No description available.

Master of Science / Department of Chemical Engineering / J. H. Edgar / Boron phosphide, BP, is a III-V compound semiconductor with a wide band gap of 2.0 eV that is potentially useful in solid state neutron detectors because of the large thermal neutron capture cross-section of the boron-10 isotope (3840 barns). In this study, cubic BP crystals were grown by crystallizing dissolved boron and phosphorus from a nickel solvent in a sealed (previously evacuated) quartz tube. The boron - nickel solution was located at one end of the tube and held at 1150°C. Phosphorus, initially at the opposite end of the tube at a temperature of 430°C, vaporized, filling the tube to a pressure of 1–5 atmospheres. The phosphorus then dissolved into solution, producing BP. Transparent red crystals up to 4 mm in the largest dimension with mostly hexagonal shape were obtained with a cooling rate of 3°C per hour. The crystal size decreased as the cooling rate increased, and also as growth time decreased. The characterization with x-ray diffraction (XRD) and Raman spectroscopy established that the BP produced through this method were highly crystalline. The lattice constant of the crystals was 4.534 Ǻ, as measured by x-ray diffraction. Intense, sharp Raman phonon peaks were located at 800 cm[superscript]-1 and 830 cm[superscript]-1, in agreement with the values reported in the literature. The FWHM for XRD and Raman spectra were 0.275° and 4 cm[superscript]-1 which are the narrowest ever reported and demonstrates the high quality of the produced crystals. Energy dispersive x-ray spectroscopy (EDS) and scanning electron microscope (SEM) also confirmed the synthesized crystals were cubic BP crystals, with a boron to phosphorus atomic ratio of 1:1. Defect selective etching of BP at 300ºC for two minutes with molten KOH/NaOH revealed triangular and striated etch pits with low densities of defects of ~4 x 10[superscript]7 cm[superscript]-2 and 9.2 x 10[superscript]7 cm[superscript]-2 respectively. The BP crystals were n-type, and an electron mobility of ~39.8 cm[superscript]2/V*s was measured. This is favorable for application in neutron detection. Scaling to larger sizes is the next step through gradient freezing and employing a larger crucible.

Ce travail de thèse porte sur les propriétés structurales, optiques et électriques de nanostructures et alliages à base de GaP pour la photonique intégrée sur silicium. Parmi les méthodes d’intégration des semi-conducteurs III-V sur Si, l’intérêt de l’approche GaP/Si est tout d’abord discuté. Une étude de la croissance et du dopage de l’AlGaP est présentée afin d’assurer le confinement optique et l’injection électrique dans les structures lasers GaP. Les difficultés d’activation des dopants n sont mises en évidence. Ensuite, les propriétés de photoluminescence des boites quantiques InGaAs/GaP sont étudiées en fonction de la température et de la densité d’excitation. Les transitions optiques mises en jeu sont identifiées comme étant des transitions indirectes de type-I avec les électrons dans les niveaux Xxy et les trous dans les niveaux HH des boites quantiques InGaAs et de type-II avec les électrons dans les niveaux Xz du GaP contraint. Malgré une modification notable de la structure électronique de ces émetteurs, une transition optique directe et type I n’est pas obtenue ce qui reste le verrou majeur pour la promotion d’émetteurs GaP sur Si. La maitrise de l’interface GaP/Si et de l’injection électrique est par ailleurs validée par la démonstration de l’électroluminescence à température ambiante d’une LED GaPN sur Si. Si l’effet laser n’est pas obtenu dans les structures lasers rubans GaP, un possible début de remplissage de la bande Гdans les QDs est discuté. Enfin, l’adéquation des lasers à l’état de l’art avec les critères d’interconnections optiques sur puce est discutée. / This PhD work focuses on the structural, optical, electrical properties of GaP-based nanostructures and alloys for integrated photonics on silicon. Amongst the integration approaches of III-V on Si, the interest of GaP/Si is firstly discussed. A study of the growth and the doping of AlGaP used as laser cladding layers (optical confinement and electrical injection) is presented. The activation complexity of n-dopants is highlighted. Then, the photoluminescence properties of InGaAs/GaP quantum dots are investigated as a function of temperature and optical density. The origin of the optical transitions involved are identified as (i) indirect type-I transition between electrons in Xxy states and holes in HH states of quantum dots InGaAs and (ii) indirect type-II with electrons in Xz states of strained GaP. Despite an effective modification in the electronic structure of these emitters, a direct type I optical transition is not demonstrated. This is the major bottleneck in the promotion of GaP based emitters on Si. This said, the control of the GaP/Si interface and electrical injection are confirmed by the demonstration of electroluminescence at room temperature on Si. If no laser effect is obtained in rib laser architectures, a possible beginning of Г band filling in QDs is discussed. Finally, the adequacy of state of the art integrated lasers with the development of on-chip optical interconnects is discussed.

