fält. Ett magnetiskt fält, vinkelrätt mot en elektrons rörelse, kommer att böja av dess bana och dess chans att nå fram till kvantpricken kan således minskas. Elektronen kan då istället fastna i andra potentialgropar i kvantprickens närhet. Genom att öka temperaturen, vilket ger elektronerna större energi, kan deras chans att nå fram till kvantpricken å andra sidan öka. En annan effekt, som studerats, är möjligheten att kontrollera spinnet hos elektronerna i en kvantprick. Även i dessa studier visar det sig att växelverkan med omgivningen spelar stor roll och kan användas till att kontrollera elektronens spin. Mekanismen som föreslås är att om elektronerna hinner före hålen till kvantpricken, så hinner de överföra sitt spin till atomkärnorna i kvantpricken. På detta sätt kan man få atomkärnornas spin polariserat, vilket resulterar i ett inbyggt magnetfält, i storleksordningen 1.5 Tesla, som i sin tur hjälper till att upprätthålla en hög grad av spinpolarisering även hos elektronerna. För att få elektronerna att hinna först, måste deras rörelser i omgivningen kontrolleras. I en ytterligare studie undersöktes den process där en elektronisk övergång i kvantpricken inte enbart resulterar i emission av ljus, utan även i att en annan partikel tar över en del av energin och blir exciterad. Dessa processer avspeglas i att en del av det ljus som emitteras har lägre energi. Detta ljus är också mycket svagt, ca 1000 ggr lägre intensitet, och möjligheten att kunna mäta detta är helt beroende på hur ljusstarka kvantprickarna är. De prover som använts i denna studie består av pyramidstrukturer, ca 7.5 mikrometer stora, med kvantprickar inuti. Denna geometri ger ca 1000 ggr bättre ljusutbyte jämfört med traditionella strukturer, vilket möjliggjort studien.

<p>I papperstillverkning ställs det krav inte bara på kvalité och kvantitet utan också att stickprov från produktion utförs och tas hand om på ett korrekt sätt. Från det att ett stickprov tas ut och undersöks på brukets laboratorium kan en del källor till förändringar på provresultatet uppstå. Sådana förändringar kan uppstå för det första vid hanteringen av stickprov från pappersmaskin och provens transportering till laboratoriet och för det andra vid laboratoriets hantering och uppföljning av kvalitén. En annan faktor som kan påverka stickproven är klimatet. Årstiderna vår och höst är de tider som proverna kan påverkas mest. Prover undersöks med jämna mellanrum från färdigt papper och används till kalibrering av on-line mätning på pappersmaskin. Vissa av provresultaten skickas direkt till kunden i form av ett analyscertifikat.</p><p>I detta examensarbete var syftet att analysera vissa felkällor i provhanteringen och vad klimatet hade för påverkan på provresultatet. Det undersöktes hur varierande klimatförhållanden på pappersmaskin kunde påverka provresultaten för prov som undersöktes direkt på laboratoriet. Resultat från de proven har sen jämförts med prov som konditionerades en tid på laboratoriet i ett fast klimat (23°C, 50 % RH). Prov konditionerades både efter att provet tagits ut direkt och efter att provet hade legat uppe i maskinhallen under en längre tid. I arbetet ingick det att årstider skulle simuleras och det utfördes på Stora Enso Research Center i Falun i ett speciellt klimatrum. Klimaten som papper undersöktes i då var extremt torrt och extremt fuktigt och dessa resultat jämfördes med resultat från normalt provtagningsklimat.</p><p>Papperskvalitéerna som undersöktes var 45 g/m2 standard tidningspapper från PM 11 och 52 g/m2 SC-papper (obestruket journalpapper) från Kvarnsvedens nya maskin PM 12. Det som undersöktes var de kritiska parametrarna där det föreligger risk för att papper måste kasseras. De kritiska egenskaperna som har kassaktionsgräns är ytvikt, ljushet, nyans och i även vissa fall ytråhet och rivstyrka.</p><p>Resultaten visade att vid extrema klimatförhållanden från undersökningen på Stora Enso Research Center hade många prover påverkats till den grad att de hade lett till kassaktion. För SC-papper var ytråheten den egenskap som var mest kritisk vid extremt torrt klimat och vid fuktigt klimat var ytvikt den mest känsliga egenskapen. För standard tidningspapper var ytvikt och rivstyrka de egenskaper som påverkades mest av extremt klimat och pappret hade fått kasseras vid både extremt torrt och fuktigt klimat.</p><p>Vid undersökningen på Kvarnsveden visade resultaten att fukthalten i pappret påverkades mer än vad papprets övriga egenskaper gjorde. Förändringarna i papprets övriga egenskaper var endast marginella och höll sig inom respektive gränsvärde för kassaktion. Nyans och de andra optiska egenskaperna hade marginella förändringar för både varierande och extrema klimatförhållanden och förändringarna kan i de flesta fall anses försumbara för produktionen.</p><p>I de fall där det råder extrema klimatförhållanden som det kan göra vid vissa årstider är det mycket viktigt att operatörens hantering av stickprov sker på ett korrekt sätt. Då gäller det att stickproverna skickas ner till laboratoriet så snabbt som möjligt där påverkan är mindre än vad den kan vara inne i maskinhallen.