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Top–down SiGe nanostructures on Ge membranes realized by e-beam lithography and wet etching
No full textSiGe nanostructures on Ge membranes have been fabricated by electron beam lithography and anisotropic wet chemical etching, starting from SiGe/Ge heterostructures epitaxially deposited on Si substrates. Two different top-down approaches have been studied in order to obtain the best freestanding structures. We find that the process in which the Ge membrane is suspended after the lithography of the SiGe nanostructures leads to high quality SiGe nanostructures without damage to either the SiGe nanostructures or the Ge membrane. The structures have been systematically analyzed at every step of the fabrication process, by scanning electron microscopy and by atomic force microscopy
Dislocation engineering in SiGe on periodic and aperiodic Si(001) templates studied by fast scanning X-ray nanodiffraction
Full text linkFast-scanning X-ray nanodiffraction microscopy is used to directly visualize the misfit dislocation network in a SiGe film deposited on a pit-patterned Si substrate at the beginning of plastic relaxation. X-ray real-space diffracted intensity maps are compared to topographic atomic force microscopy images, in which crosshatch lines can be seen. The change in intensity distribution as a function of the incidence angle shows localized variations in strain within the SiGe film. These variations, which reflect the order imposed by the substrate pattern, are attributed to the presence of both bunches of misfit dislocations and defect-free regions
Tensile strain in Ge membranes induced by SiGe nanostressors
Full text linkThe monolithic integration of photonic functionality into silicon microtechnology is widely advanced. Yet, there is no final solution for the realization of a light source compatible with the prevailing complementary metal-oxide-semiconductor technology. A lot of research effort focuses on germanium (Ge) on silicon (Si) heterostructures and tensile strain application to Ge is accepted as one feasible route to make Ge an efficient light emitter. Prior work has documented the special suitability of Ge membranes to reach the high tensile strain. We present a top-down approach for the creation of SiGe stressors on Ge micro-bridges and compare the obtained strain to the case of an attached bulk-like Ge layer. We could show that the Ge influenced by a SiGe stressor is under tensile strain; absolute strain values are of the order of 0.7% for both micro-bridge and bulk. The relative strain induced by the nanostructures in the micro-bridge is 1.3% due to the high sharing of elastic energy between nanostructures and bridges
Strain in Si or Ge from the edge forces of epitaxial nanostructures
No full textThe introduction of strain in semiconductors is a well-known technique exploited in microelectronics to increase their mobility and thus to enhance the performance of silicon-based electronic devices. Moreover, tensile strain is one feasible route towards converting Ge into an efficient light emitter. Here we show how the application of local strain via nanopatterning opens a wider parameter space for strain engineering in semiconductors of the Si/Ge material system. The general approach relies on the top-down fabrication of SiGe stressors realized by electron-beam lithography (EBL) and reactive-ion etching (RIE). Specifically, compressive strain can be locally applied to pure Si and tensile strain can be applied to pure Ge. Raman spectroscopy is used to investigate the strain induced in Si or Ge bulk like substrates. Furthermore, the realization of stressors on micro-bridges demonstrates higher achievable strain level if compared to the attached bulk-like case. The strain enhancement is due to the high sharing of elastic energy in between the nanostructures and the bridges. The SiGe stressor approach hence presents a CMOS compatible alternative for strain creation in Si, Ge and SiGe
On chip manipulation of magnetic particles by magnetic domain walls
No full textLAUREA SPECIALISTICAQuesto lavoro di tesi riguarda la progettazione, la fabbricazione e la verifica di micro e nano condotti per la manipolazione di particelle magnetiche
mediante il controllo della propagazione delle pareti di dominio
e l'accoppiamento magnetico tra queste e particelle magnetiche funzionalizzate.
Lo scopo di questa attività è quello di implementare un sistema integrabile
lab-on-chip per applicazioni biologiche, le particelle magnetiche funzionalizzate
sono infatti comunemente usate come markers molecolari. Queste
strutture hanno le potenzialità per migliorare applicazioni esistenti, come
il trasporto e la selezione di molecole biologiche, e sono integrabili con
piattaforme microfuidiche, a differenza di altre tecniche più sofisticate e
complesse, consentendo l'analisi e la sintesi di un elevato numero di singole
molecole.
Nell'ultimo decennio le pareti di dominio, che costituiscono il confine tra
domini in campioni ferromagnetici, sono state intensamente studiate. In
nano e micro strutture, emergono nuovi tipi di dominio: è la geometria a
dominare la struttura di spin della parete.
