Littérature scientifique sur le sujet « Eterogiunzioni »

La presente tesi è centrata sul trattamento computazionale di ossidi di metalli di transizione e semiconduttori classici. L'interesse per questi materiali è dovuto alle loro proprietà elettroniche, ottiche e magnetiche e alla loro vasta gamma di applicazioni nella catalisi, nei dispositivi elettronici e nella foto ed elettrocatalisi. Una delle proprietà fondamentali di questi materiali è il gap di banda, che determina le proprietà ottiche, elettriche e chimiche. Da un punto di vista teorico, la metodologia più utilizzata per descrivere il gap di banda di questi materiali è la teoria funzionale della densità (DFT). La stima del gap di banda mediante DFT con l'approccio GGA o funzionali ibridi è giustificata per materiali non altamente correlati come semiconduttori TiO2, ZnO, V2O5, III-V, ecc. Tuttavia, quando si tratta di materiali altamente correlati, si è necessario introdurre metodi che includano effetti a molti corpi (saltellamento di elettroni), come il GW, e la teoria dinamica del campo medio (DMFT). Per risolvere il problema della descrizione di materiali altamente correlati, abbiamo iniziato questa tesi con lo studio degli ossidi di metalli di transizione con carattere di Mott Hubbard utilizzando l'approccio Charge Transition Level (CTL). Da questa ricerca, è emerso che l'approccio CTL fornisce una migliore descrizione del gap di banda di materiali altamente correlati rispetto a quelli ottenuti con funzionali ibridi e metodi teorici di alto livello come GW e DMFT, in cui i valori calcolati vengono confrontati con misurazioni sperimentali. Successivamente, è stata studiata la descrizione e la razionalizzazione del ruolo del confinamento quantistico sui semiconduttori III-V attraverso la considerazione di (110) superfici con spessori diversi. I risultati del confinamento quantistico indicano che esistono due gruppi di semiconduttori, il primo corrisponde ai semiconduttori meno colpiti come il gruppo Al-V e il secondo ai semiconduttori fortemente interessati come il gruppo In-V. Poi siamo passati al trattamento computazionale dei materiali compositi per applicazioni fotocatalitiche come le eterogiunzioni. In un capitolo dedicato sono stati forniti alcuni aspetti metodologici che devono essere considerati nella progettazione di eterogiunzioni binarie e ternarie. In particolare, viene fornita la descrizione delle eterogiunzioni di tipo II poiché questi tipi di interfacce sono le più interessanti per le applicazioni di fotocatalisi. In questo ultimo capitolo della tesi vengono descritti due casi di co-catalizzatori, entrambi basati su catalizzatori ad atomi singoli (SAC) per la reazione di evoluzione dell'idrogeno (HER). In primo luogo, viene discusso l'effetto delle diverse dimensioni delle nanoparticelle d'oro (atomi singoli, nanocluster e nanoparticelle) supportate sul grafene drogato con azoto. In secondo luogo, viene descritta la formazione di due intermedi (MH e HMH) in metalli di transizione adsorbiti su diversi supporti di grafene drogati con azoto e bisolfuro di molibdeno (MoS2).
The present thesis is focused on the computational treatment of transition metal oxides and classical semiconductors. The interest in these materials is due to their electronic, optical, and magnetic properties, and their wide range of applications in catalysis, electronic devices, and photo-and electro-catalysis. One of the fundamental properties of these materials is the band gap, which determines the optical, electrical, and chemical properties. From a theoretical perspective, the most widely employed methodology to describe the band gap of these materials is the Density Functional Theory (DFT). The estimation of the band gap by DFT with the GGA approach or hybrid functionals is justified for materials that are not highly correlated such as TiO2, ZnO, V2O5, III-V semiconductors, etc. However, when one deals with highly correlated materials, it is necessary to introduce methods that include many-body effects (electron hopping), such as the GW, and the dynamical mean-field theory (DMFT). In order to solve the problem of the description of highly correlated materials, we started this thesis with the study of transition metal oxides with Mott Hubbard character by using the Charge Transition Level approach (CTLs). From this research, it was found that CTLs approach provides a better description of the band gap of highly correlated materials than those obtained with hybrid functionals and high level of theory methods such as GW and DMFT, where the computed values are compared with experimental measurements. Next, the description and rationalization of the role of quantum confinement on III-V semiconductors through the consideration of (110) surfaces with different thicknesses was studied. The results from quantum confinement indicate that there are two groups of semiconductors, the first one corresponds to semiconductors that are less affected such as the Al-V group, and the second one to semiconductors that are strongly affected such as the In-V group. Then we moved to the computational treatment of composite materials for photocatalytic applications such as the heterojunctions. In a dedicated chapter, some methodological aspects that need to be considered in the design of binary and ternary heterojunctions were provided. In particular, the description of type-II heterojunctions is given since these kinds of interfaces are the most interesting for photocatalysis applications. In this last chapter of the thesis two cases of co-catalysts are described, both based on single atoms catalysts (SACs) for the hydrogen evolution reaction (HER). First, the effect of different gold nanoparticles size (Single atoms, Nanoclusters, and Nanoparticles) supported on nitrogen-doped graphene is discussed. Second, the formation of two intermediates (MH and HMH) in transition metal oxides adsorbed on different nitrogen-doped graphene supports and molybdenum disulfide (MoS2) is described.

