c62b82d7c26fc258d81550b43121ddf6575e89b9
[matches/honours.git] / thesis / chapters / Results.tex
1 \chapter{Results and Discussion}
2
3 \section{Scanning Electron Microscopy}
4
5 A number of samples of metallic-black and metallic-bright films were sent to the Centre for Microscopy Characterisation and Analysis (CMCA) at UWA for study. In this section we will present and discuss some of the images produced by CMCA. These images provide an invaluable aid to understanding the structural differences between metallic-black and metallic-bright films.
6
7
8 Figure \ref{SEM_images} shows a comparison of an Au-Black and Au-Bright film imaged using a scanning electron microscope (SEM). The intensity of each pixel is proportional to the total current of secondary electrons scattered from the surface at that point from the metal in the film (the current due to the Si substrate has been subtracted from the image), which is in turn proportional to the density of metal at the considered point.
9
10 \begin{center}
11
12 \begin{tabular}{cc}
13         \includegraphics[scale=0.20]{figures/sem/Au_BLACK_200nm.png} & %\captionof{figure}{Au-Black SEM Image} \label{Au_BLACK_200nm.png} &
14         \includegraphics[scale=0.20]{figures/sem/Au_semi-shiny_1_SEM.png} %\captionof{figure}{Au SEM Image} \label{Au_semi-shiny_1_SEM.png}             
15         
16         \label{SEM_images}
17 \end{tabular}
18
19         \captionof{figure}{{\bf 2500 x 1900nm SEM images of Au-Black (left) and Au-Bright (right) deposited on Si} \\ Preparation pressures were $2\times10^{-2}$mbar and $1\times10^{-6}$mbar respectively. \\ The films are sufficiently thick to be able to observe the colour with the naked eye.}
20
21 \end{center}
22
23 The structural differences between the two films are striking. The surface of the Au-bright film appears to consist of a layer of well defined metallic nanoparticles with sizes ranging from $20$ to $100$nm. In contrast, the Au-black film shows a highly irregular pattern, of interconnected strands of material. This pattern has lead some researchers to refer to metallic-black films as ``smokes'' \cite{}.
24
25
26 \subsection*{Fourier Analysis of SEM Images}
27
28 Fourier Analysis of the above SEM images can be used to provide more quantitative information about the structural differences between the two films.
29
30 The two dimensional Discrete Fourier Transform is given by:
31 \begin{align}
32         F(k_x, k_y) &= \displaystyle\sum_{x=0}^{N-1}\displaystyle\sum_{y=0}^{N-1} f(x, y) e^{\frac{-2 \pi i}{N}\left(k_x x + k_y y\right)} \label{dft}
33 \end{align}
34
35 Where $f(x, y)$ is a discrete data value (in this case the pixel intensity of the image) co-ordinates $(x, y)$, $N \times N$ are the dimensions of the image, and $F(k_x, k_y)$ gives the Fourier Coefficient. If the image represents a region with dimensions of $L \times L$, then the largest frequency components that can be contained in $F$ are $\frac{N}{L}$ \cite{}.
36
37 Figures \ref{} and \ref{} show the amplitude plots of the DFT for each of the SEM images in figure \ref{SEM_images}. Since the phase plots give little additional information, they will not be presented or discussed here.
38
39 There are two notable differences between the SEM images. Firstly, the central peak in low frequency components appears isotropic for the Au-Black sample, but is elliptically shaped for the Au-Bright image, indicating a. Secondly the 
40
41 Equation \eqref{dft} actually gives the Fourier coefficients of the infinite periodic extension of $f(x, y)$. If $f(x, y)$ is not periodic, then applying \eqref{dft} introduces extra high frequency components due to sharp discontinuities at the boundaries. (I think this is why FFTs show the perpendicular lines running through the centre... you can apply windows to reduce this effect, but since this is qualitative I haven't bothered).
