La miniaturisation depuis 50 ans des composants, transistors MOSFET à base de silicium, dans les technologies CMOS est de plus en plus limité par l'apparition de phénomènes quantiques dans les dispositifs de taille sub-0,1 µm. L'épaisseur requise pour l'isolant de grille devenant trop faible, cela induit une très forte augmentation des courants de fuites à travers le diélectrique. Une solution pour résoudre ce problème est de remplacer la silice (SiO2), qui est l'isolant naturel du substrat de Si, par un autre matériau qui a une constante diélectrique plus élevée que celle de la silice. Avec ces oxydes « high-κ » on peut viser une épaisseur physique d'isolant plus élevée et donc diminuer les courants de fuites tout en maintenant la capacité surfacique du transistor constante. <br />Les solutions industrielles actuelles développées sont à base d'oxydes « high-κ » amorphes. Une alternative serait l'utilisation d'oxydes monocristallins épitaxiés directement sur silicium qui permettrait de retrouver les propriétés de l'oxyde massif et d'obtenir des interfaces abruptes sans présence de couches interfaciales. Cependant le choix du matériau est limité par le désaccord de maille avec le substrat et aussi par la compatibilité et la stabilité thermodynamique des oxydes vis-à-vis du Si. Les matériaux explorés dans cette thèse ont été LaAlO3 et Gd2O3 choisis pour leurs propriétés électroniques (constante diélectrique et discontinuités de bandes) et γ-Al2O3 choisi pour ses qualités thermodynamiques vis-à-vis du Si. La méthode d'élaboration utilisée a été l'épitaxie par jets moléculaires (EJM).<br />Nous avons tout d'abord commencé par étudier le système LaAlO3/Si. Après avoir défini les conditions optimales de croissance (température, pression d'oxygène et vitesse de croissance), par homoépitaxie (sur un substrat de LaAlO3(001)) et hétéroépitaxie (sur un substrat de SrTiO3(001)), nous avons exploré les possibilités de faire croître cet oxyde directement sur Si(001). N'ayant pas pu trouver de fenêtre de croissance compatible, une solution a été d'utiliser une fine couche interfaciale de SrO ou de SrTiO3 pour obtenir une phase solide de LaAlO3 sur Si. Cependant les limitations thermodynamiques de l'interface à base d'alcalino-terreux (Sr) rendent incompatible la réalisation de transistors CMOS. <br />Le deuxième oxyde étudié a été l'oxyde de gadolinium (Gd2O3). Si la croissance s'est révélée monodomaine et de très bonne qualité sur Si(111), nous avons observé une croissance bidomaine sur substrat de Si(001). Ceci provient de l'alignement des plans (110) de l'oxyde sur les plans (001) du Si, tournés de 90° à chaque marche de silicium, Nous avons alors montré que l'utilisation d'un substrat vicinal de Si(001) désorienté de 6° permet de favoriser qu'un seul domaine de Gd2O3. Malgré ses limitations (formation de silicate interfacial à hautes températures) le système Gd2O3/Si est actuellement considéré comme un des plus intéressants pour l'intégration dans les technologies CMOS.<br />Afin d'obtenir des interfaces abruptes et stables thermodynamiquement, nous avons exploré les possibilités offertes par l'oxyde γ-Al2O3. Après avoir mis en évidence la possibilité de faire croître un film fin de γ-Al2O3(001) pseudomorphe avec une interface cohérente, nous avons défini différents assemblages possibles combinant γ-Al2O3 et un oxyde « high-κ ». Une solution originale qui permet d'intégrer un oxyde « high-κ » cristallin sur Si avec une interface abrupte et stable a été proposée.