In nano e micro condotti ferromagnetici l'anisotropia di forma costringe infatti
la magnetizzazione a giacere allineata all'asse del condotto. La struttura
di spin di una parete può essere controllata tramite le dimensioni laterali e lo spessore del nanocondotto, mentre il posizionamento della parete
dipende da variazioni geometriche come costrizioni, protrusioni o angoli i
quali implicano variazioni di potenziale. I vincoli geometrici rappresentano
quindi posizioni di equilibrio stabile per le pareti anche in assenza di campo
esterno applicato.
Le pareti di dominio possono essere quindi usate come interfacce mobili:
esse si comportano come quasi-particelle che posso essere precisamente manipolate
tramite campi magnetici esterni o correnti polarizzate in spin.
Il trasporto di particelle magnetiche in soluzione è stato realizzato al di
sopra di nano e micro strutture in permalloy (Ni80Fe20). Il permalloy è un
materiale magnetico soft, quindi strisce planari di questo materiale sono
eccellenti condotti per le pareti di dominio che possono essere nucleate e
spostate in modo controllato sotto l'azione di un campo magnetico applicato.
Il moto delle particelle magnetiche (beads) segue quello delle pareti
di dominio a causa della forte interazione fra esse e il gradiente di campo
emanato dalle pareti.
Il moto delle pareti avviene attraverso salti tra vincoli geometrici vicini (angoli
successivi di un condotto a zig-zag) oppure in modo continuo su una
struttura curva (mediante l'applicazione di un campo magnetico costante
in modulo, ma rotante). La realizzazione di condotti paralleli permette il
trasporto di una larga popolazione di particelle.
I maggiori problemi affrontati e risolti in questa tesi sono:
Progettazione delle geometrie delle biforcazioni impiegate per il trasporto
delle particelle magnetiche tramite l'utilizzo di software di simulazione
come OOMMF (Object Oriented MicroMagnetic Framework) e Mathematica.
Simulando con OOMMF le configurazioni micromagnetiche
è possibile ottimizzare la geometria che fornisce la desiderata manipolazione delle pareti di dominio. Mediante metodi di calcolo ad elementi
finiti implementati in ambiente Mathematica viene inoltre calcolato
il campo magnetico generato nello spazio circostante la parete,
il suo gradiente e quindi la forza attrattiva sulla particella.
Fabbricazione di micro e nano strutture in permalloy su substrati
di ossido di silicio mediante litogra a ottica ed elettronica, rispettivamente.
Le nanostrutture sono poi coperte da un sottile strato
protettivo di SiO2.
Fabbricazione di celle microfluidiche in PMMA o in PDMS. La cella
microfluidica in PMMA è realizzata tramite laser milling. La cella
microfluidica in PDMS è realizzata tramite soft lithography.
Test e ottimizzazione della propagazione delle pareti di dominio alla
biforcazione, sotto l'azione di campi magnetici esterni, tramite una
caratterizzazione con microscopio a forza magnetica. Durante questa
attività sono state definite le intensità e le direzioni del campo magnetico
necessario ad ottenere le funzionalità sopra menzionate.
Calcolo della forza magnetica delle pareti di dominio a vortice (micro
condotti) e trasversali (nano condotti) mediante il calcolo della forza
di trascinamento necessaria a rilasciare particelle intrappolate magneticamente.
L'analisi è stata condotta utilizzando immagini e video
ottenuti con un microscopio ottico.
Applicazione della tecnica di propagazione dei domini ad esperimenti
di manipolazione. Particelle magnetiche funzionalizzate vengono trascinate
in soluzione dal moto delle pareti di dominio e possono essere
indirizzate in condotti diversi tramite biforcazioni, oppure essere portate nello stesso punto su di un condotto per permettere reazioni di
sintesi. L'analisi è stata condotta sullo stage di un microscopio ottico.This thesis deals with the design, fabrication and test of micro and nanoconduits
for the magnetic particles manipulation. This manipulation is
obtained by controlling the domain walls propagation and the magnetic
coupling between them and the functionalized magnetic particles.
The scope of this activity is to implement lab-on-chip systems suitable for
biochemical applications. Magnetic particles with functionalized surfaces
are commonly used as molecular labels. The structures, we have designed,
have the potential of improving a number of existing applications, like the
transport and sorting of biological molecules. They also can be integrated
with microfluidic platforms, unlike other more sophisticated and complex
techniques, for high-throughput single molecule analysis and synthesis.
Over the last decade the domain walls, which constitute the boundary between
domains in ferromagnetic samples, have been intensively studied.
Novel domain types emerge in nano and micro-structures: geometry dominate
the wall spin structure. In soft ferromagnetic nano and micro-wire,
shape anisotropy forces the magnetization to lie parallel to the wire axis.
The wall spin structure can be controlled by the lateral dimensions and
by the thickness of the wire, while the position of the wall depends on geometric
variations such as constraints, corners or protrusions, that imply
potential changes. Therefore the geometric constraints are stable equilibrium positions for domain walls even in the absence of an external applied
field. The domain walls can then be used as mobile interfaces: they behave
like quasi-particles that can be precisely manipulated by external magnetic
fields or by spin-polarized currents.