42  
43 \pagebreak
44 \begin{center}
45         \includegraphics[scale=0.35]{figures/sem/Au_BLACK_82pix_200nm_fft_abs.png} 
46         \captionof{figure}{Amplitude density plot of DFT for Au-Black SEM image}
47         %\captionof[figure]{Amplitude density plot of DFT for Au-Black}
48 \end{center}
49 \begin{center}
50         \includegraphics[scale=0.35]{figures/sem/Au_BRIGHT_42pix_100nm_fft_abs.png}     
51         \captionof{figure}{Amplitude density plot of DFT for Au-Bright SEM image}
52 \end{center}
53
54
55 %\begin{center}
56 %       \includegraphics[scale=0.35]{fourier/Au_BLACK_82pix_200nm_fft_phase.png} 
57 %       \captionof{figure}{Phase density plot of DFT for Au-Black}
58 %\end{center}
59 %\begin{center}
60 %       \includegraphics[scale=0.35]{fourier/Au_BRIGHT_42pix_100nm_fft_phase.png}       
61 %       \captionof{figure}{Phase density plot of DFT for Au-Bright}
62 %\end{center}
63 %\pagebreak
64
65 \subsection{Higher Magnification Images of Au-Black}
66
67 \begin{figure}[H]
68         \centering
69         \includegraphics[width=0.6\textwidth]{figures/sem/Au_BLACK_increasing_magnifications.jpg}
70         \caption{Increasing magnification images of Au-Black}
71         \label{Au_BLACK_increasing_magnifications.jpg}
72 \end{figure}
73
74 \section{Atomic Force Microscopy of Au}
75
76 One of the Au-Bright samples sent to CMCA was imaged using Atomic Force Microscopy.
77
78 \begin{figure}[H]
79         \centering
80         \includegraphics[width=0.6\textwidth]{figures/afm/Au_BRIGHT_amplitude.png}
81         \caption{AFM amplitude image of Au-Bright}
82         \label{afm/Au_BRIGHT_AFM.tif}
83 \end{figure}
84
85 \pagebreak
86
87 \section{Total Current Spectropy}
88
89
90
91 \subsection{Effect of Focusing of the Electron Gun on the TCS}
92
93 {\bf Note: Maybe this should be put into the appendix ``Electron Optics''}
94
95 The goal of electron optics applied to TCS is to minimise the effective energy distribution $f(E - E_1)$ of primary electrons at the surface. $f(E - E_1)$ is limited by the emission properties of the cathode, but significantly affected by the focus of the electron gun. 
96
97 The angular distribution of electrons incident on the sample can be related to $f(E - E_1)$ by treating each electron arriving at angle $\theta$ to the surface as having an effective energy $E_{eff} = E \cos^2 (\theta)$. The width of this angular distribution determines the width of $f(E - E_1)$, whilst the centre determines the value of $U$ for which the measured TCS elastic peak occurs.
98
99 It is also important to ensure that the primary electron beam only strikes the sample of interest (and not the sample holder).
100
101 \emph{TODO: Choose which plots to include; Can get a range of similar effects from adjustment of each electrode potential; I have reproduced all the plots here for now}.
102
103 Figure \ref{focus_accel_tcs.eps} - Adjusting the accelerating potential
104 \begin{figure}[H]
105         \centering
106         \includegraphics[width=0.6\textwidth, angle=270]{figures/tcs/plots/focus_accel_tcs.eps}
107         \caption{Comparison of TCS curves due to different sets of electron gun potentials; same sample (Au on Si).}
108         \label{focus_accel_tcs.eps}
109 \end{figure}
110
111
112 \begin{figure}[H]
113         \centering
114         \includegraphics[width=0.6\textwidth, angle=270]{figures/tcs/plots/focus_central_tcs.eps}
115         \caption{Comparison of TCS curves due to different sets of electron gun potentials; same sample (Au on Si).}
116         \label{focus_central_tcs.eps}
117 \end{figure}
118 \begin{figure}[H]
119         \centering
120         \includegraphics[width=0.6\textwidth, angle=270]{figures/tcs/plots/focus_deflection_tcs.eps}
121         \caption{Comparison of TCS curves due to different sets of electron gun potentials; same sample (Au on Si).}
122         \label{focus_deflection_tcs.eps}
123 \end{figure}
124 \begin{figure}[H]
125         \centering
126         \includegraphics[width=0.6\textwidth, angle=270]{figures/tcs/plots/focus_wenhault_tcs.eps}
127         \caption{Comparison of TCS curves due to different sets of electron gun potentials; same sample (Au on Si).}
128         \label{focus_wenhault_tcs.eps}
129 \end{figure}
130
131
132
133
134 \subsection{Effect of Evaporation of Ag onto an Si substrate}
135
136 \emph{Note to Sergey: I know you said not to do any more experiments, but I did these on Tuesday night because I wanted to compare curves taken under as similar conditions as possible (most previous results were obtained over several days at the least). I used Ag because I was running low on Au.}
137
138 Figures \ref{agsiI_tcs.eps} and \ref{agsiII_tcs.eps} show the processed TCS curves for layers of Ag, followed by Ag-Black, evaporated on Si substrates. For comparison, the sample holder (stainless steel) TCS is also shown.
