Orientador: José Alexandre Diniz / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-22T13:21:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Barros_AngelicaDenardide_D.pdf: 3021280 bytes, checksum: 8f60fdfa3cbdfc2f485daac1670de328 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: O objetivo deste trabalho é a obtenção e caracterização de filmes finos de óxido de titânio (TiOx) e de óxido de zinco (ZnO) para aplicações em sensores baseados em transistores de efeito de campo elétrico sensíveis a íons (Ion Sensitive Field Effect Transistor- ISFET) e de ondas acústicas de superfície (Surface Acoustic Waves - SAW), respectivamente. Desta forma, dois diferentes tipos de sensores foram obtidos. O primeiro é o sensor químico ISFET, cujos óxidos de porta foram os filmes de TiOx. Os filmes de Ti foram depositados sobre substrato de Si através do método de evaporação por feixe de elétrons, e, através do método de pulverização catódica (sputtering). Em seguida foram oxidados em forno térmico de processamento rápido (RTP). A caracterização estrutural ocorreu através de elipsometria, de microscopia de força atômica, de espectroscopia Raman, de difração de raios-X e de espectroscopia de absorção de raios-X próximo da borda, constatando a estrutura cristalina tetragonal referente à forma rutilo do TiO2. A caracterização elétrica da melhor amostra através da curva C-V demonstrou constante dielétrica igual a 8, densidade de estados na interface da ordem de 10-10eV-1.cm-2 e densidade de corrente da ordem de 10-4A/cm2. O MOSFET apresentou tensão Early da ordem de kV, e, resistência de saída da ordem de M?. Este dispositivo possui tensão de limiar igual a 0,30V, corrente de fuga da ordem de 10-8A e transcondutância igual a 12?S. O ISFET apresentou sensibilidade em corrente de 63?A/pH e sensibilidade em tensão equivalente a 64mV/pH, valor que encontra-se próximo do esperado de 59mV/pH (limite de Nernst). O segundo sensor é baseado em ondas acústicas de superfície. Esta tese se dedicou na integração deste sensor sobre substrato de Si, que não sendo piezelétrico impossibilita a geração de ondas acústicas. Como alternativa, o ZnO, que é piezelétrico, foi depositado sobre um filme fino de SiO2 sobre Si, tornando viável a confecção de dispositivos do tipo SAW e permitindo o estudo do transporte de cargas aprisionadas nos mínimos e máximos do potencial piezelétrico gerado pelo óxido de zinco sobre o Si. O filme de ZnO depositado por sputtering foi analisado por difração de raios-X apresentando orientação cristalina hexagonal na direção (0002). A onda acústica foi analisada através dos parâmetros de espalhamento de rede e por interferometria. Na interface SiO2/Si, onde ocorre o transporte acústico, o campo piezelétrico vale 0,56kV/cm. O valor da velocidade de propagação da onda acústica é igual a 4243m/s (obtida por simulação, considerando a frequência de ressonância dos IDTs igual a 750MHz, e o comprimento de onda acústico igual a 5,6?m). O transporte de pares elétrons-lacunas gerados por laser foi detectado na região de coleção de cargas da junção lateral p-i-n para distâncias superiores a 50?m e para valores de PRF entre -10dBm e 0dBm. Isto resultou na eficiência de coleção de pares em até 12% (laser sobre a junção), e de 3,5% com o laser 50?m distante da junção. O desenvolvimento destes sensores sobre substrato de Si permitirá a integração com circuitos de condicionamento de sinais fabricados em tecnologia CMOS / Abstract: The aim of this work is to obtain and characterize thin titanium oxide (TiOx) films and zinc oxide (ZnO) films for applications in sensors based on ion sensitive field effect transistors (ISFET) and surface acoustic waves (SAW), respectively. In this way, two different types of sensors were obtained. The first is the chemical sensor ISFET, with TiOx as gate oxides. Ti films were deposited on Si substrate by electron beam evaporation and sputtering. Then, the Ti films were oxidized in rapid thermal processing oven (RTP). The Structural characterization occurred through ellipsometry, atomic force microscopy, Raman spectroscopy, X-ray diffraction and x-ray absorption near edge spectroscopy, denoting the tetragonal crystal structure of the rutile form of TiO2. Electrical characterization of the best sample through the C-V curve showed dielectric constant equal to 8, interface states density in the order of 10-10eV-1.cm-2 and current density of the order of 10-4/cm2. The MOSFET presented Early voltage in the order of kV, and output resistance in order of M?. This device has threshold voltage equal to 0.30V, leakage current on the order of 10-8A and transconductance equal to 12?S. The ISFET presented current sensitivity equal to 63?A/pH and voltage sensitivity equivalent to 64mV/pH, which is close to the expected 59mV/pH determined by the Nernst limit. The second sensor is based on surface acoustic waves. This thesis was devoted to the integration of this sensor on the Si substrate, which is not piezoelectric and therefore doesn't allow the generation of acoustic waves. Alternatively, the ZnO which is piezoelectric, when deposited on a thin film of SiO2 on Si, make possible the manufacture of SAW devices and allows the study of carriers transport trapped in the minimum and maximum of the piezoelectric potential generated by the zinc oxide