Cette thèse se situe dans un des axes principaux de l'INL qui a pour objectif de développer des procédés de fabrication de films minces d'oxydes monocristallins, épitaxiés sur silicium. Ces oxydes pourraient remplacer les oxydes de grille amorphes de type SiOxNy ou HfSixOyNz et répondre au cahier des charges de la « Road Map » de l'ITRS dans les futures filières CMOS sub 22nm. L'intérêt de maîtriser l'épitaxie d'oxydes sur silicium va bien au-delà de l'application au CMOS. Un tel savoir faire serait une brique technologique essentielle pour pouvoir développer des filières d'intégration monolithique sur silicium.<br /><br />Dans ce contexte, l'objectif principal de ma thèse a été de mener une étude approfondie des propriétés physicochimiques et structurales de couches fines d'oxydes élaborées par Epitaxie par Jets Moléculaires (EJM) sur substrat silicium ou oxyde, en utilisant la spectroscopie de photoélectrons (XPS) et la diffraction de photoélectrons (XPD).<br /><br />Nous avons étudié dans un premier temps la relaxation de films minces de LaAlO3 et de BaTiO3 épitaxiés sur des substrats de SrTiO3(001). Nous avons montré qu'au-dessous d'une certaine épaisseur critique ces deux oxydes sont contraints de façon pseudomorphiques sur SrTiO3(001). De plus nous avons clairement mis en évidence une forte augmentation de la déformation ferroélectrique pour une couche contrainte de BaTiO3.<br /><br />Dans un deuxième temps, nous avons aussi étudié la croissance de LaAlO3 sur Si(001). LaAlO3 est amorphe pour des températures de croissance en dessous de 500°C. Pour des températures supérieures il y a formation de silicates à l'interface qui empêche la cristallisation. Pour surmonter cette difficulté, des procédés d'ingénierie d'interface ont été développés pour limiter les réactions interfaciales et réussir la croissance épitaxiale. Ils sont basés sur l'utilisation de couches tampons interfaciales d'oxydes comme SrO, SrTiO3 et Al2O3.<br /><br />Enfin, nous avons comparé les modes de croissance et la stabilité d'interface d'Al2O3 et de Gd2O3 épitaxiés sur Si(111) et Si(001). Les résultats prouvent que la croissance de ces deux oxydes sur Si(111) a une orientation suivant [111]. Par contre sur Si(001) le mécanisme de croissance est plus complexe avec des relations d'épitaxie et des orientations inhabituelles.

High voltage rotating machines play a significant role in generation and use of electrical energy as the demand for power continues to increase. However, one of the main causes for down times in high voltage rotating machines is related to problems with the winding insulation. The utilities want to reduce costs through longer maintenance intervals and a higher lifetime of the machines. These demands create a challenge for the producers of winding insulations, the manufacturers of high voltage rotating machines and the utilities to develop new insulation materials which can improve the life of the equipment and reduce the maintenance cost. The advent of nanotechnology in recent times has heralded a new era in materials technology by creating opportunities to significantly enhance the properties of existing conventional materials. Polymer nanocomposites belong to one such class of materials that exhibit unique combinations of physical, mechanical and thermal properties which are advantageous as compared to the traditional polymers or their composites. Even though they show tremendous promise for dielectric/electrical insulation applications, there are no studies relating to the long term performance as well as life estimation of the nanocomposites. Considering this, an attempt is made to generate an understanding on the feasibility of these nanocomposites for electrical insulation applications. An epoxy based nanocomposite system is chosen for this study along with alumina (Al2O3) and silica (SiO2) as the nanofillers. The first and the foremost requirement for studies on polymer nanocomposites is to achieve a uniform dispersion of nanoparticles in the polymer matrix, as nanoparticles are known to agglomerate and form large particle sizes. A laboratory based direct dispersion method is used to process epoxy nanocomposites in order to get well dispersed samples. A detailed microscopy analysis of the filler dispersion using Scanning Electron Microscope (SEM) has been carried out to check the dispersion of the nanofiller in the polymer. An attempt is made to characterize and analyze the interaction dynamics at the interface regions in the epoxy nanocomposite by glass transition temperature (Tg) measurements and Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy studies. The values of Tg for the nanocomposites studied decreases at 0.1 wt% filler loading and then starts to increase gradually with increase in filler loading. This Tg variation suggests that there is certainly an interaction between the epoxy chains and the nanoparticles. Also no new chemical bonds were observed in the spectra of epoxy nanocomposite as compared to unfilled epoxy. But changes were observed in the peak intensity and width of the –OH band in the spectrum of epoxy nanocomposite. This change was due to the formation of the hydrogen bonding between the epoxy and the nanofiller. The thermal conductivity of the epoxy alumina and the epoxy silica nanocomposites increased even with the addition of 0.1 wt% of the filler. This increase in thermal conductivity is one of the factors that make these nanocomposites a better option for electrical insulation applications. The dielectric properties of epoxy nanocomposites obtained in this investigation also reveal few interesting behaviors which are found to be unique and advantageous as compared to similar properties of unfilled materials. It is observed that the addition of fillers of certain loadings of nanoparticles to epoxy results in the nanocomposite permittivity value to be lower than that of the unfilled epoxy over the entire range of frequencies [10-2-106 Hz] considered in this study. This reduction has been attributed to the inhibition of polymer chain mobility caused by the addition of the nanoparticles. The tan values