La conception des futures générations de capteurs d'images CMOS, nécessite l'intégration de structures 3D telles que les tranchées profondes d'isolation, ou encore l'adoption de nouvelles architectures telles que les capteurs d'images à illumination face arrière. Cependant, l'intégration de telles architectures engendre l'apparition de nouvelles interfaces Si/SiO2, pouvant être la source d'un fort courant d'obscurité Idark, dégradant considérablement les performances électro-optiques du capteur. Ainsi, dans le but d'éliminer le Idark et d'augmenter l'efficacité de collecte et de confinement des photoporteurs au sein de la photodiode, la passivation de ces interfaces par l'introduction d'une jonction fortement dopée a été étudiée. D'une part, la passivation de la face arrière a été réalisée par implantation ionique activée par recuit laser pulsé. Grâce à un traitement très court et localisé, le recuit laser a démontré sa capacité à réaliser des jonctions minces et très abruptes. Une très bonne qualité cristalline ainsi que des taux d'activation avoisinant les 100% ont pu être atteint dans le mode fusion. Le mode sous-fusion quant à lui permet d'obtenir des résultats prometteurs en multipliant le nombre de tir laser. Les résultats électriques ont permis de distinguer les conditions optimales d'implantation et de recuit pour l'achèvement d'un faible niveau de Idark comparable à la référence en vigueur ainsi qu'une bonne sensibilité. Le deuxième axe d'étude s'est intéressé à la passivation des flancs des DTI par épitaxie sélective dopée in-situ. Des dépôts très uniformes de la cavité accompagnés d'une très bonne conformité de dopage le long des tranchées ont pu être réalisés. Les résultats sur lot électrique ont montré un très faible niveau de Idark supplantant la référence en vigueur / In order to maintain or enhance the electro-optical performances while decreasing the pixel size, advanced CMOS Image Sensors (CIS) requires the implementation of new architectures. For this purpose, deep trenches for pixel isolation (DTI) and backside illumination (BSI) have been introduced as ones of the most promising candidates. The major challenge of these architectures is the high dark current level (Idark) due to the generation/recombination centers present at both, DTI sidewalls and backside surfaces. Therefore, the creation of very shallow doped junctions at these surfaces reducing Idark and further crosstalk by drifting the photo-generated carriers to the photodiode region appears as key process step for introducing these architectures. For the backside surface passivation, a very shallow doped layer can be achieved by low-energy implantation followed by very short and localized heating provided by pulsed laser annealing (PLA). In the melt regime, box-shaped profiles with activation rates close to 100% and excellent crystalline quality have been achieved. The non-melt regime shows some potential, especially for multiple pulse conditions. In the optimal process conditions, very low level of Idark comparable to the standard reference has been achieved. In the other side, the passivation of DTI sidewalls has been performed by in-situ doped Epitaxy. Deposited layers with good uniformity and doping conformity all along the DTI cavity have been achieved. The electrical results show Idark values lower than the standard reference

Organic semiconductors show promise to yield a novel class of bendable electronic devices, and much research efforts have focused on the optimization of these films for device performance. It is well known that the structure of organic films has a large influence over the electronic properties. In particular, the carrier mobility is often highly anisotropic, and domain boundaries have a detrimental effect on charge transport. Therefore the domain structure and lattice orientation are of particular interest. However, little is known about the domain structure of organic films, and techniques to study these properties have only begun to emerge in recent years. In this thesis, we apply two experimental techniques, Grazing-Incidence X-ray Diffraction (GIXD) and Lateral Force Microscopy (LFM), toward studying the lattice and domain structure of tetracene films grown on the silicon(001)-monohydride surface. We describe the necessary steps toward optimizing the sensitivity of these techniques to the domain structure. Results show that the crystalline tetracene films form a layered morphology in which the a-b plane lies parallel to the substrate surface. The film lattice structure is similar to bulk tetracene, and the lattice is confined to two orthogonal orientations, forming a partially-commensurate relationship with the substrate surface lattice along the film 'a' axis. LFM images reveal two types of polycrystalline domains. The first type ("major domains") are tens of microns in size, and are classified by their lattice orientation. They are subdivided into the second type ("sub-domains"), which range from 0.1 to 5um in size, and are argued to represent regions of uniform molecular tilt direction. The GIXD data show that the single-crystal domains which comprise these two larger domain types are anisotropic in size, being up to two times longer along the film 'b' axis than along 'a'. The single-crystal domains range from 0.05 to 0.2um in size, depending on lattice orientation and film thickness. The mathematical basis for these single-crystal domain size calculations is presented. The single-crystal domain sizes are thickness-dependent, and are two orders of magnitude smaller than a typical surface island observed in atomic-force microscopy (AFM) topographs. Substrate steps can also significantly influence the film structure by inducing boundaries in the single-crystal domains and sub-domains, but not in the major domains. This detailed knowledge of the domain structure of organic thin-films may assist in our understanding of the factors which affect charge transport in thin films, and may help to direct research efforts in optimizing the film structure for device performance. / Natural Sciences and Engineering Research Council (NSERC), Canadian Foundation for Innovation (CFI), Ontario Innovation Trust (OIT).