</p> / <p>In paper production demands are set not only on quality and quantity, but it is also required that samples from the production are taken out and handled in a correct way. From the moment when a sample is taken out and up to the point when it is examined in the laboratory of the mill, a number of factors may affect the sample and thus the test result. Such changes can arise from the handling of samples from the paper machine and the transport of the samples to the laboratory and also from the handling of the samples in the laboratory. Another factor that can influence the samples is the climate and the seasons spring and autumn is the times when the samples are influenced most. Samples are examined with even intervals from finished papers and is used for calibration of on-line measurement on the paper machine and some of the sample results are sent directly to the costumer in the form of an analysis certificate.</p><p>The purpose of this project was to analyze certain error sources in the sample handling and the impact of the climate on the sample result. It was examined how varying climates on the paper machine could influence the sample results for samples that were examined directly and compared with samples that were conditioned for one hour on the laboratory in a permanent climate (23°C, 50% RH). Samples that were conditioned were either taken directly to the lab or left by the paper machine for an extended period of time. In the work, it was included that seasons would be simulated and it was carried out on Stora Enso Research centre in Falun in a climate room. The climates that papers were examined in then were extreme dry and extreme damp and these results were compared with results from normal climate for testing paper.</p><p>The paper qualities that were examined where 45 g/m2 standard newspaper from papermachine 11 and 52 g/m2 SC-paper (uncoated journal papers) from the new papermachine 12 in Kvarnsveden. What were examined were the critical parameters were it exists risk to rejection of papers. The critical properties that have a limit when the papers are rejected are grammage, ISO-brightness and nuance and in certain cases also roughness and tear strength.</p><p>The results showed that at extreme climate relations from the studies on Stora Enso Research centre samples had been influenced to that degree that many of the samples had to be rejected. For SC-paper roughness was the property that was most critical at extremely dry climate and at damp climate the grammage was the most sensitive property. Standard newspaper was very sensitive at both extremely damp and dry climates for grammage and tearing strength.</p><p>The study on Kvarnsveden showed that the moisture content in the paper was influenced more than the other properties but its changes were only marginal and within the respective limit for rejection. Nuance and the other optic properties had only marginal changes for both varying and extreme climates and the changes can in most cases be considered negligible for the production.</p><p>In those cases when there are extreme climates, like during certain seasons, it is very important that the operator handles the samples correctly. Then, it is important that the samples are sent down to the laboratory as fast as possible where the impact is smaller than if the samples stay in the machine room.</p>

I papperstillverkning ställs det krav inte bara på kvalité och kvantitet utan också att stickprov från produktion utförs och tas hand om på ett korrekt sätt. Från det att ett stickprov tas ut och undersöks på brukets laboratorium kan en del källor till förändringar på provresultatet uppstå. Sådana förändringar kan uppstå för det första vid hanteringen av stickprov från pappersmaskin och provens transportering till laboratoriet och för det andra vid laboratoriets hantering och uppföljning av kvalitén. En annan faktor som kan påverka stickproven är klimatet. Årstiderna vår och höst är de tider som proverna kan påverkas mest. Prover undersöks med jämna mellanrum från färdigt papper och används till kalibrering av on-line mätning på pappersmaskin. Vissa av provresultaten skickas direkt till kunden i form av ett analyscertifikat. I detta examensarbete var syftet att analysera vissa felkällor i provhanteringen och vad klimatet hade för påverkan på provresultatet. Det undersöktes hur varierande klimatförhållanden på pappersmaskin kunde påverka provresultaten för prov som undersöktes direkt på laboratoriet. Resultat från de proven har sen jämförts med prov som konditionerades en tid på laboratoriet i ett fast klimat (23°C, 50 % RH). Prov konditionerades både efter att provet tagits ut direkt och efter att provet hade legat uppe i maskinhallen under en längre tid. I arbetet ingick det att årstider skulle simuleras och det utfördes på Stora Enso Research Center i Falun i ett speciellt klimatrum. Klimaten som papper undersöktes i då var extremt torrt och extremt fuktigt och dessa resultat jämfördes