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Improvement of tunnel device by mechanical treatment
No full textLAUREA SPECIALISTICAIl dispositivo composto da multistrati di metallo-isolante-semiconduttore (MIS)
è usato per l'emissione di elettroni caldi mediante e etto tunnel. I dispositivi MIS
sono usati dal Dipartimento di Fisica dell'Università Tecnica della Danimarca come
puri emettitori di elettroni o per la loro applicabilità nella Femtochimica Super -
ciale tramite elettroni caldi. L'e etto tunnel è descritto teoricamente tramite il
tunneling di Fowler-Nordheim. Il dispositivi a multistrato hanno un'area attiva
larga di 1cm2e sono composti da un substrato di Si drogato n, da un sottilissimo
strato di SiO2 (55 Å) cresciuto tramite trattamento termico e da un lm molto
sottile di metallo, per esempio 5-7Ådi Ti/70Ådi Au oppure 200Ådi Pt a seconda
dell'utilizzo. In questa tesi i dispositivi MIS sono stati studiati con l'obbiettivo
di migliorarne l'emissione elettronica attraverso la creazione di piccoli buchi sulla
super cie, con la conseguente riduzione locale dello spessore del lm metallico e
ottenendo così dei punti caldi con maggiore corrente di emissione.
Sono state fatte misure test di distribuzione di voltaggio su pochi punti dislocati
della super cie del dispositivo usando un motor step; dopodichè il porcesso è stato
automatizzato e ottimizzato ottenendo una quasi totale copertura della superi ce
di metallo interessata alla misura. Si è così potuto dimostrare come la super cie di
metallo distribuisce localmente il calore acquisito dal passaggio di corrente mediante
una di erenza di potenziale applicata ai bordi del layer di metallo.
Ho progettato e costruito il sistema utilizzato per la realizzazione di buchi sulla
superifcie del dispositivo composto dal motor step e dall'attuatore piezoelettrico.
I buchi sulla super cie sono stati fatti utilizzando l'attuatore piezoelettrico, ma
prima di fare questo ho dovuto calibrare ogni singolo movimento del motor step
utilizzando un microscopio ottico e un AFM con lo scopo di poter capire quale
tipo di attuatore piezoelettrico sarebbe stato consono al nostro dispositivo per procedere
alla formazione dei buchi sulla super cie. Si è tarato anche allungamento
dell'attuatore piezoelettrico applicandogli una serie di di erenti tensioni elettriche e
controllanodo ogni allungamento tramite un AFM, potendo così disegnarne la funzione
caratteristica che mette in relazione l'allungamento dell'attutatore piezoelettrico
con la tensione applicata. Con l'impiego del motor step aggiunto all'attuatore
piezoelettrico si sono fatti i primi buchi misurando con l'AFM la loro profondità
in dipendenza dal voltaggio applicato e garantendo in ne la possibilità di creare
dei buchi con una profonditá minore di 20 nm, minore dello spessore del lm di
metallo.
La caratterizzazione elettrica del dispositivo tramite curve corrente-tensione
ci ha permesso di dimostrare il suo funzionamento anche dopo l'applicazione di
buchi sulla super cie del metallo, profondi abbastanza da non raggiungere il lm
di ossido e da non rompere così l'intero dispositivo. Le curve corrente-tensione
sui wafer hanno confermato l'e etto tunneling descritto teoricamente da Fowler-
Nordheim prima e dopo la presenza dei buchi. In ne esperimenti di emissione di
corrente sulla device con i buchi in super cie non sono state eseguite per mancanza
di tempo, ma sono state menzionate le loro principali caratteristiche mostrando che
in realtà ci sarebbero tutti i buoni presupposti per aspettarsi un incremento della
corrente di emissione sui dispositivi MIS bucati in super cie.The Metal-Insulator-Semiconductor multilayer (MIS) are used for hot electron
emission through tunnel e ect. The MIS device are used at the Department of
Physics of the Technical University of Denmark like a pure electron emitter or for
their applicability for Hot Electron Fentochemestry at Surfaces. The tunnel e ect
is described theoretically by the Fowler-Nordheim tunneling. The Metal-Insulator-
Semiconductor multilayer devices have ultralarge active areas of 1 cm2 and consist
of an n-doped Si substrate, an ultrathin (55 Å) thermally grown SiO2 layer and a
very thin metallic lm, that could be for instance a Ti layer of 5-7 Å with 70 Å
Au or a thicker Pt lm of 200 Å depending on their applications. In this thesis
the MIS have been studied in order to improve their electron emission through the
creation of a very small holes on their surfaces, with locally reducing of the metallic
thickness obtaining at the end some hot points with more emission current.