139
140
141 The electron gun was focused on the sample shown in \ref{agsiI_tcs.eps}. The sample shown in \ref{agsiII_tcs.eps} was placed in a second sample holder on the opposite side of a rotation manipulator; the gun was not refocused on this sample.
142
143
144 \emph{TODO: Explain curves!}
145 \begin{enumerate}
146         \item Contact potential decreases in going from Si to Ag on Si
147         \item BlackAg appears to have a higher elastic peak
148         \item The gun electrodes are the same, but the two sets of curves are clearly different; due to dodgy sample holder; best not mention
149                 (Only present one of these graphs?)
150         \item Can see that beam is not hitting the sample holder (best seen in the second plot), because the elastic peak of the sample holder is clearly not visible in the TCS of the Si substrate.
151         \item Positive TCS - Indicates more inelastic interaction mechanisms are possible (threshold energy reached)
152         \item Negative TCS - Indicates fewer inelastic interaction mechanisms. ???
153         \item Why does TCS change very smoothly? Is the convolution of primary and secondary maxima sufficient to explain this?
154         \begin{itemize}
155                 \item I can fit for the location and size of gaussian peaks if required.
156         \end{itemize}
157         \item TCS of BlackAg appears very similar, but shifted, for the two trials
158 \end{enumerate}
159
160 \emph{Note: I also have plots of I(E) curves}
161
162 \begin{figure}[H]
163         \centering
164         \includegraphics[width=0.6\textwidth, angle=270]{figures/tcs/plots/blackagI_agsiI_siI_holderI_tcs.eps}
165         \caption{Successive TCS curves for a BlackAg evaporated on Ag on a Si substrate.}
166         \label{agsiI_tcs.eps}
167 \end{figure}
168
169 \begin{figure}[H]
170         \centering
171         \includegraphics[width=0.6\textwidth, angle=270]{figures/tcs/plots/blackagII_agsiII_siII_holderII_tcs.eps}
172         \caption{The above TCS comparison repeated for a second sample \\(NB: Ag evaporation time is half that of the first sample; layer is still visible by eye)}
173         \label{agsiII_tcs.eps}
174 \end{figure}
175
176 \subsection{Effect of Evaporation of Au on Si}
177
178 Figure \ref{increased_au_thickness_tcs.eps} shows the comparison between TCS obtained from a thin layer of Au on Si and a thicker layer of Au.
179
180 \begin{figure}[H]
181         \centering
182         \includegraphics[width=0.6\textwidth, angle=270]{figures/tcs/plots/increased_au_thickness_tcs.eps}
183         \label{increased_au_thickness_tcs.eps}
184 \end{figure}
185
186 Figure \ref{blackau_on_au_on_si_tcs.eps} shows the effect of evaporating Black-Au on a thick layer of Au on Si.
187 \begin{figure}[H]
188         \centering
189         \includegraphics[width=0.6\textwidth, angle=270]{figures/tcs/plots/blackau_on_au_on_si_tcs.eps}