med resultat från normalt provtagningsklimat. Papperskvalitéerna som undersöktes var 45 g/m2 standard tidningspapper från PM 11 och 52 g/m2 SC-papper (obestruket journalpapper) från Kvarnsvedens nya maskin PM 12. Det som undersöktes var de kritiska parametrarna där det föreligger risk för att papper måste kasseras. De kritiska egenskaperna som har kassaktionsgräns är ytvikt, ljushet, nyans och i även vissa fall ytråhet och rivstyrka. Resultaten visade att vid extrema klimatförhållanden från undersökningen på Stora Enso Research Center hade många prover påverkats till den grad att de hade lett till kassaktion. För SC-papper var ytråheten den egenskap som var mest kritisk vid extremt torrt klimat och vid fuktigt klimat var ytvikt den mest känsliga egenskapen. För standard tidningspapper var ytvikt och rivstyrka de egenskaper som påverkades mest av extremt klimat och pappret hade fått kasseras vid både extremt torrt och fuktigt klimat. Vid undersökningen på Kvarnsveden visade resultaten att fukthalten i pappret påverkades mer än vad papprets övriga egenskaper gjorde. Förändringarna i papprets övriga egenskaper var endast marginella och höll sig inom respektive gränsvärde för kassaktion. Nyans och de andra optiska egenskaperna hade marginella förändringar för både varierande och extrema klimatförhållanden och förändringarna kan i de flesta fall anses försumbara för produktionen. I de fall där det råder extrema klimatförhållanden som det kan göra vid vissa årstider är det mycket viktigt att operatörens hantering av stickprov sker på ett korrekt sätt. Då gäller det att stickproverna skickas ner till laboratoriet så snabbt som möjligt där påverkan är mindre än vad den kan vara inne i maskinhallen. / In paper production demands are set not only on quality and quantity, but it is also required that samples from the production are taken out and handled in a correct way. From the moment when a sample is taken out and up to the point when it is examined in the laboratory of the mill, a number of factors may affect the sample and thus the test result. Such changes can arise from the handling of samples from the paper machine and the transport of the samples to the laboratory and also from the handling of the samples in the laboratory. Another factor that can influence the samples is the climate and the seasons spring and autumn is the times when the samples are influenced most. Samples are examined with even intervals from finished papers and is used for calibration of on-line measurement on the paper machine and some of the sample results are sent directly to the costumer in the form of an analysis certificate. The purpose of this project was to analyze certain error sources in the sample handling and the impact of the climate on the sample result. It was examined how varying climates on the paper machine could influence the sample results for samples that were examined directly and compared with samples that were conditioned for one hour on the laboratory in a permanent climate (23°C, 50% RH). Samples that were conditioned were either taken directly to the lab or left by the paper machine for an extended period of time. In the work, it was included that seasons would be simulated and it was carried out on Stora Enso Research centre in Falun in a climate room. The climates that papers were examined in then were extreme dry and extreme damp and these results were compared with results from normal climate for testing paper. The paper qualities that were examined where 45 g/m2 standard newspaper from papermachine 11 and 52 g/m2 SC-paper (uncoated journal papers) from the new papermachine 12 in Kvarnsveden. What were examined were the critical parameters were it exists risk to rejection of papers. The critical properties that have a limit when the papers are rejected are grammage, ISO-brightness and nuance and in certain cases also roughness and tear strength. The results showed that at extreme climate relations from the studies on Stora Enso Research centre samples had been influenced to that degree that many of the samples had to be rejected. For SC-paper roughness was the property that was most critical at extremely dry climate and at damp climate the grammage was the most sensitive property. Standard newspaper was very sensitive at both extremely damp and dry climates for grammage and tearing strength. The study on Kvarnsveden showed that the moisture content in the paper was influenced more than the other properties but its changes were only marginal and within the respective limit for rejection. Nuance and the other optic properties had only marginal changes for both varying and extreme climates and the changes can in most cases be considered negligible for the production. In those cases when there are extreme climates, like during certain seasons, it is very important that the operator handles the samples correctly. Then, it is important that the samples are sent down to the laboratory as fast as possible where the impact is smaller than if the samples stay in the machine room.

