En el presente trabajo se encuentran compilados el estudio de propiedades ópticas y vibracionales de películas delgadas amorfas de nitruro de silicio depositadas bajo diferentes presiones de trabajo. Las películas han sido preparadas mediante la técnica de pulverización catódica de radiofrecuencia en los laboratorios de la Sección de la PUCP usando un objetivo de silicio cristalino en una atmosfera de nitrógeno y argón. Se ha investigado el efecto de oxidación bajo dos puntos de vista: primero la exposición de las películas delgadas al medio ambiente y luego después de tratamientos térmicos. El proceso de oxidación ha sido evaluado sistemáticamente a través de medidas de espectroscopia de transmisión UV/VIS y espectroscopia de absorción infrarroja por transformada de Fourier (FTIR). Los parámetros analizados fueron: el espesor de la película, el ancho de banda, el coeficiente de absorción y el índice de refracción. El grado de oxidación es evaluado a partir de los espectros de absorción infrarroja y contrastado con el tiempo de exposición de la muestra al medio ambiente. Las películas que fueron depositadas a mayor presión presentan mayor ancho de banda. Así mismo, el análisis IR reveló que a menor presión mayor presencia de oxígeno en el día y presenta estabilidad debido a la saturación las muestra fabricada a mayor presión. Las películas bajo tratamiento térmico, presentan un cambio en el ancho de banda a partir del reordenamiento de los átomos en la matriz amorfa. La disminución de la energía de Urbach nos indica que hay un ordenamiento en la muestra.

En la presente tesis se evalúan las propiedades ópticas y las características de emisión de luz de películas delgadas amorfas de AlN, SiN y SiC:H dopadas con Tb. La caracterización óptica se centra en la determinación del ancho de banda, la energía de Urbach y el foco de Urbach a partir de mediciones ópticas. Se desarrolla un modelo, basado en fluctuaciones térmicas de la banda, para describir la absorción fundamental sobrepuesta con las colas de Urbach. Luego, se realiza un análisis de la existencia y significado del foco de Urbach y se contrasta con modelo anterior. Uno de los principales resultados en esta parte es la capacidad del modelo antes mencionado para distinguir las regiones de Urbach y Tauc del coeficiente de absorción. En este caso, películas delgadas de a-SiC:H depositadas en distintas condiciones de dilución de hidrógeno exhibieron un ancho de banda no correlacionado con la energía de Urbach al usar este modelo, en contraste a lo que se observa típicamente después de utilizar el modelo de Tauc. El análisis de características de emisión de luz se centra al proceso de activación térmica que sufren los iones de tierras raras cuando se calientan las muestras. El efecto de la temperatura de recocido, temperatura de la muestra y concentración de tierras raras en la intensidad de la emisión de luz se evalúa bajo fuentes de excitación de fotones y electrones. Se utiliza un modelo de tasa de transiciones para ajustar la intensidad de luz global asociada al Tb en películas delgadas de a-SiC:H:Tb3+ frente a la concentración de Tb después de diferentes temperaturas de recocido. Se recupera una energía de activación asociada a la activación térmica. Finalmente, en el caso de a-SiC: H: Tb3+, se observa una disminución del efecto de enfriamiento de la concentración, lo que sugiere un mecanismo adicional para aumentar la intensidad de emisión de luz relacionada con Tb. / In the present thesis the optical properties and light emission features of Tb-doped amorphous AlN, SiN and SiC:H thin films are assessed. The optical characterization is focused in the determination of the bandgap, Urbach energy and Urbach focus from optical measurements. A model, based on thermal band-fluctuations, to describe the fundamental absorption overlapped with Urbach tails is developed. Thenceforth, an analysis of the existence and meaning of the Urbach focus is performed and contrasted with the latter model. One of the main results in this part is the capability of aforementioned model to distinguish the Urbach and Tauc regions of the absorption coefficient. In this matter, a-SiC:H thin films grown with distinct hydrogen dilution conditions exhibited an uncorrelated bandgap with the Urbach energy when using this model, contrary to what is typically observed after applying the Tauc model. The light emission features analysis is concerned with the thermal activation process that rare earth ions suffer when annealing the samples. The effect of the annealing temperature, sample temperature and rare earth concentration on the light emission intensity is assessed under photon and electron excitation sources. A rate equation model is used to fit the overall Tb-related intensity of a-SiC:H:Tb3+ versus the Tb concentration after different annealing temperatures. An activation energy associated to the thermal activation is recovered. Finally, in the case of a-SiC:H:Tb3+ a diminution of the concentration quenching effect is observed suggesting an additional mechanism to enhance the Tb-related light emission intensity. / In dieser Arbeit werden die optischen Eigenschaften und die Lichtemission der dünnen amorphen Schichten AlN, SiN und SiC:H dotiert mit Tb untersucht. Die optische Charakterisierung beschränkt sich auf die Bestimmung der Bandlücke, der Urbachenergie und den Urbachfokus. Basierend auf thermischen Fluktuationen der Bandlücke wird ein Modell entwickelt, welches die fundamentale Absorption in Überlapp mit den Urbachausläufern beschreibt. Es wird die Existenz und die Bedeutung des Urbachfokus analysiert und mit dem vorher entwickelten Modell verglichen. Eine der wichtigsten Ergebnisse dieser Untersuchungen ist die Fähigkeit dieses Modells, den Urbach-Bereich von dem Tauc-Bereich des Abrorptionskoeffizienten zu trennen. Zum Beispiel zeigen dünne Filme aus SiC:H abgeschieden mit unterschiedlichen Wasserstoffflüssen unter Verwendung dieses Modells eine Bandlücke, die nicht mit der Urbach-Energie korreliert ist. Dies unterscheidet sich typischerweise von der Beobachtung der Bandlückenvariation unter Verwendung des Tauc-Modells. Die Untersuchung der Lichtemission konzentriert sich auf den Prozess der thermischen Aktivierung, welchen die Seltenerdionen bei Ausheilung der Proben erleiden. Der Effekt der Ausheiltemperatur, der Probentemperatur und der Konzentration der Seltenen Erden auf die Intensität der Lichtemission wird mit Anregung von Photonen und Elektronen untersucht. Es wird ein Änderungsratenmodell der Übergänge verwendet, um die globale mit Tb assoziierte Lichtemission der dünnen a-SiC:H:Tb3+, Schichten in Abhängigkeit von der Konzentration by verschiedenen Ausheiltemperaturen zu modellieren. Es konnte eine Aktivierungsenergie der thermischen Aktivierung bestimmt werden. Zuletzt beobachtet man im Falle von a-SiC:H:Tb3+ eine Verminderung der Unterdrückung der Konzentration, welches ein Hinweis darauf ist, dass ein zusätzlicher Mechanismus für die Erhöhung der Lichtemission mit der Tb Konzentration verantwortlich ist.