Gegenstand der vorliegenden Dissertation, die am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) in Dresden durchgeführt wurde, sind die Herstellung und Analyse von supraleitenden Dünnschichten aus Seltenerd-Nickel-Borkarbiden, die mit einer biaxialen Vorzugstextur versehen sind. Dazu wurde am Beispiel von LuNi2B2C ein Prozessfenster für epitaktisches Wachstum dieser Materialien auf MgO(110)-Einkristallsubstraten definiert, wodurch im Vergleich zu früheren Arbeiten zu Dünnschichten aus Seltenerd-Nickel-Borkarbiden eine verbesserte Textur und eine höhere Schichtqualität erzielt wurde. Struktur, insbesondere die Ausbildung der biaxialen Textur, und Supraleitung der Schichten, insbesondere die Anisotropie des oberen kritischen Feldes in Abhängigkeit von Winkel und Temperatur, bilden die beiden Schwerpunkte der Untersuchungen. Als Ausblick wurde die Abscheidung von Seltenerd-Nickel-Borkarbid-Legierungsschichten am Beispiel von (HoxLu1-x)Ni2B2C demonstriert. Durch entsprechende Anpassung der Prozessparameter konnte, von LuNi2B2C ausgehend, die biaxiale Textur in den Legierungsdünnschichten weitgehend erhalten werden. Dies schafft als Ergänzung zur Kristallzucht eine attraktive Möglichkeit für zukünftige Untersuchungen dieser Materialien.

This dissertation works out the vibrational properties of epitaxial silicene, which was discovered by Vogt et al. in 2012 by the epitaxial synthesis on the silver substrate. Its two-dimensional (2D) character is modified in comparison to the free-standing silicene due to its epitaxial nature, since the underlying substrate alters the physical properties of silicene as a result of the strong hybridization of the electronic levels of the substrate and adlayer. The growth of silicene layers is complicated by the sensitivity of the Si structures to the experimental conditions, mainly temperature, resulting in the formation of several seemingly different surface reconstructions. Another Si structure appears on the Ag surface at a supramonolayer coverage. The Raman spectroscopy was utilized to understand the relation between different Si structures and reveal their origin as well as to investigate the phonon-related physical properties of two-dimensional Si sheets. The central core of this work is the growth and characterization of these 2D silicene monolayers on the Ag (111) surface as well as the formation of silicene multilayer structures. The characterization of these materials was performed using in situ surface-sensitive measurement methods such as Raman spectroscopy and low-energy electron diffraction under ultra-high vacuum conditions due to high chemical reactivity of epitaxial silicene. Additional characterization was done ex situ by means of scanning force microscopy. The experimentally determined spectral signature of the prototypical epitaxial (3x3)/(4x4) silicene structure was confirmed by ab initio calculations, in collaboration with theory groups. The Raman signatures of the other 2D and 3D Si phases on Ag (111) were determined which allowed us to provide a clear picture of their formation depending on the preparation conditions. The monitoring of the silicene multi-layer growth yielded the vibrational signature of the top layer, reconstructed in a (√3x√3) fashion. It was compared to the inverse, (√3x√3)-Ag/Si(111), system showing the vast amount of similarities, which suggest that the (√3x√3) reconstruction belong to the silver layer. The chemical and physical properties of this surface structure additionally strengthen this equivalence. The possibility of functionalization of epitaxial silicene was demonstrated via exposure to the atomic hydrogen under UHV conditions. The adsorbed