on Si. The ZnO film deposited by sputtering was analyzed by x-ray diffraction showing hexagonal crystalline orientation in the direction (0002). The acoustic wave was analyzed through the network analyzer (scattering parameters) and the interferometer. In SiO2/Si interface, where transport occurs, the piezoelectric field is 0, 56kV/cm. the value of the acoustic wave propagation speed is equal to 4243m/s (obtained by simulation, considering the IDTs resonance frequency equal to 750MHz and the acoustic wavelength equal to 5.6?m). The carrier transport of electrons-holes generated by the incidence of a laser was detected in the collection region of the lateral p-i-n junction for distances exceeding 50 ?m and PRF values between-10dBm and 0dBm. This resulted in a collection efficiency up to 12% (laser on the junction), and 3.5% when the laser was 50?m away from the junction. The development of these sensors on Si substrate will allow integration with signal conditioning circuits manufactured in CMOS technology / Doutorado / Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica / Doutora em Engenharia Elétrica

Récemment, beaucoup d'efforts ont été consacrés au contrôle de l'aimantation dans les nanostructures par d'autres moyens qu'un champ magnétique externe. En effet, le but est de miniaturiser les dispositifs et il est difficile d'imposer un champ magnétique présentant de faibles dimensions latérales. D'autre part, les ondes de spin ouvrent actuellement de nouvelles perspectives dans le traitement de l'information. Les avantages qu'elles présentent sont les suivants: longueurs d'onde nanométriques, à comparer à celles des ondes électromagnétiques dans la même gamme de fréquences (GHz-THz), et absence de chauffage par effet Joule. Une possibilité de contrôle réside dans l'utilisation d'ondes acoustiques de surface pour induire la dynamique de l'aimantation ou pour contrôler les ondes de spin. En d'autres termes le contrôle de l'aimantation s’exerce alors via une déformation dynamique. Ceci est rendu possible grâce à une propriété fondamentale des corps magnétiques, le couplage magnéto-élastique, c'est-à-dire le couplage entre aimantation et déformation. Cette thèse porte sur la phénoménologie de l'interaction magnéto-élastique dans les couches minces épitaxiées magnétostrictives de Fe0.8Ga0.2. Nous avons effectué une étude expérimentale systématique des interactions magnéto-élastiques dans des films minces de différentes épaisseurs et structures magnétiques. Nous avons aussi développé deux modèles phénoménologiques, pour interpréter nos expériences. Nous obtenons le résultat important suivant: il est possible d'extraire, d'une étude acoustique, les constantes magnéto-élastiques ainsi que les constantes d'anisotropie magnétique. La thèse a aussi une forte composante technologique. Un des buts était d'exciter efficacement des ondes acoustiques de surface dans la gamme de fréquences de quelques GHz (1-5 GHz) sur substrat piézoélectrique de GaAs dans le but d'observer l'interaction résonante avec les ondes de spin thermiques. Nous avons aussi cherché à exciter des ondes de spin, dans des couches minces épitaxiées, avec des antennes RF afin d'observer l'interaction résonante. Nous présentons des expériences préliminaires sur cette interaction, qui ont été réalisées en diffusion Brillouin (BLS) et en diffusion micro Brillouin, en collaboration avec le laboratoire GHOST à Pérouse, en Italie. / Recently, lot of efforts have been devoted to control the magnetization in nanostructures by means other than external magnetic field to achieve device miniaturization, as it is difficult to handle the magnetic field at low lateral dimensions. On the other hand, a new road emerged towards the wave based computing by employing spin waves (SWs). The advantages, that SWs offer for the data processing are nm wavelength as compared to the electromagnetic waves in the same frequency range (GHz-THz) and the absence of Joule heating. A possibility exists to use Surface Acoustic Waves (SAWs), in other words, dynamic strain, to induce magnetization dynamics or to control spin waves. This is possible due to a very fundamental property of magnetic bodies, the magneto-elastic coupling, that is when magnetization orientation and strain are coupled. This thesis focuses on the phenomenology of the magneto-elastic interaction in thin epitaxied films of magnetostrictive Fe0.8Ga0.2. We performed a systematic experimental study of the magneto-elastic interactions in thin films of different thicknesses and magnetic structures. We also developed two phenomenological models in order to interpret our results. An important result of this study is that we are able to extract the magneto-elastic and the magnetic anisotropy constants by acoustic means. The thesis has also a strong technological component. One aim was to efficiently excite surface acoustic waves in GHz frequency range (1-5 GHz) on GaAs piezoelectric substrates in order to observe the resonant interaction with thermal spin waves. We also managed to excite spin waves in thin epitaxied magnetostrictive layers, using RF antennas. We report preliminary measurements on this interaction that were performed with Brillouin light scattering (BLS) and micro BLS techniques in collaboration with the GHOST laboratory in Perugia, Italy.