In this work, hydroxyapatite (HAp) thin films were fabricated using two different sputtering techniques: Radio frequency magnetron sputtering and ion beam sputtering. In the first case, the films were grown on Ti-6Al-4V substrates using a high-purity commercial HAp target, obtaining a thickness ~200 nm. For the second method, the film were grown on pure titanium substrates using a self-produced HAp target. This target was fabricated with powders (Ca/P = 1.628, sintered and crushed). Here, the thickness of the fabricated film was ~300 nm. The sintering tests for the target fabrication were carried out using two different heating regimens at a maximum temperature of 1200 °C (holding time of 2h and 4h) using various additives. As additives, water (H2O), polyvinyl alcohol (PVA) and polyethylene glycol (PEG) were used to improve the mechanical strength of the green discs. The as-deposited films were amorphous in both cases. Therefore, the films were annealed to increase the crystallinity. Annealing was performed in air for 2h at temperatures: 400, 600 and 800 °C for RF-magnetron sputter samples; 600 and 800 °C for ion beam sputter samples. The result of the films shows in both cases that the crystallinity of HAp was improved only for the annealed samples fabricated with ion beam sputtering at 800 °C. In both cases energy dispersive X-ray spectroscopy measurements show a decrease in Ca/P ratio with increasing the temperature. Hardness results revealed an increase in this with the increase in temperature possibly due to the formation of titanium oxide. The roughness for the fabricated films with the RFmagnetron sputtering increases till an annealing temperature of 600 °C and then decreases till 800 °C, while the roughness for the fabricated films with ion beam sputtering is higher in the as-deposited samples and then this is reduced by increasing the annealing temperature. / Tesis

El efecto del dopaje de terbio sobre las propiedades ópticas, eléctricas y luminiscentes de películas delgadas de óxido de indio dopadas con estaño fue estudiado para distintas temperaturas de recocido. Las películas fueron depositadas a través de la técnica de pulverización catódica de radio frecuencia sobre sustratos de silicio y sílice fundida manteniendo una alta transmitancia en el espectro visible y una resistividad del orden de 103 Ω∙cm. Con el fin de inducir la activación de los iones de terbio en la matriz de óxido de indio dopado con estaño, películas delgadas con distintas concentraciones de terbio fueron calentadas previamente desde 180°C hasta 650°C en atmósfera de aire. La variación del ancho de banda en función de la concentración de terbio y la temperatura de recocido fue evaluada. La variación de la intensidad en la emisión de luz asociada a los iones de terbio en función de la concentración de terbio y la temperatura de recocido también fue registrada, exhibiendo una mayor intensidad a 550°C. La resistividad eléctrica después de cada proceso de recocido fue registrada con el fin de observar y evaluar el compromiso entre la intensidad de emisión de luz y dicha propiedad eléctrica.