Il lavoro di tesi ha come obiettivo lo studio e lo sviluppo tramite simulazioni numeriche di due celle in silicio ad eterogiunzione, una con parametri forniti dal CNR (Comitato Nazionale delle Ricerche) ed un’altra di tipo HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin-layer). Lo studio e lo sviluppo delle due celle sono stati effettuati mediante un flusso TCAD il quale permette una maggiore flessibilità e completezza nella descrizione dei modelli fisici ed elettrici.

Il concetto di cella a eterogiunzione in silicio ha portato allo sviluppo di dispositivi in grado di convertire oltre il 25% dello spettro solare. Il raggiungimento di alte efficienze di conversione è dovuto alla ricerca nel campo dei vari strati a base di silicio cristallino, amorfo e nanocristallino impiegati per formare le giunzioni. In particolare, lo studio e l’ottimizzazione dello strato di emettitore in silicio amorfo o nanocristallino insieme all’inserimento di uno strato amorfo intrinseco passivante, ha permesso la realizzazione di celle con alte tensioni di circuito aperto. Questi materiali contengono tuttavia dei difetti legati alla struttura amorfa, che compromettono le prestazioni dei dispositivi abbassandone la corrente di cortocircuito. Una possibile soluzione al problema può essere ottenuta formando composti che incorporano elementi come azoto e ossigeno e aumentando il grado di cristallinità del materiale con un processo di annealing. In questa tesi viene studiato l’energy gap di campioni di Silicon Oxynitride (SiOxNy:H) in funzione delle diverse condizioni di crescita e di annealing attraverso il programma di simulazione spettroscopica Optical.

Questa tesi presenta la misura di proprietà elettriche e ottiche di film sottili a base di Si, in particolare ossinitruri di silicio (a-SiOxNy) e ossidi di silicio (a-SiOx) sub-stechiometrici. Questi materiali trovano applicazione nelle celle solari ad eterogiunzione in Si con due funzioni: strato passivante e contatto elettrico. Il silicio amorfo idrogenato, sia intrinseco che drogato, utilizzato finora per buffer layer ed emettitore, presenta assorbimento parassita della luce, ma l'introduzione di carbonio, azoto e/o ossigeno amplia il bandgap del materiale e ostacola la fotogenerazione di cariche. I campioni depositati con PECVD, con tutti i flussi costanti e variando quelli di N2O e CO2, hanno proprietà ottiche ed elettriche migliori del Si amorfo. Sono state depositate due serie con silano e CO2 per a-SiOx, silano e N2O per a-SiOxNy. In altre due serie è stato aggiunto anche diborano, per ottenere silicio drogato boro. Sono state effettuate misure di corrente-tensione su campioni depositati su vetro borosilicato (per eliminare la componente spuria del substrato nella misura della resistività) e misure di surface photovoltage (SPV) su campioni depositati su c-Si drogato boro per individuare bandgap dei materiali e qualità dell’interfaccia layer-substrato. È risultato che i campioni con boro hanno conduttività maggiore dei rispettivi campioni intrinseci, ma non ad alte concentrazioni di azoto e ossigeno, che causano aumento del disordine reticolare e ostacolano l’attivazione del drogante. Il carbonio, invece, introdotto nel materiale solo per alti flussi di CO2, agisce probabilmente come drogante e promuove l’aumento della conducibilità elettrica. Le misure SPV hanno individuato il bandgap del silicio amorfo intorno a 1.8 eV. È stato inoltre possibile vedere transizioni energetiche dovute ad altre fasi presenti nel materiale. Indagando un diverso range di energia è stato possibile studiare la qualità dell’interfaccia con il substrato.