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Verbesserung der Leistungsbeständigkeit von Interdigitalwandlern für zukünftige SAW-Bauelemente durch die Verwendung von kupferbasierten Fingerelektroden. In Bezug auf die Akustomigration, d.h. der Elektrodenschädigung infolge hochzyklischer SAW-Belastung, besitzt Kupfer im Vergleich zu standardmäßig eingesetztem polykristallinem Aluminium eine erhöhte Beständigkeit. Diese lässt sich weiter verbessern, indem die Grenzflächen der Fingerelektroden gegen die durch SAW-Belastung auftretende Loch- und Hügelbildung stabilisiert werden. Das Ziel bestand deshalb darin, die Aktivierungsenergie für den Materialtransport an den Elektrodengrenzflächen zu erhöhen. Zu diesem Zweck wurden in dieser Arbeit Metallisierungen in Form von Kupfer Aluminium-Schichtstapeln und -Legierungen mit jeweils geringem Aluminiumanteil hergestellt. Es konnte gezeigt werden, dass Fingerelektroden aus wärmebehandelten Kupfer-Aluminium-Schichtstapeln eine signifikant erhöhte Leistungsbeständigkeit aufweisen, wobei der elektrische Widerstand im Vergleich zu vollständig legierten Kupfer-Aluminium-Metallisierungen deutlich reduziert ist. Insbesondere kann dieses Schichtsystem durch Elektronenstrahlverdampfung und Lift-Off-Technologie auch kostengünstig hergestellt werden. Der Einfluss von thermischer- und SAW-Belastung auf den mechanischen Spannungszustand in einer Fingerelektrode wurde mittels einer Finiten-Elemente-Simulation untersucht. Darüber hinaus wird der Schädigungsmechanismus für die Akustomigration anhand eines erweiterten Eyringmodells diskutiert.:Inhaltsverzeichnis Kurzfassung 1 Abkürzungen und Symbole 5 1 Einleitung und Stand der Literatur 9 1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.2 Physikalische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.1 Wirkungsprinzip von SAW Bauelementen . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.2 Mathematische Beschreibung von Oberflächenwellen . . . . . . . . . 11 1.2.3 Rayleighwellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.2.4 Scherwellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.2.5 Interdigitalwandler (IDT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.2.6 Deltafunktionsmodell und Messgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.3 Materialien für SAW-Bauelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.3.1 Substratmaterialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.3.2 Metallisierungen für Fingerelektroden . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.3.3 Diffusionsbarrieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 1.4 Modellierung der Lebensdauer von SAW-Filtern . . . . . . . . . . . . . . . . 33 1.4.1 Ursachen der Frequenzverschiebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 1.4.2 Allgemeines Eyringmodell und Näherungen . . . . . . . . . . . . . . 35 1.4.3 Berechnung von akustischer Energie- und mechanischer Spannungsverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 1.5 Zielstellung und Gliederung der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2 Experimentelles 43 2.1 Herstellung der SAW-Proben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.1.1 Lift-Off-Technologie und Elektronenstrahlverdampfung . . . . . . . 43 2.1.2 Atomlagenabscheidung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.2 Analyse- und Charakterisierungsmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.2.1 Elektrischer Widerstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.2.2 Chemische Zusammensetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.2.3 Probenpräparation und Schichtquerschnitt . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.3 Lebensdauermessungen an Teststrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.3.1 Lebensdauermessungen an Power-SAW-Strukturen . . . . . . . . . . 50 2.3.2 Lebensdauermessungen an 2-GHz Reaktanzfilter . . . . . . . . . . . 58 3 Ergebnisse und Diskussion 61 3.1 Voruntersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3.1.1 elektrischer Widerstand und thermische Stabilität von Cu/Al-Metallisierungssystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.1.2 Cu(Al)-Legierungsverdampfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.1.3 Cu/Al-Multischicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.1.4 Auswahl des Metallisierungssystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.2 TTF-Messungen an 2-GHz-Filtern mit Al/Cu/Al-Multischichten . . . . . . 71 3.3 Ergebnisse am Al 2nm/Cu 100nm/Al 2nm/Ti 5nm - Multischichtsystem . . 75 3.3.1 Thermische Stabilität der Mikrostruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3.3.2 Einfluss von TiOx und AlOx auf die Grenzflächen und Lebensdauern 75 3.4 Vergleichende Akustomigrationsexperimente an PSAW-Strukturen . . . . . 80 3.4.1 Erwärmung der Metallisierung durch HF-Leistungseintrag . . . . . 80 3.4.2 Frequenzverschiebung durch Temperaturänderung . . . . . . . . . . 81 3.4.3 TTF-Bestimmung: Cu/Al-Metallisierung vs. Referenzsysteme . . . . 82 3.4.4 Mikrostrukturelle Änderungen nach Leistungsbelastung . . . . . . . 89 3.4.5 Zusammenfassung der experimentellen Ergebnisse . . . . . . . . . . 91 4 Simulation der mechanischen Spannungen in den Fingerelektroden 93 4.1 Geometrisches Simulationsmodell (2D) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.2 Randbedingungen, Materialparameter und Vorgehensweise . . . . . . . . . 