190         \label{blackau_on_au_on_si_tcs.eps}
191 \end{figure}
192 Disagrees with the BlackAg on Ag on Si... I am really confused.
193
194 \pagebreak
195
196 \section{Variable Angle Spectroscopy Ellipsometry}
197
198 \subsection{Ag-Bright on Si substrate}
199
200
201 \begin{figure}[H]
202         \centering
203         \includegraphics[width=0.8\textwidth, angle=0]{figures/ellipsometer/ag_on_si/psi_final_model.png}
204         \label{psi_final_model.png}
205 \end{figure}
206
207 \begin{figure}[H]
208         \centering
209         \includegraphics[width=0.8\textwidth, angle=0]{figures/ellipsometer/ag_on_si/delta_final_model.png}
210         \label{delta_final_model.png}
211 \end{figure}
212
213 \begin{figure}[H]
214         \centering
215         \includegraphics[width=0.8\textwidth, angle=0]{figures/ellipsometer/ag_on_si/ag_fit_vs_bulk_opticalconstants.png}
216         \label{ag_fit_vs_bulk_opticalconstants.png}
217 \end{figure}
218
219 The plots show the measured and fitted ellipsometric parameters for a thin film of Ag on a Si substrate. The model was constructed to include an $\text{SiO}^2$ oxide layer on the Si, and a surface roughness Effective Medium Approximation (EMA) (Bruggeman). A fit was first performed for the thickness of the Ag film assuming bulk optical constants; this fit was then improved by allowing the software to adjust the Ag film's optical constants. Final model:
220
221 \begin{center}
222         \begin{tabular}{lll}
223                 {\bf Layer} & {\bf Thickness} \\
224                 Ag (fit for $n$ and $k$) & $16.092 \pm 2.7$ nm \\
225                 Intermix (Ag/$\text{SiO}^2$) & $0.267 \pm 0.03$ nm \\
226                 $\text{SiO}^2$ & $4.02 \pm 0.57$ nm \\
227                 Si & (substrate)
228         \end{tabular}
229         \captionof{table}{Model for thin Ag on Si}
230 \end{center}
231
232 \subsection{Black Ag on Si}
233
234
235
236 \begin{figure}[H]
237         \centering
238         \includegraphics[width=0.8\textwidth, angle=0]{figures/ellipsometer/blackag_on_si/psi.png}
239         \label{psi_final_model.png}
240 \end{figure}
241
242 \begin{figure}[H]
243         \centering
244         \includegraphics[width=0.8\textwidth, angle=0]{figures/ellipsometer/blackag_on_si/delta.png}
245         \label{delta_final_model.png}
246 \end{figure}
247
248 \begin{figure}[H]
249         \centering
250         \includegraphics[width=0.8\textwidth, angle=0]{figures/ellipsometer/blackag_on_si/blackag_opticalconstants_comparison.png}
251         \label{ag_fit_vs_bulk_opticalconstants.png}
252 \end{figure}
253
254 \begin{center}
255         \begin{tabular}{lll}
256                 {\bf Layer} & {\bf Thickness} \\
257                 Surface roughness EMA (75.8\% void) & 2.708 nm \\
258                 Black Ag (fit for $n$ and $k$) & 3.726 nm \\
259                 $\text{SiO}^2$ & 8.00 nm \\
260                 Si & (substrate)
261         \end{tabular}
262         \captionof{table}{Model for thin Ag on Si}
263 \end{center}
264
265 \pagebreak
266
267 \section{Optical Reflection Spectroscopy using the VASE}
268
269 \subsection{Au on Si}
270
271 \begin{figure}[H]
272         \centering
273         \includegraphics[width=0.8\textwidth]{figures/ellipsometer/au_and_blackau/au_on_si.png}
274         \caption{figure}{Reflection measurements for Au layers on Si}
275 \end{figure}
276
277
278 \subsection{Au on Au-Black on Au on Si}
279 \begin{figure}[H]
280         \centering
281         \includegraphics[width=0.8\textwidth]{figures/ellipsometer/au_and_blackau/au_on_blackau_si.png}
282         \caption{figure}{Reflection measurements for an Au layer on Au-Black on Au layers on Si}
283 \end{figure}
284
285 \subsection{Comparison with model of 50nm Au on Si}
286
287 \begin{figure}[H]
288         \centering
289         \includegraphics[width=0.8\textwidth]{figures/ellipsometer/au_and_blackau/generated_au_on_si_reflection.png}
290         \caption{Generated 50nm on Si}
291 \end{figure}
292
293 \pagebreak
294
295 \section{Optical Transmission Spectroscopy using OceanOptics Spectrometer}
296
297 \subsection{Dark Spectrum}
298
299 {\bf NOTE: Probably won't include in the final thesis}
300
301 Figure \ref{dark_comparison.eps} shows the spectrum of the background (taken at different times on the same day), without the light source.