Il presente lavoro di tesi propone uno studio approfondito di proprietà morfologiche e di trasporto di carica di film sottili di SiOxNy amorfi (a-SiOxNy) e nanocristallini (nc-SiOxNy), che trovano importanti applicazioni in celle fotovoltaiche ad eterogiunzione in silicio, ad alta efficienza. Lo studio è condotto mediante caratterizzazione elettrica e morfologica attraverso tecniche di microscopia a forza atomica (AFM). Sono stati studiati campioni di a-SiOxNy cresciuti con tecnica PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), in cui è stata variata unicamente la distanza tra gli elettrodi durante la deposizione. Sono stati inoltre studiati campioni di nc-SiOxNy, cresciuti con PECVD con una differente percentuale di N2O come gas precursore e un differente tempo di annealing. In entrambi i casi si tratta di un materiale innovativo, le cui proprietà fisiche di base, nonostante le numerose applicazioni, sono ancora poco studiate. L'analisi morfologica, condotta mediante AFM e successiva analisi statistica delle immagini, ha permesso di determinare alcune proprietà morfologiche dei campioni. L’analisi statistica delle immagini è stata validata, dimostrandosi stabile e consistente per lo studio di queste strutture. Lo studio delle proprietà di trasporto è stato condotto mediante acquisizione di mappe di corrente con tecnica conductive-AFM. In questo modo si è ottenuta una mappa di conducibilità locale nanometrica, che permette di comprendere come avviene il trasporto nel materiale. L'analisi di questo materiale mediante tecniche AFM ha permesso di evidenziare che l'annealing produce nei materiali nanocristallini sia un clustering della struttura, sia un significativo aumento della conducibilità locale del materiale. Inoltre la distanza tra gli elettrodi in fase di deposizione ha un leggero effetto sulle dimensioni dei grani. È da notare inoltre che su questi campioni si sono osservate variazioni locali della conducibilità alla nanoscala. L’analisi delle proprietà dei materiali alla nanoscala ha contribuito alla comprensione più approfondita della morfologia e dei meccanismi di trasporto elettronico.

Negli ultimi anni si è fortemente approfondita la ricerca per la realizzazione di protesi retiniche per ripristinare artificialmente la vista in pazienti ipo-vedenti o che soffrono di cecità causata da disfunzioni degenerative della retina. In tali dispositivi il componente principale risulta essere lo strato optobioelettronico che, quando è soggetto a illuminazione, produce impulsi di corrente ionica sufficienti ad attivare i neuroni limitrofi e produrre un segnale nella corteccia visiva. Risulta dunque necessario investigare in modo approfondito i processi optobioelettronici all’interfaccia semiconduttore-liquido per riuscire a sviluppare dispositivi che combinino flessibilità, proprietà di biocompatibilità e non subiscano deterioramento a contatto con una soluzione elettrolitica. In questo lavoro sono stati analizzati pigmenti semiconduttori organici sviluppati alla Linkoping University. Lo scopo della presente tesi sperimentale è quello di esaminare e comprendere i meccanismi fisici che governano le dinamiche dei transienti di fotocorrente ottenuti illuminando tali campioni attraverso lo studio dei parametri che li caratterizzano. Un ulteriore obiettivo è quello di ricavare un modello che rappresenti fisicamente il sistema. In questo modo, estrapolando i parametri direttamente dai transienti sperimentali, si è in grado di verificare la validità del modello e di simulare transienti mediante l’utilizzo di un software.