95 4.3 Thermische Spannungen in Cu-Fingerelektroden ohne äußere Belastung . . 97 4.4 Cu-Fingerelektroden unter SAW-Belastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5 Schädigungshypothese 101 5.1 Erweitertes Lebensdauermodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 5.2 Mikroskopische Beschreibung durch Schädigungsmodelle . . . . . . . . . . 103 5.2.1 Elektrodenschädigung bei Scherwellenbelastung . . . . . . . . . . . 103 5.2.2 Elektrodenschädigung bei Rayleighwellenbelastung . . . . . . . . . 104 6 Zusammenfassung und Ausblick 107 Literaturverzeichnis 109 Abbildungsverzeichnis 121 Tabellenverzeichnis 123 Eidesstattliche Erkl¨arung 125 Danksagung 127 Anhang 129 / The aim of this dissertation is the improvement of the power durability of interdigital transducers for future SAW devices using copper based finger electrode materials. Compared to polycrystalline aluminum, which is typically used as electrode material, copper shows a higher durability with respect to acoustomigration, which can be further increased by a stabilization of the electrode interfaces against material transport. For that purpose, copper based metallizations with a small aluminum content were developed as layer stacks or alloys. It could be shown that heat-treated copper-alumininum layer stacks have a significantly higher power durability while the electrical resistivity is reduced in comparison to completely alloyed copper-aluminium metallizations. Additionally, the thin film layer system can be produced by using economical techniques such as electron beam evapouration and lift-off-technology. The influence of thermal and mechanical load on the stress distribution in the finger electrodes was investigated by a finite elements method. The damage mechanism of acoustomigration will be discussed based on an extended Eyring model.:Inhaltsverzeichnis Kurzfassung 1 Abkürzungen und Symbole 5 1 Einleitung und Stand der Literatur 9 1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.2 Physikalische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.1 Wirkungsprinzip von SAW Bauelementen . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.2 Mathematische Beschreibung von Oberflächenwellen . . . . . . . . . 11 1.2.3 Rayleighwellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.2.4 Scherwellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.2.5 Interdigitalwandler (IDT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.2.6 Deltafunktionsmodell und Messgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.3 Materialien für SAW-Bauelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.3.1 Substratmaterialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.3.2 Metallisierungen für Fingerelektroden . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.3.3 Diffusionsbarrieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 1.4 Modellierung der Lebensdauer von SAW-Filtern . . . . . . . . . . . . . . . . 33 1.4.1 Ursachen der Frequenzverschiebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 1.4.2 Allgemeines Eyringmodell und Näherungen . . . . . . . . . . . . . . 35 1.4.3 Berechnung von akustischer Energie- und mechanischer Spannungsverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 1.5 Zielstellung und Gliederung der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2 Experimentelles 43 2.1 Herstellung der SAW-Proben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.1.1 Lift-Off-Technologie und Elektronenstrahlverdampfung . . . . . . . 43 2.1.2 Atomlagenabscheidung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.2 Analyse- und Charakterisierungsmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.2.1 Elektrischer Widerstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.2.2 Chemische Zusammensetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.2.3 Probenpräparation und Schichtquerschnitt . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.3 Lebensdauermessungen an Teststrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.3.1 Lebensdauermessungen an Power-SAW-Strukturen . . . . . . . . . . 50 2.3.2 Lebensdauermessungen an 2-GHz Reaktanzfilter . . . . . . . . . . . 58 3 Ergebnisse und Diskussion 61 3.1 Voruntersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3.1.1 elektrischer Widerstand und thermische Stabilität von Cu/Al-Metallisierungssystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.1.2 Cu(Al)-Legierungsverdampfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.1.3 Cu/Al-Multischicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.1.4 Auswahl des Metallisierungssystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.2 TTF-Messungen an 2-GHz-Filtern mit Al/Cu/Al-Multischichten . . . . . . 71 3.3 Ergebnisse am Al 2nm/Cu 100nm/Al 2nm/Ti 5nm - Multischichtsystem . . 75 3.3.1 Thermische Stabilität der Mikrostruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3.3.2 Einfluss von TiOx und AlOx auf die Grenzflächen und Lebensdauern 75 3.4 Vergleichende Akustomigrationsexperimente an PSAW-Strukturen . . . . . 80 3.4.1 Erwärmung der Metallisierung durch HF-Leistungseintrag . . . . . 80 3.4.2 Frequenzverschiebung durch Temperaturänderung . . . . . . . . . . 81 3.4.3 TTF-Bestimmung: Cu/Al-Metallisierung vs. Referenzsysteme . . . . 