In the production of paper, the quality of the pulp is an important factor both for the productivity and for the final quality. Reliable real-time measurements of pulp quality are therefore needed. One way is to use acoustic or vibration sensors that give information-rich signals and place the sensors at suitable locations in a pulp production line. However, these sensors are not selective for the pulp properties of interest. Therefore, advanced signal processing and multivariate calibration are essential tools. The current work has been focused on the development of calibration routes for extraction of information from acoustic sensors and on signal processing algorithms for enhancing the information-selectivity for a specific pulp property or class of properties. Multivariate analysis methods like Principal Components Analysis (PCA), Partial Least Squares (PLS) and Orthogonal Signal Correction (OSC) have been used for visualization and calibration. Signal processing methods like Fast Fourier Transform (FFT), Fast Wavelet Transform (FWT) and Continuous Wavelet Transform (CWT) have been used in the development of novel signal processing algorithms for extraction of information from vibrationacoustic sensors. It is shown that use of OSC combined with PLS for prediction of Canadian Standard Freeness (CSF) using FFT-spectra produced from vibration data on a Thermo Mechanical Pulping (TMP) process gives lower prediction errors and a more parsimonious model than PLS alone. The combination of FFT and PLS was also used for monitoring of beating of kraft pulp and for screen monitoring. When using regular FFT-spectra on process acoustic data the obtained information tend to overlap. To circumvent this two new signal processing methods were developed: Wavelet Transform Multi Resolution Spectra (WT-MRS) and Continuous Wavelet Transform Fibre Length Extraction (CWT-FLE). Applying WT-MRS gave PLS-models that were more parsimonious with lower prediction error for CSF than using regular FFT-Spectra. For a Medium Consistency (MC) pulp stream WT-MRS gave predictions errors comparable to the reference methods for CSF and Brightness. The CWT-FLE method was validated against a commercial fibre length analyzer and good agreement was obtained. The CWT-FLE-curves could therefore be used instead of other fibre distribution curves for process control. Further, the CWT-FLE curves were used for PLS modelling of tensile strength and optical parameters with good results. In addition to the mentioned results a comprehensive overview of technologies used with acoustic sensors and related applications has been performed. / Vid framställning av pappersprodukter är kvaliteten på massan en viktig faktor för produktiviteten och kvalitén på slutresultatet. Det är därför viktigt att ha tillgång till tillförlitliga mätningar av massakvalitet i realtid. En möjlighet är att använda akustik- eller vibrationssensorer i lämpliga positioner vid enhetsoperationer i massaprocessen. Selektiviteten hos dessa mätningar är emellertid relativt låg i synnerhet om mätningarna är passiva. Därför krävs avancerad signalbehandling och multivariat kalibrering. Det nu presenterade arbetet har varit fokuserat på kalibreringsmetoder för extraktion av information ur akustiska mätningar samt på algoritmer för signalbehandling som kan ge förbättrad informationsselektivitet. Multivariata metoder som Principal Component Analysis (PCA), Partial Least Squares (PLS) and Orthogonal Signal Correction (OSC) har använts för visualisering och kalibrering. Signalbehandlingsmetoderna Fast Fourier Transform (FFT), Fast Wavelet Transform (FWT) och Continuous Wavelet Transform (CWT) har använts i utvecklingen av nydanande metoder för signalbehandling anpassade till att extrahera information ur signaler från vibrations/akustiska sensorer. En kombination av OSC och PLS applicerade på FFT-spektra från raffineringen i en Termo Mechnaical Pulping (TMP) process ger lägre prediktionsfel för Canadian Standard Freeness (CSF) än enbart PLS. Kombinationen av FFT och PLS har vidare använts för monitorering av malning av sulfatmassa och monitorering av silning. Ordinära FFT-spektra av t.ex. vibrationssignaler är delvis överlappande. För att komma runt detta har två signalbehandlingsmetoder utvecklats, Wavelet Transform Multi Resolution Spectra (WT-MRS) baserat på kombinationen av FWT och FFT samt Continuous Wavelet Transform Fibre Length Extraction (CWT-FLE) baserat på CWT. Tillämpning av WT-MRS gav enklare PLS-modeller med lägre prediktionsfel för CSF jämfört med att använda normala FFT-spektra. I en annan tillämpning på en massaström med relativt hög koncentration (Medium Consistency, MC) kunde prediktioner för CSF samt ljushet erhållas med prediktionsfel jämförbart med referensmetodernas fel. Metoden CWT-FLE validerades mot en kommersiell fiberlängdsmätare med god överensstämmelse. CWT-FLE-kurvorna skulle därför kunna användas i stället för andra fiberdistributionskurvor för processtyrning. Vidare användes CWT-FLE kurvor för PLS modellering av dragstyrka samt optiska egenskaper med goda resultat. Utöver de nämnda resultaten har en omfattande litteratursammanställning gjorts över området och relaterade applikationer. / QC 20100629