El AlN:H es un material prometedor para la pasivación de superficie en celdas solares de silicio con el fin de mejorar su eficiencia de conversión de potencia. La pasivación superficial es la reducción de la tasa de recombinación de superficie de los portadores de carga foto-generados (electrones y agujeros). Con el fin de obtener una mejor comprensión de AlN:H como una capa de pasivación, es importante investigar previamente las propiedades estructurales y morfológicas de diferentes películas delgadas AlN:H. Esta tesis investiga la influencia del hidrógeno en las propiedades estructurales y morfológicas de las películas delgadas de nitruro de aluminio hidrogenado (AlN:H) de ~ 100 nm de espesor. Para lograr este objetivo, las muestras se produjeron por pulverización reactiva en c-Si de tipo p (CZ, 100, dopado con boro, 10 – 20 Ωcm) bajo tres condiciones diferentes de flujo de hidrógeno y dos temperaturas del sustrato diferentes durante el proceso de deposición. La caracterización y análisis de las películas delgadas depositadas se realizó mediante espectroscopia de rayos X de energía dispersiva (EDX), espectroscopia de infrarrojos por transformada de Fourier (FTIR), espectroscopia de emisión óptica de descarga luminiscente (GDOES) para análisis de composición y por medio de mediciones de difracción de rayos X (XRD) y reflectometría de rayos X (XRR) para análisis estructurales y morfológicos. Este trabajo indica que el contenido de hidrógeno en la película delgada depositada produce algunos cambios morfológicos y estructurales en las películas delgadas AlN. Todas las películas delgadas depositadas tienen la estructura cristalina de wurtzita hexagonal. Sin embargo, las mediciones de XRD muestran una disminución en la orientación (002) y un aumento de la orientación de la mezcla entre (100) y (110), con el aumento del flujo de H2. Esta variación implica que el eje c de la película cambia de perpendicular (002) a paralelo (100, 110) con respecto a la superficie del sustrato. El análisis XRR revela que un aumento del flujo de H2 reduce la rugosidad de la película. Adicionalmente, a través de GDOES se confirma la presencia de hidrógeno en todo el volumen de la película delgada con una tendencia a difundirse hacia las superficies. / Tesis

Películas delgadas amorfas semiconductoras de amplio ancho de banda del compuesto pseudobinario (SiC)1-x(AlN)x fueron depositadas por pulverización por un sistema de dos magnetrones de radio frecuencia sobre CaF2, MgO, Al2O3 y vidrio. Con el fin de determinar el ancho de banda óptico versus la composición de la película, se realizaron medidas espectroscópicas de la transmisión de donde el índice de refracción y el coeficiente de absorción fueron calculados y medidas espectroscópicas de la dispersión de energía (EDS) de donde la composición fue determinada. El ancho de banda óptico es determinado para cada composición a partir del coeficiente de absorción de dos maneras distintas: según el gráfico de Tauc y utilizando el gráfico de (αhν)2. la dependencia del ancho de banda con la composición x puede ser descrita por la ley empírica de Vegard para aleaciones.

This thesis investigates the effects of introducing terbium to indium tin oxide (ITO) and aluminum zinc oxide (AZO) thin films on their electrical, optical and light emission properties. The films were prepared by radio frequency magnetron co-sputtering with active cooling during deposition. The samples maintained a high optical transmittance in the ultraviolet and visible spectral regions. ITO:Tb showed a low electrical resistivity ranging from 5×10−3 Ω·cm to 0.3Ω·cm, whilst AZO:Tb resulted with a high resistivity which could not be measured with the available equipment. Tb-related luminescence was obtained in ITO:Tb after annealing at 470 ◦C in air at atmospheric conditions. Contrastingly, AZO:Tb showed characteristic Tb luminescence in the as-grown state and further annealing treatments reduced the Tb-related intensity. For both materials, the optical transmittance was measured at each annealing temperature to track the changes in the optical parameters such as optical band gap and Urbach energy. Additionally, exciton binding energy in the case of AZO:Tb was also registered. Together with cathodoluminescence and photoluminescence (PL) measurements, the compromise between the achieved light emission intensity, optical and electrical properties was assessed for each material. Temperature dependence of the Tb-related luminescence and thermal quenching was assessed by temperature-dependent PL measurements from 83K to 533K under non-resonant indirect excitation. Thermal quenching activation energies suggest an effective energy transfer mechanism from the host to the Tb ions. In the case of ITO:Tb, it is assumed that a short-range charge trapping process and subsquent formation of bound excitons to Tb ion clusters is occuring at low sample temperatures. This indirect excitation mechanism is modeled using a spherical potential-well and a tight-binding one-band approximation models. For AZO:Tb, a similar approach is carried out, although the excitons are assumed to be bound to Tb ion clusters or Tb complexes that arise from the coordination with AZO intrinsic defects.