82 3.4.4 Mikrostrukturelle Änderungen nach Leistungsbelastung . . . . . . . 89 3.4.5 Zusammenfassung der experimentellen Ergebnisse . . . . . . . . . . 91 4 Simulation der mechanischen Spannungen in den Fingerelektroden 93 4.1 Geometrisches Simulationsmodell (2D) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.2 Randbedingungen, Materialparameter und Vorgehensweise . . . . . . . . . 95 4.3 Thermische Spannungen in Cu-Fingerelektroden ohne äußere Belastung . . 97 4.4 Cu-Fingerelektroden unter SAW-Belastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5 Schädigungshypothese 101 5.1 Erweitertes Lebensdauermodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 5.2 Mikroskopische Beschreibung durch Schädigungsmodelle . . . . . . . . . . 103 5.2.1 Elektrodenschädigung bei Scherwellenbelastung . . . . . . . . . . . 103 5.2.2 Elektrodenschädigung bei Rayleighwellenbelastung . . . . . . . . . 104 6 Zusammenfassung und Ausblick 107 Literaturverzeichnis 109 Abbildungsverzeichnis 121 Tabellenverzeichnis 123 Eidesstattliche Erkl¨arung 125 Danksagung 127 Anhang 129

The ability to sense gas such as methane can provide an early warning system to protect human lives. High demand for the ability to sense the world around us has provided an extensive area of research for sensor technology. In particular, current sensor technology, specifically for methane, has provided sensors that require a heated environment to function. The majority of current methane sensors function at temperatures between 150°C and 450°C [1-3]. This thesis will explore an approach to produce a room temperature methane sensor.

In dieser Arbeit wird die elektroakustische Kopplung zwischen Ladungsträgern in Graphen und akustischen Oberflächenwellen (engl. surface acoustic waves, SAWs) untersucht. Es werden elektroakustische Bauelemente aus epitaktischem Graphen auf einem SiC-Substraten demonstriert, auf denen eine piezoelektrische ZnO-Schicht abgeschieden wurde, um die Erzeugung und Ausbreitung von SAWs zu verbessern. Eine dünne MgO-Schicht dient zum Schutz des Graphens während der ZnO Sputterbeschichtung. Bei zwei SAW-Moden mit Frequenzen um 2 GHz können wir in Graphen-Baulementen, welche sich im SAW-Ausbreitungsweg befinden, elektroakustische Ströme messen. Ein klassisches Relaxationsmodell der Wechselwirkung zwischen SAWs und den Ladungsträgern eines zweidimensionalen Elektronengases wird zur Erklärung der Ergebnisse herangezogen. Um die akusto-elektrischen Ströme in unseren Graphen-Bauelementen zu erhöhen, verwenden wir zwei Methoden: (1) Verbesserung der elektronischen Eigenschaften von Graphen und (2) Erzeugung starker Spannungsfelder in den Graphen-Bauelementen. Um die elektronischen Eigenschaften von Graphen zu verbessern, verwenden wir eine Methode namens Hydrierung, welche die Grenzfläche zwischen Graphen und dem SiC-Substrat modifiziert. Durch Raman-Charakterisierung belegen wir die Entkopplung von Pufferschicht und SiC-Substrat während des Hydrierungsprozesses, wodurch quasi-freistehendes zweilagiges Graphen mit verbesserten elektronischen Raumtemperatureigenschaften entsteht. Im Hinblick auf die Verstärkung der SAW-Spannungsfelder untersuchen wir die Leistungfähigkeit von interdigitalen Schallwandlern (engl. interdigital transducers, IDTs) mit unterschiedlichen Strukturformen, wie z. B. Splitfinger-IDTs mit Doppelfingern, fokussierende IDTs und tapered-IDTs. Die Oberflächenverschiebung entlang der SAW-Ausbreitungsstrecke wird gemessen, um die Fähigkeit dieser IDT-Strukturformen zu demonstrieren, starke Spannungsfelder in einem begrenzten Bereich anzuregen. / This thesis investigates the acousto-electric coupling between charge carriers in graphene and surface acoustic waves (SAWs). Acousto-electric devices based on epitaxial graphene on a SiC substrate are demonstrated, where a piezoelectric ZnO layer is deposited to enhance the SAW generation and propagation. A thin MgO layer is used to protect the graphene during the sputtering of the ZnO layer. By Raman spectroscopy and electronic characterization, we show that the structural and electrical properties of graphene are well preserved after the layer deposition. For two SAW modes with frequencies around 2 GHz, we measure acousto-electric currents in graphene devices placed at the SAW propagation path. A classical relaxation model of the interaction between SAWs and charge carriers in a two-dimensional electron gas is used to explain the results. In order to enhance the acousto-electric currents in our graphene devices, we take approaches in two directions: (1) improving the electronic properties of graphene and (2) exciting strong SAW fields in graphene devices. To improve the electronic properties of graphene, we use a method called hydrogenation to modify the interface between graphene and the SiC substrate. By Raman characterization, we confirm the decoupling of the buffer layer after the hydrogenation process, obtaining quasi-free-standing bilayer graphene with improved electronic properties at room temperature. Regarding the enhancement of the SAW field intensity, we investigate the performance of several types of interdigital transducers (IDTs) such as split-finger IDTs, focusing IDTs and tapered IDTs. Surface displacement along the SAW propagation path is measured to demonstrate the capability of these IDT designs to excite strong SAW fields in a confined area.