The transport of magnetic particles in solution was realized upon such nano
and micro-structures made of permalloy (Ni80Fe20). Permalloy is a soft
magnetic material. Hence planar strips, made of this material, have been
shown to form excellent conduits for domain walls, that can be nucleated
and moved in a high controllable way under the action of an externally
applied magnetic field. The magnetic particles motion follows that of the
domain walls because of the strong interaction between the magnetic particles
(beads) and the field gradient, emanating from the domain walls.
The domain walls motion takes place via jumps between neighbour pinning
sites (e.g. corners of a zig-zag conduit) or continuously on a curved structure
(by applying a rotating magnetic field). The realization of parallel
conduits permits the transport of large populations of beads.
The main issues faced and solved in this thesis are:
Design of the bifurcations geometry, used for the transport of the
magnetic particles, via simulation platforms like OOMMF (Object
Oriented MicroMagnetic Framework) and Mathematica. The micromagnetic
configuration can be simulated with OOMMF in order to
optimize the conduit geometry providing the desired domain walls
manipulation. The magnetic field generated in the space surrounding
the wall, its gradient and thus the attractive force on the particle
are also calculated using finite element methods implemented with
Mathematica.
Fabrication of micro and nano-structures of permalloy on silicon oxide substrate via optical and electron beam lithography, respectively.
These structures are then capped with a thin protecting layer of SiO2.
Fabrication of microfluidic cell in PMMA or in PDMS. The microfluidic
cell in PMMA is fabricated via laser milling. The microfluidic
cell in PDMS is fabricated via soft lithography.
Test and optimization of the domain walls propagation at the bifurcation,
under the action of external magnetic fields, via magnetic
force microscope. During this activity we have defined the intensities
and the directions of the external magnetic field necessary to obtain
the above mentioned functionalities.
Calculation of the magnetic attractive force of vortex (micro conduit)
and transverse (nano conduit) domain walls by calculating the
drag force needed to release magnetically trapped particles in solution.
The analysis is carried out using optical microscope videos and
images.
Application of the method of domains wall propagation to manipulation
experiments. Functionalized magnetic beads are dragged in
solution by the motion of domain walls; they may be sent in different
conduits through bifurcations, or they be brought up at the
same point of a conduit to allow synthesis reactions. The analysis is
conducted under the optical microscope
Strain engineering in Si, Ge and SiGe alloys
No full textLa necessità di migliorare le prestazioni dei dispositivi microelettronici ha spinto le tradizionali architetture basate su silicio ai i loro limiti. Un possibile modo per superare questi limiti è stato identificato nell'uso dello “strain engineering”, che permette il controllo della struttura a bande dei semiconduttori. L'uso di film spessi è ostacolato dalla nucleazione di dislocazioni, che peggiorano le prestazioni dei dispositivi, tuttavia con il metodo del “dislocation engineering” è possibile governare la nucleazione e la propagazione di dislocazioni a livello nanometrico.
Per quanto riguarda il problema del controllo dello strain, un adeguato nano-patterning dello strato di SiGe induce, attraverso la generazione di forze localizzate, una compressione o espansione, rispettivamente per un substrato di Si o di Ge. Film di SiGe sono stati depositati con la tecnica di low-energy plasma-enhanced chemical vapor deposition (LEPECVD). Nano-stressori di SiGe sono stati realizzati con litografia a fascio di elettroni (EBL) e con un attacco via plasma (RIE). Le tecniche di microscopia elettronica a scansione (SEM) e di microscopia a forza atomica (AFM) sono state usate per caratterizzare le strutture ottenute. La spettroscopia μRaman è stato utilizzata per studiare lo stato di strain di un sistema “SiGe-on-Si”. Utilizzando simulazioni a elementi finiti (FEM), è stato possibile dimostrare che la deformazione indotta nel substrato dipende dal rapporto tra la larghezza e la spaziatura delle strisce. Successivamente, il caso “SiGe-on-Ge” è stato considerato. In questo caso l'obiettivo era uno strain tensile monoassiale superiore al 4% per indurre la transizione del germanio ad un band gap diretta. Un modello numerico semplificato è stato sviluppato per descrivere il processo di rilassamento dello strain tensile del SiGe su Ge e per trovare le condizioni ottimali per la crescita di un film metastabile. Anche in questo caso la deformazione dipende dalla spaziatura tra le strisce, e il strain ottenuto è superiore al 4%. Questo strain può essere migliorato utilizzando membrane di SiGe/Ge, che sono state ottenute mediante attacchi chimici (TMAH e KOH) che conservano lo strato di SiGe, portando alla realizzazione di superfici di alta qualità. Questi campioni sono stati analizzati mediante spettroscopia μRaman, in seguito gli stressori di SiGe sono stati realizzati sulla membrana di Ge.