hydrogen covalently bonds to the silicene lattice modifying it and reducing its symmetry. As shown by Raman spectroscopy, such modification can be reversed by thermal desorption of hydrogen. The excitation-dependent Raman measurements also suggest the change of the electronic properties of epitaxial silicene upon hydrogenation suggesting that its originally semi-metallic character is modified into a semiconducting one. / Die experimentellen Forschungsarbeiten zum Thema Silicen basieren auf den 2012 von Vogt et al. durchgeführten Untersuchungen zu dessen Synthese auf Silbersubstraten. Diese Untersuchungen lieferten die Grundlage, auf der zweidimensionales (2D) epitaktisches Silicen sowie weitere 2D Materialien untersucht werden konnten. In den anfänglichen Arbeiten konnte dabei gezeigt werden, dass sich die Eigenschaften von epitaktischem Silicen gegenüber den theoretischen Vorhersagen von frei-stehendem Silicen unterscheiden. Darüber hinaus verkomplizieren sich die experimentellen Untersuchungen dieses 2D Materials, da auf dem Ag(111) Wachstumssubstrat sechs verschiedene 2D Si Polytypen existieren. Eine detaillierte Darstellung dieser Untersuchungen findet sich in dem einführenden Kapitel der vorliegen Promotionsschrift. Der zentrale Kern dieser Arbeit beschäftigt sich mit dem Wachstum und der Charakterisierung dieser 2D Silicen Monolagen auf Ag(111) Oberflächen sowie der Bildung von Silicen- Multilagen Strukturen. Die Charakterisierung dieser Materialien wurde in situ mit oberflächenempfindlichen Messmethoden wie der Raman Spektroskopie und der niederenergetischen Elektronenbeugung unter Ultrahochvakuum-Bedingungen durchgeführt. Eine zusätzliche Charakterisierung erfolgte ex situ mittels Raster-KraftMikroskopie. Die experimentell bestimmte spektrale Raman-Signatur der prototypischen epitaktischen (3x3)/(4x4) Silicene Struktur wurde durch ab initio Rechnungen, in Zusammenarbeit mit Theoriegruppen, bestätigt. Durch diesen Vergleich wir die zweidimensionale Natur der epitaktischen Silicen-Schichten vollständig bestätigt, wodurch andere mögliche Interpretationen ausgeschlossen werden können. Darüber hinaus wurden die Ramans-Signaturen der weiteren 2D und 3D Siliziumphasen auf Ag(111) bestimmt, wodurch sich ein klares Bild der Bildung dieser Strukturen in Abhängigkeit von den Präparationsbedingungen ergibt. Um die Möglichkeit der Funktionalisierung von Silicen und der weiteren 2D Si Strukturen zu testen, wurden diese unter UHV Bedingungen atomarem Wasserstoff ausgesetzt. Durch die Bindung zu den Wasserstoffamen wird die kristalline Struktur der Silicen-Schichten modifiziert und die Symmetrie reduziert, was sich deutlich in der spektralen Raman-Signatur zeigt. Wie mittels Raman Spektroskopie gezeigt werden konnte, kann diese Modifikation durch thermische Desorption des Wasserstoffs rückgängig gemacht werden, ist also reversibel. Raman Messungen mit verschiedenen Anregungswellenlängen deuten darüber hinaus auf die Änderung der elektronischen Eigenschaften der Silicen-Schichten durch die Hydrierung hin. Der ursprüngliche halbmetallische Charakter der epitaktischen Silicen-Schicht geht möglicherweise in einen halbleitenden Zustand über. Das Wachstum von Silicen Multilagen wurde ebenfalls mit in situ Ramanspektroskopie verfolgt. Die sich dabei ergebene Raman-Signatur wurde mit der Raman-Signatur von Ag terminiertem Si(111) verglichen. Hier zeigen sich große Ähnlichkeiten, die auf eine ähnliche atomare Struktur hindeuten und zeigen, dass Ag Atome für die Ausbildung der Oberflächenstruktur während des Wachstums der Si-Lagen verantwortlich sind. Die chemischen und physikalischen Eigenschaften dieser Struktur bestärken zusätzlich diese Äquivalenz.