are almost the same or lower as compared to the unfilled epoxy for the different filler loadings considered. This behavior is probably due to the influence of the interface as the strong bonding at the interface will make the interface very stable with fewer defects apart from acting as charge trapping centres. From a practical application point of view, the surface discharge resistant characteristics of the materials are very important and this property has also been evaluated. The resistance to surface discharge is measured in the form of roughness on the surface of the material caused by the discharges. A significant enhancement in the discharge resistance has been observed for nanocomposites as compared to unfilled epoxy/ microcomposites, especially at longer exposure durations. The partial discharge (PD) measurements were carried out at regular intervals of time and it is observed that the PD magnitude reduced with discharge duration in the case of epoxy alumina nanocomposites. An attempt was made to understand the chemical changes on the surface by conducting the FTIR studies on the aged surface. For all electrical insulation applications, materials having higher values of dielectric strengths are always desired and necessary. So AC breakdown studies have also been conducted. The AC breakdown strength shows a decreasing trend up to a certain filler loading and then an increase at 5 wt% filler loading for epoxy alumina nanocomposites. It has been also observed that the type of filler as well as the thickness of the filler influences the breakdown strength. The AC dielectric strength of microcomposites are observed to be lower than the nanocomposites. Extensive research by long term aging studies and life estimation are needed before these new nanocomposites can be put into useful service. So long term aging studies under combined electrical and thermal stresses have been carried out on unfilled epoxy and epoxy alumina nanocomposite samples of filler loading 5 wt%. The important dielectric parameters like pemittivity, tan  and volume resistivity were measured before and after aging to understand the performance of the material under study. The leakage current was measured at regular intervals and tan  values were calculated with duration of aging. It was observed that the tan  values increased drastically for unfilled epoxy for the aging duration considered as compared to epoxy alumina nanocomposites. The life estimation of unfilled epoxy as well as epoxy nanocomposites were also performed by subjecting the samples to different stress levels of 6 kV/mm, 7 kV/mm and 8 kV/mm at 60 oC. It is observed that the epoxy alumina nanocomposite has an enhanced life which is nine times the life of the unfilled epoxy. These results obtained for the nanocomposites enable us to design a better material with improved dielectric strength, dielectric properties, thermal conductivity, resistance to surface discharge degradation and enhanced life without sacrificing the flexibility in the end product and the ease of processing. Dry type transformers and stator winding insulation need to be cast with the above material developed and tested before practically implementing these in the actual application.

The aim of this work is to define relations between grain size and bioaktivity of oxide ceramics, specifically ZrO2, Al2O3 and HA. Ceramic materials with grain size from 100 nm up to 10 m, with various surface roughness, were tested for its bioactivity. Ceramography analysis was performed for all tested materials to precisely describe microstructures. Biological properties of the ceramic materials were tested via dilation tests directly in-vitro and by in-vitro extraction. Three cell culturing lines: osteoblast MG63, fibroblast L929, and epithelioid HeLa, were used for our testing. An influence of the grain size on the biological response was only found for the ceramic materials which had been thermally etched. The thermally etched nanocrystalline samples had larger areas covered by cells than ceramics with coarse grain microstructure. Biological tests on layered composites Al2O3×ZrO2 showed the cell selection determined by the type of material, where ZrO2 surfaces were preferably covered. Improved biological response of nanocrystalline ZrO2 was demonstrated on ceramic ZrO2, Al2O3 and SiO2 substrates with nanocrystalline coating of ZrO2. In this work a novel technological process for the formation of defect-free coatings was developed. Sintered coatings were tested using in-vitro technique with cell line HeLa, L929 and MG63 for up to 72 hours. The results of the biological tests of nanocrystalline coatings were consistent with results from the bulk nanocrystalline thermally etched ZrO2 ceramics.

Paleosols from the Bahamas and the Northern Mariana Islands (CNMI) are closely related to past atmospheric circulation and dust load. In the Bahamas the sources of insoluble residue (IR) must be allogenic because the islands consist of almost pure carbonates. The Al2O3:TiO2 ratio was used to establish the provenance of the IR of the paleosols. Comparisons of this ratio from Bahamian paleosols, North African dust, Lesser Antilles ash and North American loess reveal that the African dust is the major contributor to the IR, with a potential minor volcanic input from the Lesser Antilles. The contribution of the North American loess to the IR was not determined because of geochemical similarities with the North African dust. The study of two outcrops in Eleuthera indicate that paleosols can act as aquicludes. The Bahamian samples were collected on a roughly north-south transect in order to establish the climatic influence on paleosol properties. Even though there is a marked climatic gradient in the Bahamas, the paleosol geochemistry shows no trend that could be related to paleoclimate. While previous studies indicated that the source of insoluble residues in the soils of CNMI is carbonate dissolution, the present study shows that atmospheric deposition of ash from the Mariana arc and dust from the Asian continent may play a significant role in paleosol formation.