Die ternären Systeme Ti/P/Te, Ce/P/Te und Si/P/Te wurden in der vorliegenden Dissertation hinsichtlich der Existenz neuer Verbindungen untersucht. Diese Verbindungen wurden insbesondere in Bezug auf ihre thermochemischen Eigenschaften charakterisiert. Durch Kombination von experimentellen Untersuchungen und thermodynamischen Modellierungen der ablaufenden Festkörper-Gasphasen-Gleichgewichte konnten die Synthesen der neuen Verbindungen optimiert werden. Abschließend erfolgte zudem die physikalische und kristallographische Charakterisierung der gefundenen Phosphidtelluride.

Die ternären Systeme Ti/P/Te, Ce/P/Te und Si/P/Te wurden in der vorliegenden Dissertation hinsichtlich der Existenz neuer Verbindungen untersucht. Diese Verbindungen wurden insbesondere in Bezug auf ihre thermochemischen Eigenschaften charakterisiert. Durch Kombination von experimentellen Untersuchungen und thermodynamischen Modellierungen der ablaufenden Festkörper-Gasphasen-Gleichgewichte konnten die Synthesen der neuen Verbindungen optimiert werden. Abschließend erfolgte zudem die physikalische und kristallographische Charakterisierung der gefundenen Phosphidtelluride.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese phosphorhaltiger anorganischer Verbindungen in ionischen Flüssigkeiten (engl. ionic liquids, ILs) und legt einen Schwerpunkt auf die Untersuchung der grundlegenden mechanistischen Abläufe, insbesondere auf die Aktivierung von elementarem Phosphor in ILs. Durch die Kombination spektroskopischer und theoretischer Methoden wurde ausführlich das chemische Verhalten von Phosphorhalogeniden in halogenidhaltigen ILs analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass nach der Auflösung von rotem Phosphor mit Iod ein Gleichgewicht in der Lösung vorliegt, welches zu der Bildung von Tetrachlorophosphat führt. Insgesamt weist der beobachtete, dynamische Koordinationsprozess der Liganden Ähnlichkeiten zu einer strukturellen Diffusion bzw. Grotthuss-Diffusion auf. Diese Mischungen könnten somit potenziell als kostengünstige Elektrolyte verwendet werden. In weiteren Untersuchungen gelang es, aus Cu und rotem Phosphor in halogenidhaltigen ILs reproduzierbar und in hoher Reinheit Cu3−xP (x = 0,05) zu synthetisieren. Die Optimierung der Reaktion ermöglichte dabei Ausbeuten von über 99 %. Während der Reaktion kommt es zu einer IL-induzierten nukleophilen Aktivierung des roten Phosphors, wodurch hochreaktive P4-Moleküle gebildet werden. Durch die direkte Verwendung von P4 in ILs konnte nachfolgend erstmals kupferarmes Cu3−xP (0,1 < x < 0,7) gezielt synthetisiert werden, ohne das phosphorreiche Nebenprodukte gebildet wurden. Die elektrochemische Charakterisierung unterschiedlicher Cu3−xP-Phasen als Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Akkumulatoren zeigte, dass sich das chemische Verhalten gegen Li mit der Zusammensetzung des Materials ändert. Da sich kupferarmes Cu3−xP durch eine höhere Kapazität und kupferreiches Material durch eine bessere Zykelnstabilität auszeichnet, erlauben die Ergebnisse dieser Arbeit die weitere Optimierungen dieses Materials für den Einsatz in Akkumulatoren.:1. Motivation und Einleitung 1 1.1. Klassische Flussmittel in der Materialsynthese 2 1.2. Ionische Flüssigkeiten 4 1.2.1. Struktur und Eigenschaften 4 1.2.2. Anwendung in der Synthese von