Los índices de refracción complejos de películas delgadas de perovskitas de haluros mixtos de formamidinio-cesio de plomo (FA0.83Cs0.17Pb(I1 − xBrx)3), con composiciones variando de x = 0 a 0.4, y para topografías planas y de textura rugosa, son reportadas. Las películas se caracterizan por medio de una combinación de elipsometría espectral de ángulo variable y transmitancia espectral en el rango de longitudes de onda de 190 nm a 850 nm. Las constantes ópticas, espesores de las películas y las capas de microrugosidad, son determinadas con un método “punto a punto”, minimizando una función de error global, sin hacer uso de modelos de dispersión, e incluyendo información topográfica proporcionada por un microscopio con focal láser. Para evaluar el potencial de ingeniería del ancho de banda del material, sus anchos de banda y energías de Urbach son determinadas con exactitud haciendo uso de un modelo de fluctuaciones de banda para semiconductores directos. Este considera las colas de Urbach y la región de absorción banda a banda fundamental en una sola ecuación. Con esta información, la composición que brindaría el ancho de banda óptimo de 1.75 eV para una celda solar tándem Siperovskita es determinada. / The complex refractive indices of formamidinium cesium lead mixed-halide (FA0.83Cs0.17Pb(I1 − xBrx)3) perovskite thin films of compositions ranging from x = 0 to 0.4, with both flat and wrinkle-textured surface topographies, are reported. Films are characterized using a combination of variable angle spectroscopic ellipsometry and spectral transmittance in the wavelength range of 190 nm to 850 nm. Optical constants, film thicknesses and roughness layers are obtained point-by-point by minimizing a global error function, without using optical dispersion models, and including topographical information supplied by a laser confocal microscope. To evaluate the bandgap engineering potential of the material, the optical bandgaps and Urbach energies are then accurately determined by applying a band fluctuations model for direct semiconductors, which considers both the Urbach tail and the fundamental band-to-band absorption region in a single equation. With this information, the composition yielding the optimum bandgap of 1.75 eV for a Si-perovskite tandem solar cell is determined.