La sensibilité des détecteurs d’ondes gravitationnelles de LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) est limité par les fluctuations thermiques dues à la dissipation mécanique dans les couches de Ta2O5 amorphe, qui est une composante des miroirs des interféromètres. Le paramètre d’angle de perte ( ) permet de quantifié l’ampleur de la dissipation et est obtenu en étudiant l’absorption d’énergie mécanique par la couche de matériau. Ce paramètre est généralement caractérisé expérimentalement à des fréquences d’excitations allant de 1-30 KHz près de celle qui nous intéresse pour la détection d’onde gravitationnelle (10-100 Hz) et par des simulations de dynamique moléculaire pour des fréquences très élevées (GHz). Notre recherche vise à caractériser l’angle de perte pour ce matériau pour des fréquences intermédiaires, soit dans la gamme des MHz. Afin d’obtenir une meilleure précision sur les résultats, on utilise les ondes acoustiques de surface qui donne un plus grand poids à la couche mince lors du calcul de l’angle de perte. Deux méthodes sont utilisées pour tenter d’obtenir l’angle de perte des couches ( c) de Ta2O5 de 1 μm déposées sur des substrats, d’une part, composé de SiO2 B270 d’épaisseur 2 mm, et d’autre part, de LiNbO3 d’épaisseur 1 mm. La première se fait à l’aide d’un transmetteur piézoélectrique amovible qui génère les ondes de surface et d’un vibromètre laser qui détecte l’amplitude des vibrations à différentes positions sur l’échantillon. Malgré un précision limitée, il est possible d’obtenir l’angle de perte des couches minces à une fréquence d’excitation de 9.08 MHz. Les résultats les plus fiables de c sont dans l’intervalle 2−7×10−2 avec des incertitudes de 1−3×10−2, ce qui représente de 15 à 50% des valeurs selon le cas. On obtient donc des résultats plus élevés que ce qui est attendu pour cette gamme de fréquence, même avec une précision limitée, ce qui nous porte à penser que certains mécanismes peuvent affecter l’angle de perte à plus hautes fréquences. Pour la deuxième méthode, on place directement sur l’échantillon des transmetteurs interdigitaux qui servent à la fois d’émetteur et de récepteur et une cavité résonante qui permet de contenir les ondes d’une certaine longueur d’onde sur l’échantillon. Les fréquences d’excitations des ondes de surface générés sont de 19.89 MHz et 33.15 MHz. Nos échantillons ne nous permettent pas de calculer c, mais la technique de mesure nous permet d’avoir une précision au moins plus élevée que la première méthode soit 1 × 10−2 pour un échantillon et 4 × 10−3 pour l’autre. On peut facilement améliorer la méthode, notamment en augmentant la réflectivité de la cavité résonante, ce qui permettrait d’obtenir des résultats précis avec des échantillons qui comprennent la couche mince. / Limitations to the sensitivity of LIGO’s (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) gravitational wave detectors is due to thermal fluctation induced by mechanical dissipation in the amorphous Ta2O5 thin films composing the interferometer’s mirrors. The loss angle parameter ( ) describes the magnitude of the dissipation that occurs in the material and is obtained by studying the mechanical energy absorption of the thin film. This parameter is usually measured for a range of frequencies going from 1 to 30 KHz, which is near the expected frequencies for gravitational wave detection (10-100 Hz). Molecular dynamics simulations also calculate the loss angle for very high frequencies (GHz). Our research aim to caracterise the loss angle of Ta2O5 thin films in the MHz mid-range frequencies. We use surface acoustic waves for the thin film to have a greater weight in the caculation of the loss angle to help us get a higher precision. Two methods are used to obtain the loss angle of the film ( c) of Ta2O5 (1 μm thick) which, for the first method, is deposited on a 2 mm thick SiO2 B270 substrates, and, for the second method, on a 1mm thick LiNbO3 substrates. The first one uses a movable piezoelectric transducer that generates the surface waves and a laser vibrometer to mesure the amplitude of the vibration along the sample. Though the precision is not very good, we were able to calculate the loss angle of thin films for a surface wave frequency of 9.08 MHz. The best results for c are within the range of 2 − 7 × 10−2 with uncertainties ranging from 1−3×10−2, which represent 15 to 50% of values by case. We get higher loss angles than what was expected for this frequency range, even with a low precision, so we suspect that some loss mechanisms might affect the loss angle at higher frequency. The second method uses a resonator that is place directly on the samples with interdigital transducers that generate the surface waves and acoustical mirrors that form the resonator (acoustical cavity). Wave are excited at two different frequencies, 19.89 MHz and 33.15 MHz, and are contained in the resonator to study their propagation on the sample. Althouth we do not have c results for coated sample, we were able to evaluate the precision of such measuments and we have uncertainties of 1 × 10−2 for a sample and 4 × 10−3 for the other. The samples used with this method could easily be improve, by increasing the reflecitvity of the resonator mirrors, to obtain a higher precision and get better results for sample coated with a thin film.