A few test point measurements of voltage distribution have been done on spaced
points of the surface of the devices using a stepper motor, and then the procedure
has been automated and optimized covering almost the entire metallic area. So I have been demonstrated how the metal surface locally distributes the heat acquired
by the passage of current through it caused by the application of a potential
di erence applied to the edges of the metallic layer.
I designed and manufactured a system to make the holes on the device composed
from a step motor and a piezo-actuator. The holes on the surface has been done
using a piezo-actuator, but before this I had to calibrate every single movemente of
the step motor and this has been carried out with the use of an optical microscope
and an AFM in order to predict which kind of piezoelectric actuator was necessary
for the creation of the holes on the surface. The stretching of the piezoelectric
actuator has been calibrated too, appling a signi cant number of voltages to the
piezo-actuator and checking its stretching using the AFM and at the end I could
plot its characteristic function, by relating the stretching of the piezo-actuator under
an speci c applied voltage. Using the piezoelectric actuator in combination with
the motor step it has been possible to dig lines of holes and afterwards, with the
help of the AFM, their depth was measured demonstrating its variation on di erent
applied voltage to the piezo-actuator; the goal of creating holes deep even less than
200 Å, the thickenss of the metal layer, was then achieved.
The electrical characterization of the device through current-voltage curves
con rmed that it properly worked even after the application of some holes on the
metal surface, depth enough without reach the oxide layer and so don't break the
entire device. The voltage-corrent curves supported the descrition of the Fowler-
Nordheim tunneling through the wafers with and without holes. At the end the
electron emission curves on my device with holes has not been made for lack of time
but the principal features of it are mentioned to show that there is every reason to
think that the device with holes could improve the electron emission
Catalysts, Protection Layers, and Semiconductors:The Challenge of Interfacing
Get PDFHydrogen is the simplest solar fuel to produce and in this presentation we shall give a short overview of the pros and cons of various tandem devices [1]. The large band gap semiconductor needs to be in front, but apart from that we can chose to have either the anode in front or back using either acid or alkaline conditions. Since most relevant semiconductors are very prone to corrosion the advantage of using buried junctions and using protection layers offering shall be discussed [2-4]. Next we shall discuss the availability of various catalysts for being coupled to these protections layers and how their stability may be evaluated [5, 6]. Examples of half-cell reaction using protection layers for both cathode and anode will be discussed though some of recent examples under both alkaline and acidic conditions. Si is a very good low band gap semiconductor and by using TiO2 as a protection layer we can stabilize it for both H2 and O2 evolution [7, 8, 9, 10]. Notably NiOx promoted by iron is a material that is transparent, providing protection, and is a good catalyst for O2 evolution. We have also recently started searching for large band gap semicondutors like III-V based or pervoskite materials and follow the same strategy by using protection layers and catalysts [11]
New Catalyst for HER and CO<sub>2</sub> Hydrogenation for Solar Fuel Production
Get PDFHydrogen is the simplest solar fuel to produce and while platinum and other noble metals are efficient catalysts for photoelectrochemical hydrogen evolution, earth-abundant alternatives are needed for largescale use. We have shown that bio-inspired molecular clusters based on transition metal sulfides mimics nature’s enzymes for hydrogen evolution when deposited on various supports [1, 2]. When these catalysts are deposited on p-type Si they can harvest the red part of the solar spectrum and potentially be coupled to CO2 hydrogenation [3-5]. Such a system could constitute the cathode part of a tandem dream device where the red part of the spectrum is utilized for solar fuel evolution, while the blue part is reserved for the more difficult oxygen evolution. Recently we have found that this system can be improved considerably using a np-Si systems [6] as recently described by the Nate Lewis group [7]. Hereby it is possible to achieve photoelectrochemical H2 production at +0.33 V vs. RHE using a porous, amorphous MoSx catalyst. To stabilize Si during catalyst deposition and the subsequent hydrogen evolution reaction (HER), a corrosion protective layer is shown to be indispensable. At 200mV positive of RHE the cell produce an incident photon to current efficiency (IPCE) of 50%. This work represents a substantial reduction in H2 evolution overpotential for non-Pt Si-photocathode operated in acidic solution. Further improvement in corrosion protection using several 100 nm of TiO2 [8] will be demonstrated and coupling to CO2 hydrogenation will discussed if time allows.</p
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