302 The room lights were off, the experiment was covered with a cardboard box and layers of black plastic sheeting; but the spectra still changed for different times of the day. 
303
304 \begin{figure}[H]
305         \centering
306         \includegraphics[width=0.5\textwidth, angle=270]{/home/sam/Documents/University/honours/thesis/figures/transmission_spectroscopy/dark_comparison.eps}
307         \caption{Dark spectra}
308         \label{dark_comparison.eps}
309 \end{figure}
310
311 In all subsequent experiments, the dark intensity has been subtracted from measured intensity counts:
312 \begin{align*}
313         I(\lambda) = I_{\text{measured}}(\lambda) - I_{\text{dark}}(\lambda)
314 \end{align*}
315
316 \pagebreak
317 \subsection{Reference Spectrum}
318
319 {\bf Note: Also don't include in final thesis? Or at least, remove the time dependence; just show one curve.}
320
321 The Ellipsometer's Xe Arc Lamp was used as a light source. It's spectrum $I_0(\lambda)$ is shown in Figure \ref{reference.eps}
322
323 \begin{figure}[H]
324         \centering
325         \includegraphics[width=0.5\textwidth, angle=270]{/home/sam/Documents/University/honours/thesis/figures/transmission_spectroscopy/reference.eps}
326         \caption{Xe Lamp reference spectra}
327         \label{reference.eps}
328 \end{figure}
329
330 Because the dark spectra changed over time scales comparable to the length of measurement, some features in the processed spectra are due to the reference spectra of the Xe lamp.
331
332 \pagebreak
333 \subsection{Testing the Spectrometer}
334
335 {\bf Note: Also don't include?}
336
337 The spectrometer was tested using a 653nm filter. \ref{653nm_filter.eps}
338
339 \begin{figure}[H]
340         \centering
341         \includegraphics[width=0.5\textwidth, angle=270]{/home/sam/Documents/University/honours/thesis/figures/transmission_spectroscopy/653nm_filter.eps}
342         \caption{Tested Spectrometer with 653nm Filter}
343         \label{653nm_filter.eps}
344 \end{figure}
345
346 The transmission was calculated as:
347 \begin{align}
348         t(\lambda) &= \frac{I(\lambda)}{I_0{\lambda}}  \label{transmission1}
349 \end{align}
350 Where $I_0(\lambda)$ was the intensity (arbitrary units) of the Xe Arc Lamp at wavelength $\lambda$, and $I(\lambda)$ was the measured intensity.
351
352 \subsection{Transmission Spectra of Glass}
353
354 {\bf Note: Should probably include this, as the substrate is important to the final transmission}
355
356 All films were prepared on microscope glass; the transmission of the glass must be known to determine the transmission of the films.
357
358 \begin{figure}[H]
359         \centering
360         \includegraphics[width=0.5\textwidth, angle=270]{/home/sam/Documents/University/honours/thesis/figures/transmission_spectroscopy/glass_transmission.eps}
361         \caption{Glass reference transmission spectrum}
362         \label{glass_transmission.eps}
363 \end{figure}
364
365 {\bf NOTE:} The reason that the glass has transmission $> 1$ is (probably) because the background level has increased between the reference measurement and the measurement of glass. I should probably normalise the glass transmission spectrum to its maximum value.