Ce travail porte sur l’étude de matériaux micro/nano structurés permettant l’ingénierie des structures de bande dans le domaine des ondes élastiques. Nous nous sommes intéressés en particulier à l’intégration de ces matériaux dans les dispositifs électro-acoustiques et l’étude de l’interaction avec les ondes acoustiques de surface.La démarche consiste à mener des simulations par la méthode des éléments finis, pour calculer les structures de bande et les spectres de transmission. Nous avons étudié l’effet des paramètres géométriques et élastiques des micro-plots sur les branches acoustiques représentant les modes de surface. Nous avons ensuite discuté l’effet de la symétrie de l’arrangement sur la polarisation des modes de surface. Nous avons également étudié l’effet de la symétrie sur la sensibilité des modes de surface à une variation de température.Sur le plan expérimental, Nous avons élaboré des transducteurs inter-digités sur un substrat piézoélectrique de LiNbO3. Nous avons intégré divers cristaux phononiques composés de micro-plots de Ni, obtenues par électrodéposition. Les spectres de transmission ont été mesurés à l’aide d’un analyseur de réseau et comparés aux résultats theoriques.En dehors des cristaux phononiques basés sur des plots du nickel, d’autres structures ont également été présentées dans ce travail, incluant des matériaux bidimensionnels à base de nanoparticules magnétiques auto-assemblées et des nanofils du nickel électrodéposés à travers des membranes nano-poreuses d’alumine. / This work concerns the study of micro/nano structured materials for the engineering of band structures in the field of elastic waves. We were interested in particular to the integration of these materials in electro-acoustic devices and the study of the interaction with the surface acoustic waves.The approach is to carry out the simulation using the finite element method to calculate the band structures and the transmission spectra. We studied the effect of geometrical and elastic parameters of micro-pillars on acoustic branches representing surface modes. Then we discussed the effect of the symmetry of the arrangement on the polarization of the surface modes. We also investigated the effect of the symmetry on the sensitivity of surface modes with the variation of temperature.Experimentally, we have developed interdigital transducers on a piezoelectric substrate of LiNbO3. We have fabricated various phononic crystals composed of nickel micro-pillars, obtained by electrodeposition. The transmission spectra were measured by a network analyzer and compared with the theoretical results.Besides the phononic crystals based on nickel pillars, some other periodic micro/nano structures were also involved in this work, such as two dimensional materials based on self-assembled magnetic nanoparticles and nickel nanowires electroplated through nano-porous alumina membranes.

Exziton-Polaritonen in Mikrokavitäten sind Quasi-Teilchen, die unter bestimmten physikalischen Konditionen kondensieren und damit in einen energetisch gleichen, gemeinsamen makroskopischen Quantenzustand (MQZ) übergehen können. Exziton-Polariton-Kondensate können mithilfe von akustischen Oberflächenwellen moduliert werden, um ihre Eigenschaften zu verändern. Dies ist insbesondere von großer Relevanz für zukünftige Anwendungen. In dieser Arbeit wurden die Struktur sowie die Dynamik der Exziton-Polariton-Kondensate in den durch die akustischen Oberflächenwellen erzeugten quadratischen Gittern untersucht. Es wurde dazu die Wellenfunktion der Exziton-Polariton-Kondensate im Rahmen der spektroskopischen und zeitaufgelösten Messungen im Orts- und Impulsraum abgebildet. Die MQZ wurden in einer optisch-parametrischen Oszillatorkonfiguration resonant angeregt. Die spektroskopischen Messungen zeigten, dass Exziton-Polariton-Kondensate in akustischen quadratischen Gittern aus unterschiedlichen MQZ, nämlich aus einem zwei-dimensionalen Gap-Soliton (2D GS) umgeben von mehreren ein-dimensionalen MQZ, und einem inkohärenten Strahlungshintergrund zusammengesetzt sind. Im Rahmen der zeitaufgelösten Experimente wurde die Dynamik der Wellenfunktion des 2D GS untersucht. Die zeitaufgelösten Ergebnisse zeigten, dass sowohl die Intensität der von dem 2D GS emittierten Photolumineszenz (PL) als auch die Kohärenzlänge des 2D GS zeitlich oszillieren. Die Intensität der PL und die Kohärenzlänge hängen von der Anregungsleistung, der Größe des Laserspots sowie von der relativen Position des akustischen Gitters und dem Laserspot ab. Im Ausblick dieser Arbeit wurde theoretisch die Anregung von Tamm-Plasmon/Exziton- Polaritonen (TPEP) sowie deren Modulation mithilfe von akustischen Oberflächenwellen diskutiert. TPEP entstehen durch die Superposition der in der Grenzschicht zwischen Mikrokavität und Metall angeregten Tamm-Plasmonen und den in der Mikrokavität erzeugten Exziton-Polaritonen. / Microcavity (MC) exciton-polaritons can form condensates, i.e. macroscopic quantum states (MQSs), as well under a periodic potential modulation. The modulation by a surface acoustic wave (SAW) provides a powerful tool for the formation of tunable lattices of MQSs in semiconductor MC. In this work, fundamental aspects of the structure and dynamics of exciton-polariton condensate in acoustic square lattices were investigated by probing its wavefunction in real- and momentum space using spectral- and time-resolved studies. The MQSs were resonantly excited in an optical parametric oscillator configuration. The tomographic study revealed that the exciton-polariton condensate structure self-organises in a concentric structure, which consists of a single, two-dimensional gap soliton (2D GS) surrounded by one-dimensional MQSs and an incoherent background. 