anorganischen Materialien 6 1.3. Reaktionen mit elementarem Phosphor in ionischen Flüssigkeiten 8 1.3.1. Struktur und Eigenschaften der Phosphormodifikationen 8 1.3.2. Synthetische Verwendung in ionischer Flüssigkeit 10 1.4. Zielstellung der Arbeit 11 2. Allgemeiner experimenteller Teil 12 2.1. Schutzgasatmosphäre 12 2.2. Verwendeten Chemikalien 12 2.2.1. Anorganische Ausgangsverbindungen 12 2.2.2. Ionische Flüssigkeiten 13 2.2.3. Lösungsmittel 14 2.2.4. Präparationsvorschriften 14 2.3. Charakterisierungsmethoden 15 2.3.1. Röntgenpulverdiffraktometrie 15 2.3.2. Einkristall-Röntgenstrukturanalyse 15 2.3.3. Rasterelektronenmikroskopie 15 2.3.4. Energiedispersive Röntgenspektroskopie 16 2.3.5. Elementaranalyse 16 2.3.6. Kernspinresonanzspektroskopie 17 2.3.7. Raman-Spektroskopie 17 2.3.8. Röntgenabsorptionsspektroskopie 18 2.3.9. Elektronenspinresonanz-Spektroskopie 18 2.3.10. Elektrische Transportmessungen 18 2.3.11. Elektrochemische Charakterisierung 19 2.3.12. Wärmekapazitätsmessungen 20 2.3.13. Quantenchemische Berechnungen 20 3. Untersuchungen zur Bildung von Phosphorhalogeniden aus rotem Phosphor 22 3.1. Einleitung 22 3.2. Experimenteller Teil 23 3.3. Reaktion von rotem Phosphor mit Iod in [BMIm]X (X = Cl, I) 24 3.4. Anionenaustausch von PX3 in [HMIm]X (X = Cl, Br, I) 25 3.4.1. Reaktion von rotem Phosphor mit Iod in [HMIm]X (X = Cl, Br, I) 25 3.4.2. Phosphortrihalogenid-Referenzsystem 26 3.5. Das molekulare Verhalten von PCl3 in [HMIm]Cl 30 3.6. Quantenchemische Rechnungen 33 3.6.1. Molekulardynamische Simulationen 33 3.6.2. Statische DFT-Rechnungen 38 3.6.3. Mechanismus des Halogenaustausches 40 3.7. Zusammenfassung 41 4. Die Synthese von Cu3−xP – ein Modellsystem zur Reaktionsanalyse 43 4.1. Einleitung 43 4.2. Darstellungsmethoden – eine Literaturübersicht 45 4.3. Synthese von Cu3−xP (x = 0,05) in ionischen Flüssigkeiten 47 4.3.1. Synthesevorschrift 47 4.3.2. Produktcharakterisierung 47 4.3.3. Die Stabilität der ionischen Flüssigkeiten unter Synthesebedingungen 49 4.3.4. Analyse des Cu3−xP-Homogenitätsbereiches 50 4.4. Synthese von Cu3−xP (0,1 < x < 0,7) in ionischen Flüssigkeiten 52 4.4.1. Synthesevorschrift 52 4.4.2. Produktcharakterisierung 53 4.4.3. Analyse des Cu3−xP-Homogenitätsbereiches 55 4.5. Mechanistische Untersuchungen zur Cu3−xP-Bildung in [P66614]Cl 57 4.5.1. Experimenteller Teil 57 4.5.2. Diffusionsexperimente mit rotem Phosphor 58 4.5.3. Aktivierung von rotem Phosphor in [P66614]Cl 59 4.5.4. Mechanistische Diskussion der Cu3−xP-Phasenbildung 61 4.6. Untersuchungen zur Optimierung der Phosphoraktivierung 63 4.6.1. Donor- und Akzeptoreigenschaften ionischer Flüssigkeiten 64 4.6.2. Experimenteller Teil 66 4.6.3. Ergebnisse und Diskussion 66 4.7. Anioneneinfluss auf die Cu3−xP-Phasenbildung 69 4.7.1. Experimenteller Teil 69 4.7.2. Ergebnisse und Diskussion 70 4.8. Temperaturabhängige Kristallstrukturanalyse von Cu3−xP 72 4.8.1. Kristallzüchtung 72 4.8.2. Ergebnisse und Diskussion 73 4.9. Physikalische Charakterisierung unterschiedlicher Cu3−xP-Phasen 77 4.9.1. Elektronische Transporteigenschaften 77 4.9.2. Elektrochemische Charakterisierung 79 4.10. Zusammenfassung 82 5. Hochschmelzende ionische Flüssigkeiten in der Synthese von CuP2 84 5.1. Einleitung 84 5.2. Synthesevorschrift 85 5.3. Ergebnisse und Diskussion 85 5.4. Zusammenfassung 88 6. Fazit und