366
367 Transmission was calculated using \eqref{transmission1}.
368
369 \subsection{Transmission Spectra of Au and Au-Black on Glass}
370
371 Figure \ref{blackau_vs_au.eps} shows all measured transmission spectra for Au vs Au-Black (pressure 1e-6 is for the Au-bright films, all others are Au-Black) {\bf NOTE: Need to relabel plot}
372
373 \begin{figure}[H]
374         \centering
375         \includegraphics[width=0.7\textwidth, angle=270]{/home/sam/Documents/University/honours/thesis/figures/transmission_spectroscopy/blackau_vs_au.eps}
376         \caption{Transmission Spectra for various Au films}
377         \label{blackau_vs_au.eps}
378 \end{figure}
379
380 Transmission is calculated as:
381 \begin{align*}
382         t &= \frac{I(\lambda)}{I_0(\lambda)} \times \frac{I_\text{glass}(\lambda)}{I_0(\lambda)}
383 \end{align*}
384 Where $t_{\text{glass}} = \frac{I_\text{glass}}{I_0}$ is the transmission spectrum of the microscope slide glass.
385
386 {\bf Note: I should select just 2 or 3 of these spectra to use in the final report}
387
388 The general trends:
389 \begin{enumerate}
390         \item Thin films (low current or short evaporation time) show similar shape regardless of pressure (1e-6 or 1e-2 mbar)
391         \item Thicker layers all show peak near 500nm, followed by minima at 600-700nm
392         \item All curves show fine structure at same wavelengths above 800nm. This may be due to the Xe lamp spectrum; if the background level has increased, then Xe lamp spectral features will show up in the final spectrum.
393         \item Thick layers of Au-Black show much lower transmission to 700nm, but a much faster increase at longer $\lambda$
394         \item At least one of the Au-Black samples shows a similar spectrum to a (thick) Au-Bright sample.
395 \end{enumerate}
396
397 \subsubsection{Effect of Atmosphere on Transmission Spectra of Au-Black}
398
399 A paper \cite{} has found differences between Au-Black prepared in Air or an inert gas. The Au-Black prepared in Air contains traces of Tungsten Oxides; the Au-Black prepared in an inert gas does not. This was the motivation for making a comparison between samples prepared in Air and He.
400
401 \begin{figure}[H]
402         \centering
403         \includegraphics[width=0.7\textwidth, angle=270]{/home/sam/Documents/University/honours/thesis/figures/transmission_spectroscopy/he_blackau_vs_air_blackau.eps}
404         \caption{Transmission Spectra for Black Au films prepared in different atmospheres}
405         \label{he_blackau_vs_air_blackau.eps}
406 \end{figure}
407
408 \subsection{Transmission Spectra of Ag}
409
410 A pre-existing Ag sample (unknown preparation conditions), on glass.
411
412 \begin{figure}[H]
413         \centering
414         \includegraphics[width=0.7\textwidth, angle=270]{/home/sam/Documents/University/honours/thesis/figures/transmission_spectroscopy/silver_transmission.eps}
415         \caption{Transmission Spectra for a Silver film on glass}
416         \label{silver_transmission.eps}
417 \end{figure}
418
419
420 \subsection{Transmission Spectra of Ag and Ag-Black on Glass}
421
422 The Ag sample compared with Ag-Black.
423 Notice fine structure not in original Ag sample. Probably due to dark spectrum changing.
424
425 A pre-existing Ag sample (unknown preparation conditions), on glass.
426
427 \begin{figure}[H]
428         \centering
429         \includegraphics[width=0.7\textwidth, angle=270]{/home/sam/Documents/University/honours/thesis/figures/transmission_spectroscopy/blackag_vs_ag.eps}
430         \caption{Transmission Spectra for a Silver film on glass}
431         \label{blackag_vs_ag.eps}
432 \end{figure}
433
434 {\bf Note:} The Ag-Black is much thinner than the Ag-Bright sample; by eye it appears to be a thin grey layer. Also, the Ag-Bright sample was not uniformly thick; part of the film had been scratched or wiped off.
435
436
437

UCC git Repository :: git.ucc.asn.au