Στη παρούσα Διατριβή διερευνήθηκε η χρήση υλικών υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς (high-k) ως οξειδίων ελέγχου σε διατάξεις παγίδευσης φορτίου τύπου MONOS (Μetal-Οxide-Νitride-Οxide-Silicon). Τα οξείδια που εξετάστηκαν ήταν το HfO2, τo ZrO2 και το Al2O3. Η ανάπτυξή τους πραγματοποιήθηκε με χρήση της μεθόδου εναπόθεσης ατομικού στρώματος (ALD). Οι ιδιότητες των δομών μνήμης μελετήθηκαν συναρτήσει: (α) των πρόδρομων μορίων της εναπόθεσης για τα HfO2 και ZrO2, (β) του οξειδωτικού μέσου της εναπόθεσης για την περίπτωση του Al2O3 και (γ) της επακόλουθης ανόπτησης. Η ηλεκτρική συμπεριφορά των δομών εξετάστηκε με την κατασκευή πυκνωτών τύπου MOS. Τα υμένια του HfO2 αναπτύχθηκαν επί διστρωματικής στοίβας SiO2/Si3N4 με (α) αλκυλαμίδιο του χαφνίου (ΤΕΜΑΗ) και Ο3 στους 275 oC, και (β) κυκλοπενταδιενύλιο του χαφνίου (HfD-04) και Ο3 στους 350 οC. Ομοίως, τα υμένια του ZrO2 αναπτύχθηκαν επί διστρωματικής στοίβας SiO2/Si3N4 με: (α) αλκυλαμίδιο του ζιρκονίου (ΤΕΜΑΖ) και Ο3 στους 275 oC και (β) κυκλοπενταδιενύλιο του ζιρκονίου (ZrD-04) με Ο3 στους 350 oC. Ο δομικός χαρακτηρισμός, για το HfO2, φανέρωσε πως η ύπαρξη ή όχι κρυσταλλικού χαρακτήρα και η σύσταση του οξειδίου εξαρτάται τόσο από το πρόδρομο μόριο αλλά και από την ανόπτηση (600 οC, 2 min). Αντίθετα, το ZrO2 έχει σε κάθε περίπτωση κρυσταλλικότητα. Τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των πυκνωτών Si/SiO2/Si3N4/high-k/Pt, δείχνουν ότι οι δομές έχουν ικανοποιητική συμπεριφορά ως στοιχεία μνήμης αφού όλες οι ιδιότητες πληρούν τις βασικές προϋποθέσεις ως στοιχεία μνήμης, παρά την ανυπαρξία ενεργειακού φραγμού μεταξύ στρώματος παγίδευσης και οξειδίου ελέγχου. Η ικανότητα παγίδευσης και η επίδοση των δομών με HfO2 και ZrO2 δεν διαφοροποιούνται σημαντικά με χρήση διαφορετικού πρόδρομου μορίου ή με την ανόπτηση. Ο έλεγχος όμως της αντοχής των δομών σε επαναλαμβανόμενους παλμούς εγγραφής/διαγραφής αναδεικνύει ότι αμφότερες οι δομές που ανεπτύχθησαν με βάση το κυκλοπενταδιενύλιο έχουν μειωμένη αντοχή ηλεκτρικής καταπόνησης. Τo Al2O3 αναπτύχθηκε χρησιμοποιώντας το μόριο ΤΜΑ και ως οξειδωτικό μέσο: (α) H2O, (β) O3 και (γ) Plasma Ο2 (μέθοδος PE-ALD) σε συνδυασμό με ΤΜΑ. Οι δομές στην αρχική κατάσταση, χωρίς ανόπτηση, χαρακτηρίζονται από ισχυρό ρεύμα έγχυσης ηλεκτρονίων από την πύλη (υπό αρνητικές τάσεις) περιορίζοντας την ικανότητα φόρτισης και την επίδοση διαγραφής. Η ανόπτηση σε φούρνο και αδρανές περιβάλλον (850 ή 1050 oC, 15 min) προκάλεσε σημαντική βελτίωση των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών των δομών λόγω του σημαντικού περιορισμού του παραπάνω φαινομένου. Μετά το στάδιο της ανόπτησης οι συνδυασμοί ΤΜΑ/Η2Ο και ΤΜΑ/Plasma Ο2 έχουν καλύτερες χαρακτηριστικές σε σχέση με αυτές του συνδυασμού ΤΜΑ/Ο3. Το φαινόμενο της διαρροής ηλεκτρονίων από την πύλη αποδίδεται στη μεγάλη συγκέντρωση και χωρική κατανομή του υδρογόνου στο υμένιο υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς. Τέλος, διερευνήθηκε η τροποποίηση των ιδιοτήτων μνήμης των δομών με εμφύτευση ιόντων αζώτου χαμηλής ενέργειας και υψηλής δόσης στο Al2O3 και επακόλουθη ανόπτηση υψηλής θερμοκρασίας. Η παρουσία αζώτου στο υμένιο καθώς και ο χημικός δεσμός του εμφυτευμένου αζώτου είναι συνάρτηση της θερμοκρασίας ανόπτησης. Επομένως, οι ιδιότητες μνήμης εξαρτώνται από τη μορφή σύνδεσης και την συγκέντρωση του εμφυτευμένου αζώτου στο τροποποιημένο Al2O3. Η υψηλή θερμοκρασία ανόπτησης (1050 οC, 15 min) φαίνεται να αποφέρει δομές με τις