Gegenstand der vorliegenden Dissertation, die am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) in Dresden durchgeführt wurde, sind die Herstellung und Analyse von supraleitenden Dünnschichten aus Seltenerd-Nickel-Borkarbiden, die mit einer biaxialen Vorzugstextur versehen sind. Dazu wurde am Beispiel von LuNi2B2C ein Prozessfenster für epitaktisches Wachstum dieser Materialien auf MgO(110)-Einkristallsubstraten definiert, wodurch im Vergleich zu früheren Arbeiten zu Dünnschichten aus Seltenerd-Nickel-Borkarbiden eine verbesserte Textur und eine höhere Schichtqualität erzielt wurde. Struktur, insbesondere die Ausbildung der biaxialen Textur, und Supraleitung der Schichten, insbesondere die Anisotropie des oberen kritischen Feldes in Abhängigkeit von Winkel und Temperatur, bilden die beiden Schwerpunkte der Untersuchungen. Als Ausblick wurde die Abscheidung von Seltenerd-Nickel-Borkarbid-Legierungsschichten am Beispiel von (HoxLu1-x)Ni2B2C demonstriert. Durch entsprechende Anpassung der Prozessparameter konnte, von LuNi2B2C ausgehend, die biaxiale Textur in den Legierungsdünnschichten weitgehend erhalten werden. Dies schafft als Ergänzung zur Kristallzucht eine attraktive Möglichkeit für zukünftige Untersuchungen dieser Materialien.:Einleitung 1 Seltenerd–Nickel–Borkarbide: Materialeigenschaften und Herstellungsverfahren 2 Schichtpräparation 3 Strukturelle Eigenschaften der LuNi2B2C–Dünnschichten 4 In–Plane–Orientierung und Texturentwicklung 5 Supraleitende Eigenschaften der LuNi2B2C–Dünnschichten 6 Anisotropie des oberen kritischen Feldes in LuNi2B2C 7 Epitaktische HoxLu1-xNi2B2C–Mischserie 8 Zusammenfassung und Ausblick Anhang

Microstructure and micro-mechanical characterization of as-built and heat-treated samples of Hastelloy X produced by laser powder bed fusion (LPBF) process has been carried out in this study. As-built LPBF blocks were solution heat-treated at 1177°C and 1220°C followed by fast cooling. The microstructure of as-built and heat-treated samples were studied by light optical microscopy, scanning electron microscopy, and electron backscatter diffraction. Instrumented indentation micro Vickers testing was performed to obtain microhardness and elastic modulus of asbuilt and heat-treated samples. Microtensile samples from as-built and heat-treated blocks were prepared and polished for mechanical characterization. Microtensile testing inside the scanning electron microscope was performed to evaluate the mechanical properties and to get information about the microstructural changes during plastic deformation. Microstructure characterization revealed disrupted epitaxial grain growth for the as-built samples whereas the two heated-treated Hastelloy X samples exhibited equiaxed grains with varying twin fractions. As-built Hastelloy X samples exhibited higher mean hardness than heat-treated samples. The yield strength of as-built samples reveals higher values as compared to conventional wrought Hastelloy X samples, whereas lower yield strength and higher elongation were observed for heat-treated samples as compared to as-built samples. Higher elongation and lower yield strength values were observed for the samples solution heat-treated at 1220°C compared to the solution heat-treated at 1177°C. Microstructural evaluation at different plastic strains during in-situ microtensile testing reveals a clear difference in dislocation density for as-built and heat-treated samples.

Additive Manufacturing (AM) is an innovative manufacturing process which offers near-net shape fabrication of complex components, directly from CAD models, without dies or substantial machining, resulting in a reduction in lead-time, waste, and cost. For example, the buy-to-fly ratio for a titanium component machined from forged billet is typically 10-20:1 compared to 5-7:1 when manufactured by AM. However, the production rates for most AM processes are relatively slow and AM is consequently largely of interest to the aerospace, automotive and biomedical industries. In addition, the solidification conditions in AM with the Ti alloy commonly lead to undesirable coarse columnar primary β grain structures in components. The present research is focused on developing a fundamental understanding of the influence of the processing conditions on microstructure and texture evolution and their resulting effect on the mechanical properties during additive manufacturing with a Ti6Al4V alloy, using three different techniques, namely; 1) Selective laser melting (SLM) process, 2) Electron beam selective melting (EBSM) process and, 3) Wire arc additive manufacturing (WAAM) process. The most important finding in this work was that all the AM processes produced columnar β-grain structures which grow by epitaxial re-growth up through each melted layer. By thermal modelling using TS4D (Thermal Simulation in 4 Dimensions), it has been shown that the melt pool size increased and the cooling rate decreased from SLM to EBSM and to the WAAM process. The prior β grain size also increased with melt pool size from a finer size in the SLM to a moderate size in EBSM and to huge grains in WAAM that can be seen by eye. However, despite the large difference in power density between the processes, they all had similar G/R (thermal gradient/growth rate) ratios, which were predicted to lie in the columnar growth region in the solidification diagram. The EBSM process showed a pronounced local heterogeneity in the microstructure in local transition areas, when there was a change in geometry; for e.g. change in wall thickness, thin to thick capping section, cross-over’s, V-transitions, etc. By reconstruction of the high temperature β microstructure, it has been shown that all the AM platforms showed primary columnar β grains with a <001>β.