2D GS size tends to saturate with increasing particle density. The experimental results are supported by a theoretical model based on the variational solution of the Gross-Pitaevskii equation. Time-resolved studies showed the evolution of the 2D GS wavefunction at the acoustic velocity. Interestingly, the photoluminescence (PL) intensity emitted by the 2D GS as well as its coherence length oscillate with time. The PL oscillation amplitude depends on the intensity and the size of the exciting laser spot, and increases considerably for excitation intensities close to the optical threshold power for the formation of the MQS. In the outlook, the formation of Tamm-Plasmon/Exciton-Polariton (TPEP) hybrid states and their modulation by SAWs was theoretically discussed. Here, the upper DBR is partly replaced by a thin metal layer placed on top of the MC. In this case, TPEP form by the superposition of Tamm plasmons at the metal-semiconductor interface and the exciton-polaritons in the MC.

The "Mark V" Holographic Video Monitor ("HoloMonitor") is a continuation of effort and accomplishments to produce a low-cost device capable of reproducing true full-color horizontal-parallax-only computer-generated holograms at typical video frame-rates. While other devices around the world may have greater capabilities, these devices are currently confined to laboratory settings due to their sheer complexity and expense. The aim of this project is to provide researchers and "tinkerers" with a device capable of recreating holographic effects in full color, respectable resolution, in real time, and at a comparatively low cost. The "Mark V" HoloMonitor is a closer representation of a consumer product than any other device of the MIT/BYU series of HoloMonitors. In this thesis, I discuss the complete design and construction of all of the optic (sans modulator) electronic subsystems that compose this device, along with explaining and providing working code needed to drive it in various modes of operation. The main objective of this thesis is to sufficiently instruct undergraduate and graduate colleagues so that they can replicate and build upon this work.

Cette thèse concerne l’étude de la propagation d’ondes acoustiques dans des structures hétérogènes. Le but essentiel de ces travaux est de confronter des résultats d’expériences numériques effectuées dans le domaine physique (espace, temps) à des prédictions analytiques pour la propagation des ondes de surface SH le long d’un demi-espace stratifié périodique produisant des spectres discontinus de dispersion pour les ondes, ainsi que pour la diffusion multiple dans des milieux aléatoires inclusionnaires (fissures, cavités). Le code numérique FDTD développé lors de cette étude a permis, en autres choses, de corroborer quantitativement les fenêtres spectrales théoriques d’existence des ondes de surface dans les demi-espaces périodiques,ainsi que de montrer des zones de validité fréquentielles des approches analytiques de diffusion multiple concernant les propriétés effectives de milieux aléatoires. / The study is concerned with acoustic waves in elastic media with a different nature of in homogeneity consisting in either periodically continuous or piece wise variation of material properties, or in random sets of defects embedded into a homogeneous matrix, with a given statistical distribution. The scope of problems is topical in non-destructive testing and other applications of ultrasound.Theoretical methods describing involved acoustic phenomena (complex dispersion features, coherent wave in random media, ensemble average techniques) often rely on certain a priori assumptions which render numerical verification especially important.The thesis presents results of analytical modelling of the propagation of surface acoustic waves along periodic half-space, for which the dispersion spectrum is rather complex (discontinuous spectrum of propagation for the surface waves). A 2nd order FDTD numerical code has been developed in order to perform numerical experiments in the space and time domains, and to corroborate the analytical predictions in the frequency domain. A good agreement of simulated results with analytical modelling demonstrates applicability and consistency of the numerical tool. Finally, the code has been used for extracting numerically the coherent wave regime (mean wave over ensemble averaging of the positions of scatterers) for the acoustic propagation in different types of populations of randomly distributed scatterers. The results indicate ranges of validity of some multiple scattering analytical techniques.