Ausblick 89 A. Anhang 91 A.1. Röntgenpulverdiffraktometrie 91 A.2. Einkristall-Röntgenstrukturbestimmung 95 A.3. Rasterelektronenmikroskopie 99 A.4. Energiedispersive Röntgenspektroskopie 101 A.5. Elementaranalyse 107 A.6. Kernspinresonanzspektroskopie 108 A.6.1. Untersuchungen zur Bildung von Phosphorhalogeniden 108 A.6.2. Untersuchungen zur Bildung von Kupferphosphid 114 A.7. Raman-Spektroskopie 119 A.8. Röntgenabsorptionsspektroskopie 121 A.9. Elektronenspinresonanz-Spektroskopie 122 A.10. Elektrische Transportmessungen 123 A.11. Elektrochemische Charakterisierung 124 A.12. Wärmekapazitätsmessungen 125 A.13. Strukturbilder 126 A.14. Fotografien und Skizzen 128 A.14.1. Reaktionsapparaturen 128 A.14.2. Auflösungsversuche von elementarem Phosphor 129 B. Literaturverzeichnis 131 C. Danksagung 145 D. Liste der Publikationen 147 E. Liste der Kooperationen 149 F. Versicherung und Erklärung 151

Photonic switches are becoming key components in advanced optical networks because of the large variety of applications that they can perform. One of the key advantages of photonic switches is that they redirect or convert light without having to make any optical to electronic conversions and vice versa, thus allowing networking functions to be lowered into the optical layer. InP-based switches are particularly attractive because of their small size, low electrical power consumption, and compatibility with integration of laser sources, photo-detectors, and electronic components. In this dissertation the development of integrated InP photonic switches using an area-selective zinc diffusion process has been investigated. The zinc diffusion process is implemented using a semi-sealed open-tube diffusion technique. The process has proven to be highly controllable and reproducible by carefully monitoring of the diffusion parameters. Using this technique, isolated p-n junctions exhibiting good I-V characteristics and breakdown voltages greater than 10 V can be selectively defined across a semiconductor wafer. A series of Mach-Zehnder interferometric (MZI) switches/modulators have been designed and fabricated. Monolithic integration of 1x2 and 2x2 MZI switches has been demonstrated. The diffusion process circumvents the need for isolation trenches, and hence optical losses can be significantly reduced. An efficient optical beam steering device based on InGaAsP multiple quantum wells is also demonstrated. The degree of lateral current spreading is easily regulated by controlling the zinc depth, allowing optimization of the injected currents. Beam steering over a 21 microns lateral distance with electrical current values as low as 12.5 mA are demonstrated. Using this principle, a reconfigurable 1x3 switch has been implemented with crosstalk levels better than -17 dB over a 50 nm wavelength range. At these low electrical current levels, uncooled and d.c. bias operation is made feasible. The use of multimode interference (MMI) structures as active devices have also been investigated. These devices operate by selective refractive index perturbation on very specific areas within the MMI structure, and this is again realized using zinc diffusion. Several variants such as a compact MMI modulator that is as short as 350 µm, a robust 2x2 photonic switch and a tunable MMI coupler have been demonstrated.