Per quanto riguarda il “dislocation engineering”, è stato sviluppato un nuovo metodo di controllo delle dislocazioni. La realizzazione di pattern adeguati con litografia elettronica, ha garantito il controllo sulla propagazione di dislocazioni in un film di SiGe epitassiale cresciuto sul substrato di Si. Il pattern era una matrice di piramidi invertite allineate lungo le direzioni . In questo modo, è stato possibile controllare la propagazione di dislocazioni lungo le linee fra le piramidi. La possibilità di ottenere aree prive di dislocazioni è un obiettivo importante per lo sviluppo di tecnologie più efficienti, infatti in questo modo le dislocazioni sono confinate lontano dalle parti attive dei dispositivi. Uno studio sistematico di diversi parametri (ad esempio il contenuto di Ge) è stato eseguito per trovare le condizioni ottimali. Tutti i campioni sono stati caratterizzati mediante AFM. Questo effetto di controllo non era limitato solo all'interno del pattern ma si estende per 20 μm fuori dal pattern, dando luogo a zone in cui le dislocazioni si propagavano in una sola direzione. I campioni sono stati studiati mediante spettroscopia μRaman e nano diffrazione di raggi X. Questo è il primo caso in cui la spettroscopia μRaman stata utilizzata per la visualizzazione diretta delle dislocazioni presenti in un film. Infine, i campioni sono stati caratterizzati mediante analisi di microscopia a trasmissione elettronica (TEM) per indagare la natura dei difetti.The need for an increase in the performance of microelectronic devices has pushed the traditional silicon-based architectures to their limits. One possible way to overcome these limits is identified in the use of strain engineering, which allows the control of the band structure of semiconductors. The use of thick films in hindered by the nucleation of dislocations, which decrease the performance of the devices, however using the dislocation engineering method it is possible to govern the nucleation and the propagation of dislocations at the nanoscale level.
Regarding the problem of strain control, a suitable nanopatterning of the SiGe layer induces, through the generation of edge forces, a compressive or a tensile strain, respectively for a Si or a Ge substrate. SiGe films were deposited by low-energy plasma-enhanced chemical vapor deposition (LEPECVD). SiGe nanostressors were realized by electron beam lithography (EBL) and reactive ion etching (RIE). Scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM) were used to characterize the obtained structures. μRaman spectroscopy was used in order to study the strain state of a SiGe-on-Si system. Using finite element method simulations (FEM), it was possible to demonstrate that the strain induced in the substrate depends on the ratio between the width and the spacing of the stripes. Afterwards, the SiGe-on-Ge case was considered. In this case the goal was a uniaxial tensile strain higher than 4% in order to induce the transition to a direct band gap in the germanium. A simplified numerical model, was developed to describe the strain relaxation process of tensile SiGe on Ge and to find the optimum conditions for the growth of a metastable film. Also in this case the strain depends on the spacing between the stripes, and the obtained strain is higher than 4%. This strain can be enhanced using SiGe/Ge membranes, which were obtained using wet etching processes (TMAH and KOH) which preserve the SiGe layer, leading to the realization of high quality surfaces. These samples were analyzed by μRaman spectroscopy, then SiGe stressors were fabricated from the SiGe layer.
Regarding dislocation engineering, a new method of controlling the dislocations was developed. Suitable patterns, realized by EBL, provided a controlling effect on the propagation of dislocations in an epitaxial SiGe film grown on the patterned Si substrate. The pattern was a matrix of inverted pyramid aligned along the directions. In this way, it was possible to control the propagation of dislocations along the pit rows. The ability to confine dislocations and obtain areas without dislocations is an important target for the development of more efficient technologies, in fact in this way the dislocations are confined away from the active parts of the devices. A systematic study of different parameters (e.g. the Ge content) was performed to find the optimum conditions. All the samples were characterized by AFM. This control effect was not confined only within the pattern but extended over 20 μm outside the pattern, giving rise to areas in which dislocations ran in only one direction. The samples were studied by μRaman spectroscopy and nano X-ray diffraction. This is the first case where μRaman spectroscopy was used for the direct visualization of the dislocations present in a film. Finally, the samples were characterized using TEM analysis in order to investigate the nature of the defects.DIPARTIMENTO DI FISICASolid state physics: advanced spectroscopy, scanning probe microscopy, nanostructure fabrication27CICCACCI, FRANCOTARONI, PAOL
Nanostrutturazioni di leghe SiGe per deformazioni controllate di film sospesi di Ge
Full text linkLAUREA MAGISTRAL
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