This thesis investigates the effects of the annealing treatments on the spontaneous emission, radiative lifetime, composition and structure of terbium doped aluminum nitride films deposited on silicon substrates by radio frequency magnetron sputtering. The purpose of this thesis is to determine the Judd-Ofelt intensity parameters from the emission spectrum, in order to calculate the radiative lifetime, branching ratios and spontaneous emission probability. The optimal annealing temperature for the emission of terbium doped aluminum nitride is investigated. The annealing treatment was performed in the temperature range starting from 500 up to 1000°C. Two annealing techniques were investigated: rapid thermal processing and a rather slower quartz tube furnace. Furthermore, two heating approaches were applied: direct heating at 500, 750, 900 and 1000 °C, and multistep heating of 500-750°C, 750-900°C and 900-1000°C. The film was then characterized to determine which conditions resulted in the highest emission of Tb. The film characterization includes the use of X-ray diffraction to study the film’s crystal orientation, Energy dispersive X-ray spectroscopy to determine the film composition, Scanning electron microscopy and Reflection high-energy electron diffraction to resolve the surface morphology and structure of the film respectively. The luminescent intensity and the radiative lifetime were analyzed using cathodoluminescence measurement and Judd-Ofelt analysis. This work shows that the activation of the Tb ions to enhance the emitted cathodoluminescence intensity depends on the structure of the film and the oxygen concentration. The best annealing temperature to produce the highest emitted light intensity in this set of experiments were the single-step heating at 750°C using rapid thermal processing. / En la presente tesis se investiga la influencia del tratamiento térmico en la probabilidad de emisión espontánea, el tiempo de vida radiativa, la composición y la estructura de películas delgadas de nitruro de aluminio dopadas con terbio depositadas sobre substratos de silicio por la técnica de pulverización catódica de radiofrecuencia. La tesis tiene por objetivo aplicar el análisis de Judd-Ofelt usando el espectro de emisión. Se propone un método que utiliza la intensidad de las bandas de transición del espectro de emisión y las ecuaciones de Judd-Ofelt para calcular las propiedades espectrales: tiempo de vida radiativa, tasa de los canales de transición y probabilidad de emisión espontánea. Usando el software Wolfram Mathematica 9.0 se implementa un programa con el método propuesto. Las películas se trataron térmicamente a 500, 750, 900 y 1000 °C. Se investigaron dos técnicas del tratamiento térmico: Tratamiento térmico rápido y Horno tubular de vidrio de cuarzo. Con el tratamiento térmico rápido se usaron dos tipos de calentamiento: calentamiento directo a la temperatura de tratamiento térmico, y calentamiento sucesivo de la película desde la menor hasta la mayor temperatura. El análisis estructural de las películas fue realizada con difracción de rayos X. A nivel de superficie se caracterizó la estructura y la morfología con las técnicas de difracción de electrones reflejados de alta energía y microscopía electrónica de barrido. La luminiscencia fue medida con la técnica de catodoluminiscencia. Las propiedades espectrales fueron calculadas usando el método propuesto. La intensidad de luz emitida se incrementó y luego decayó con la temperatura de tratamiento. La relación entre la intensidad de emisión, la estructura, composición y los parámetros de Judd-Ofelt son mostrados mediante gráficas y tablas. Los resultados obtenidos muestran una mayor activación de los iones de terbio en las películas calentadas directamente a 750°C usando el tratamiento térmico rápido. / Tesis

The present thesis reviews different models that describe the fundamental absorption of amorphous semiconductors. These models make use of the electronic density of states to shape the absorption coefficient in the fundamental absorption region. The study focuses on the optical absorption of hydrogenated amorphous Silicon (a-Si:H), hydrogenated and non-hydrogenated amorphous silicon carbide (a-SiC:Hx), and silicon nitride (a-SiN) thin films. On the one hand, parameters like the Tauc-gap and Urbach energy are obtained from the absorption coefficient using the traditional models. On the other hand, a recently proposed model based on band thermal fluctuations was assessed [1]. This model allows a determination of the mobility gap and the Urbach energy from a single fit of the absorption coefficient without the need of identifying the Tauc region beforehand. Furthermore, it is able to discriminate the variation of the Urbach energy from the bandgap. The results allow the evaluation of the aforementioned parameters with annealing treatments at different temperatures. The mobility edges are insensitive to the structural disorder by at least one degree lower than the Urbach energy. This work demonstrates that it is possible to obtain the mobility edge through this model. In addition, the measured Tauc-gap and Urbach energy exhibit a strong linear correlation following the Cody model for all three materials. Finally, the Urbach focus concept is evaluated and estimated under different analysis. / En la presente tesis se revisan los diferentes modelos que describen la absorción fundamental de los semiconductores amorfos. Estos modelos hacen uso de la densidad de estados electrónicos para la forma del coeficiente de absorción en la región fundamental de absorción. El estudio se centra en la absorción óptica de películas delgadas de silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H), carburo de silicio hidrogenado y sin hidrogeno amorfo a- SiC:Hx y nitruro de silicio amorfo a-SiN. Se obtuvieron parámetros como el Tauc-gap y la energía Urbach. Luego, se probó un modelo propuesto recientemente que considera las fluctuaciones térmicas de la banda. Este modelo permite determinar la brecha de los bordes de movilidad y la energía Urbach aplicando un solo ajuste del coeficiente de absorción sin la necesidad de la identificación de la región Tauc y Urbach de antemano. Además, es capaz de discriminar la variación de la energía de Urbach en banda prohibida. Los resultados permiten la evaluación de los parámetros antes mencionados, con el recocido de los tratamientos a diferentes temperaturas. Tomando ventaja que los bordes de movilidad deben permanecer insensible al desorden estructural (al menos en un grado menor que la energía Urbach) este trabajo demuestra que es posible obtener el borde movilidad a través de este modelo. Además, la medida Tauc-gap y la energía Urbach mostraron una fuerte conexión reproduciendo la relación lineal de Cody para los tres materiales. Por último, el concepto del foco Urbach se evalúa y se estima por diferentes análisis como son: ajuste global, relación lineal de Cody, análisis de Orapunt y nuestra aproximación. / Tesis