Le sujet de cette thèse est l’analyse de la fiabilité des transistors bipolaires à hétérojonction SiGe:C et descircuits intégrés associés. Dans ce but, un modèle compact prenant en compte l’évolution des caractéristiquesdes transistors SiGe:C a été développé. Ce modèle intègre les lois de vieillissement des mécanismes dedéfaillance des transistors identifiés lors des tests de vieillissement. Grâce aux simulations physiques TCADcomplétées par une analyse du bruit basses fréquences, deux mécanismes de dégradations ont été localisés. Eneffet, selon les conditions de polarisation, des porteurs chauds se retrouvent injectés aux interfaces dutransistor. Ces porteurs chauds ont suffisamment d’énergie pour dégrader l’interface en augmentantprogressivement leurs densités de pièges. L’une des deux interfaces dégradées se situe au niveau del’’’espaceur’’ émetteur-base dont l’augmentation de la densité de piège dépend des porteurs chauds créés parionisation par impact. L’autre interface dégradée se situe entre le silicium et le STI dont l’augmentation dedensité de pièges dépend des porteurs chauds générés par ionisation par impact et/ou par génération Auger.En se basant sur ces résultats, une loi de vieillissement a été incorporée dans le modèle compact HICUM. Enutilisant ce modèle, l’étude de l’impact des mécanismes de défaillance sur un circuit amplificateur faible bruit aété menée. Cette étude a montré que le modèle compact intégrant les lois de vieillissement offre la possibilitéd’étudier la fiabilité d’un circuit complexe en utilisant les outils de conception standard permettant ainsi dediminuer le temps de conception global
The SiGe:C HBT reliability is an important issue in present and future practical applications. To reduce the designtime and increase the robustness of circuit applications, a compact model taking into account aging mechanismactivation has been developed in this thesis. After an aging test campaign and physical TCAD simulations, onemain damage mechanism has been identified. Depending on the bias conditions, hot carriers can be generatedby impact ionization in the base-collector junction and injected into the interfaces of the device where trapdensity can be created, leading to device degradation. This degradation mechanism impacting the EB/spacerinterface has been implemented in the HICUM compact model. This compact model has been used to performreliability studies of a LNA circuit. The CPU simulation time is not impacted by the activation of the degradationcompact model with an increase in computation time lower than 1%. This compact model allows performing areliability analysis with conventional circuit simulators and can be used to assist the design of more robustcircuits, which could help in reducing the design time cycle
L’affidabilità dei transistori a eterogiunzione SiGe:C è un aspetto molto importante nella progettazione circuitale,sia per le tecnologie attuali che per quelle in fase di sviluppo. In questo lavoro di tesi è stato sviluppato un modellocompatto in grado di descrivere i principali meccanismi di degrado, in modo da contribuire alla progettazione dicircuiti relativamente più robusti rispetto a tali fenomeni, ciò che potrebbe favorire una riduzione dei tempi diprogetto. A seguito di una campagna sperimentale e di un’analisi con tecniche TCAD, è stato identificato unmeccanismo principale di degrado. In particolari condizioni di polarizzazione, i portatori ad elevata energiagenerati per ionizzazione a impatto nella regione di carica spaziale, possono raggiungere alcune interfacce deldispositivo e ivi provocare la formazione di trappole. Solo la generazione di trappole relativa allo spaceremettitore-base è stata considerata nella formulazione del modello, essendo il fenomeno più rilevante. Ilmodello è stato utilizzato per effettuare alcuni studi di affidabilità di un amplificatore a basso rumore. Il tempocomputazionale non è significativamente influenzato dall’attivazione del modello di degrado, aumentando solodell’1%. Il modello sviluppato è compatibile con i comuni programmi di simulazione circuitale, e può essereimpiegato nella progettazione di circuiti con una migliore immunità rispetto ai fenomeni di degrado,contribuendo così a un riduzione dei tempi di progetto