καλύτερες ιδιότητες μνήμης. / This thesis studies the functionality of high-k oxides as blocking oxide layers in SONOS type charge-trap memory devices. The oxide materials that were examined were the HfO2, the ZrO2 and the Al2O3. All these blocking oxide layers were deposited by atomic layer deposition technique (ALD). The electrical performance of the trilayer stacks was examined using Pt-gate MOS-type capacitors. The properties of the memory structures were examined as a function of: (a) precursor chemistry of HfO2 and ZrO2 deposition, (b) the deposition oxidizing agent in the case of Al2O3 and (c) subsequent high temperature annealing steps. The HfO2 films were deposited on SiO2/Si3N4 bilayer stacks using: (a) hafnium alkylamide (TEMAH) and O3 at 275 oC, and (b) hafnium cyclopentadienyl (HfD-04) and O3 at 350 oC. Similarly the ZrO2 films were deposited by (a) zirconium alkylamide (TEMAZ) and O3 at 275 oC, and (b) zirconium cyclopentadienyl (ZrD-04) and O3 at 350 oC The structural characterization of the HfO2 showed that the crystallinity of the deposited high-k material depends on the precursor choice and the post deposition annealing step (600 °C, 2 min). On the contrary ZrO2 is deposited in a crystalline phase independent of the deposition conditions and the choice of the precursors. The electrical characterization of Si/SiO2/Si3N4/high-k/Pt capacitors showed that all fabricated structures operate well as memory elements, despite the absence of an energy barrier between the trapping layer and control oxide. The trapping efficiency and the performance of structures with HfO2 or ZrO2 blocking layers do not revealed a dependence upon the precursor chemistry. However, endurance testing using continuous write/erase pulses showed that both structures deposited by cyclopentadienyl precursors cannot sustain the resulting electrical stress. The Al2O3 layers were deposited using the TMA molecule while three different oxidizing agents were used: (a) H2O, (b) O3 and (c) oxygen plasma. Electrical testing of the resulting Pt-gate trilayer capacitors showed that in the deposited condition all three samples were characterized by gate electrode induced electron leakage currents in the negative bias regime, which completely masked the substrate hole injection effects. This effect limits the performance and the functionality of the memory stacks. After a high temperature annealing step (850 or 1050 oC, 15 min) this leakage current is reduced significantly and the stacks can function as memory elements. The results point to suggest that after annealing the best performance is exhibited by the TMA/H2O and TMA/Plasma O2 samples. The effect of gate induced electron leakage current is attributed to hydrogen related contamination, which has been verified by ToF-ERDA in depth profile measurements, at least for the case of TMA/H2O samples. The modification of the memory properties of the SiO2/Si3N4/Al2O3 stacks was also investigated using low energy and high fluence nitrogen implantation into Al2O3 layer. The concentration and the chemical bonding of the implanted nitrogen is a function of annealing temperature. The memory properties of the stack depend therefore on the chemical bonding and the concentration of the remaining nitrogen in the modified Al2O3. The high temperature annealing (1050 oC, 15 min) appears to provide the structures with improved memory properties in terms of retention and fast erase performance.