This thesis reports the effects of ultrashort laser pulse irradiation of various materials. The morphology after irradiation was examined using several microscopy techniques. Emphasis was placed on the identification of crystallographic changes and the analysis of laser-induced periodic surface structures. Grooves were machined in silicon by translating the target under the focused laser beam. The resulting depths were measured as a function of pulse energy, translation speed, and number of consecutive passes, for 800 and 400nm wavelength irradiation. The wall morphology and a corrugation along the bottom of the grooves were characterized. Various polarization configurations relative to the translation direction were compared. Such characterizations are relevant for the practical application of femtosecond laser micromachining. Silicon and gallium phosphide exhibited periodic structures after irradiation using photon energies less than the bandgap energy, with periods as small as ~20% of the irradiation wavelength. The significantly sub-wavelength periodic structures had a shallow profile on silicon, appearing as fine lines or grids of protrusions and depressions. On gallium phosphide, the surface evolved into planar-like structures with a large aspect ratio, possessing crystalline centers coated with amorphous material. These investigations, along with additional experiments, would help identify the precise physical origins of the short-period structures. On silicon and germanium, the target crystal orientation was shown to affect the formation of certain morphological features. For multiple-pulse irradiation, the (100) and (111) surface orientations exhibited significantly different tendencies for large conical structure formation. A thin layer of defected material coated the conical structures, with some defects present within the periodic structures. The different crystalline orientations did not affect periodic structuring. Cross-sectional transmission electron microscopy of silicon after irradiation by single pulses revealed amorphous material and dislocations in the bulk for sufficiently high pulse fluences. On a sample consisting of a metal layer on thermally-grown oxide on silicon, a range of pulse fluences was found which removed the metal layer without observed thinning of the oxide layer. Within this fluence range, above a particular fluence substantial defects were formed in the underlying silicon. Although ultrashort pulse irradiation of materials is frequently considered to be 'damage-free', attention should be paid to sub-surface modifications not evident from surface imaging. For the drilling of holes in copper foils, the pulse duration did not strongly affect the final morphology for durations under several picoseconds. A photodiode below the foil during drilling recorded transmitted light, indicating the number of pulses required for penetration under a variety of conditions, and characterizing hole evolution during drilling. Periodic surface structuring on the walls of holes depended on the irradiation atmosphere, pulse duration, and laser polarization. These measurements provide insight into the physical processes of material modification, and for the selection of irradiation parameters in practical applications. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

No description available.

Ever since the discovery of the giant magnetocaloric effect (GMCE) in the Gd5(Si,Ge)4 phases, magnetic cooling has gained significant interest because of its potential environmental benefits and increased efficiency compared to vapour-based refrigeration. This current work is focused on one of the most promising GMCE systems, the (Mn,Fe)2(Si,P) materials. An alternative synthetic route has been explored for the Mn2-xFexSi0.5P0.5 and MnFeSiyP1-y series which is capable of producing phase-pure samples. The new preparation technique eliminates common impurities that arise from established methods thus providing a more accurate description of the structural and physical properties. The low cost, non-toxicity, abundance of starting materials and easy tuning of the magnetic properties make these materials desirable for potential applications. Phase-pure magnetocaloric Mn2-xFexSi0.5P0.5 materials (x = 0.6, 0.7, 0.8, 0.9) were synthesized through arc-melting followed by high temperature sintering. Structural features of samples with x = 0.6, 0.9 were studied through temperature dependent synchrotron powder x-ray diffraction. Magnetic measurements established the Curie temperature, thermal hysteresis, and magnetic entropy change of this system. According to the diffraction and magnetization data, all of the samples were shown to have a first-order magnetostructural transition which becomes less pronounced for Mn-richer samples. The MnFeSixP1-x phases (x = 0.30, 0.35, 0.40, 0.48, 0.52, 0.54, 0.56) have also been synthesized by the same method. For the first time, single crystals of x = 0.30, 0.40 were successfully grown. Variable temperature x-ray diffraction experiments for x = 0.30 were completed which show the structural changes across the phase transition. This structural data was complemented with magnetization data providing Curie temperatures and thermal hysteresis. / Thesis / Master of Science (MSc)