1cf727c08cb58540e14392329b147f05f47ea95c
[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
13 \begin{tabular}{cc}
14         \includegraphics[scale=0.20]{figures/sem/Au_BLACK_200nm.png} & %\captionof{figure}{Au-Black SEM Image} \label{Au_BLACK_200nm.png} &
15         \includegraphics[scale=0.20]{figures/sem/Au_semi-shiny_1_SEM.png} %\captionof{figure}{Au SEM Image} \label{Au_semi-shiny_1_SEM.png}             
16         
17         \label{SEM_images}
18 \end{tabular}
19
20         \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.}
21
22 \end{center}
23
24 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{}.
25
26
27 \subsection*{Fourier Analysis of SEM Images}
28
29 Fourier Analysis of the above SEM images can be used to provide more quantitative information about the structural differences between the two films.
30
31 The two dimensional Discrete Fourier Transform is given by:
32 \begin{align}
33         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}
34 \end{align}
35
36 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{}.
37
38 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.
39
40 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 
41
42 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. The central 
43  
44 \pagebreak
45 \begin{center}
46         \includegraphics[scale=0.35]{figures/sem/Au_BLACK_82pix_200nm_fft_abs.png} 
47         \captionof{figure}{Amplitude density plot of DFT for Au-Black SEM image}
48         %\captionof[figure]{Amplitude density plot of DFT for Au-Black}
49 \end{center}
50 \begin{center}
51         \includegraphics[scale=0.35]{figures/sem/Au_BRIGHT_42pix_100nm_fft_abs.png}     
52         \captionof{figure}{Amplitude density plot of DFT for Au-Bright SEM image}
53 \end{center}
54
55
56 %\begin{center}
57 %       \includegraphics[scale=0.35]{fourier/Au_BLACK_82pix_200nm_fft_phase.png} 
58 %       \captionof{figure}{Phase density plot of DFT for Au-Black}
59 %\end{center}
60 %\begin{center}
61 %       \includegraphics[scale=0.35]{fourier/Au_BRIGHT_42pix_100nm_fft_phase.png}       
62 %       \captionof{figure}{Phase density plot of DFT for Au-Bright}
63 %\end{center}
64 %\pagebreak
65
66 \subsection{Higher Magnification Images of Au-Black}
67
68 \begin{figure}[H]
69         \centering
70         \includegraphics[width=0.6\textwidth]{figures/sem/Au_BLACK_increasing_magnifications.jpg}
71         \caption{Increasing magnification images of Au-Black}
72         \label{Au_BLACK_increasing_magnifications.jpg}
73 \end{figure}
74
75 \section{Atomic Force Microscopy of Au}
76
77 One of the Au-Bright samples sent to CMCA was imaged using Atomic Force Microscopy.
78
79 \begin{figure}[H]
80         \centering
81         \includegraphics[width=0.6\textwidth]{figures/afm/Au_BRIGHT_amplitude.png}
82         \caption{AFM amplitude image of Au-Bright}
83         \label{afm/Au_BRIGHT_AFM.tif}
84 \end{figure}
85
86 \pagebreak
87
88 \section{Total Current Spectropy}
89
90
91
92 \subsection{Effect of Focusing of the Electron Gun on the TCS}
93
94 {\bf Note: Maybe this should be put into the appendix ``Electron Optics''}
95
96 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. 
97
98 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.
99
100 It is also important to ensure that the primary electron beam only strikes the sample of interest (and not the sample holder).
101
102 \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}.
103
104 Figure \ref{focus_accel_tcs.eps} - Adjusting the accelerating potential
105 \begin{figure}[H]
106         \centering
107         \includegraphics[width=0.6\textwidth, angle=270]{figures/tcs/plots/focus_accel_tcs.eps}
108         \caption{Comparison of TCS curves due to different sets of electron gun potentials; same sample (Au on Si).}
109         \label{focus_accel_tcs.eps}
110 \end{figure}
111
112
113 \begin{figure}[H]
114         \centering
115         \includegraphics[width=0.6\textwidth, angle=270]{figures/tcs/plots/focus_central_tcs.eps}
116         \caption{Comparison of TCS curves due to different sets of electron gun potentials; same sample (Au on Si).}
117         \label{focus_central_tcs.eps}
118 \end{figure}
119 \begin{figure}[H]
120         \centering
121         \includegraphics[width=0.6\textwidth, angle=270]{figures/tcs/plots/focus_deflection_tcs.eps}
122         \caption{Comparison of TCS curves due to different sets of electron gun potentials; same sample (Au on Si).}
123         \label{focus_deflection_tcs.eps}
124 \end{figure}
125 \begin{figure}[H]
126         \centering
127         \includegraphics[width=0.6\textwidth, angle=270]{figures/tcs/plots/focus_wenhault_tcs.eps}
128         \caption{Comparison of TCS curves due to different sets of electron gun potentials; same sample (Au on Si).}
129         \label{focus_wenhault_tcs.eps}
130 \end{figure}
131
132
133
134
135 \subsection{Effect of Evaporation of Ag onto an Si substrate}
136
137 \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.}
138
139 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.
140
141
142 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.
143
144
145 \emph{TODO: Explain curves!}
146 \begin{enumerate}
147         \item Contact potential decreases in going from Si to Ag on Si
148         \item BlackAg appears to have a higher elastic peak
149         \item The gun electrodes are the same, but the two sets of curves are clearly different; due to dodgy sample holder; best not mention
150                 (Only present one of these graphs?)
151         \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.
152         \item Positive TCS - Indicates more inelastic interaction mechanisms are possible (threshold energy reached)
153         \item Negative TCS - Indicates fewer inelastic interaction mechanisms. ???
154         \item Why does TCS change very smoothly? Is the convolution of primary and secondary maxima sufficient to explain this?
155         \begin{itemize}
156                 \item I can fit for the location and size of gaussian peaks if required.
157         \end{itemize}
158         \item TCS of BlackAg appears very similar, but shifted, for the two trials
159 \end{enumerate}
160
161 \emph{Note: I also have plots of I(E) curves}
162
163 \begin{figure}[H]
164         \centering
165         \includegraphics[width=0.6\textwidth, angle=270]{figures/tcs/plots/blackagI_agsiI_siI_holderI_tcs.eps}
166         \caption{Successive TCS curves for a BlackAg evaporated on Ag on a Si substrate.}
167         \label{agsiI_tcs.eps}
168 \end{figure}
169
170 \begin{figure}[H]
171         \centering
172         \includegraphics[width=0.6\textwidth, angle=270]{figures/tcs/plots/blackagII_agsiII_siII_holderII_tcs.eps}
173         \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)}
174         \label{agsiII_tcs.eps}
175 \end{figure}
176
177 \subsection{Effect of Evaporation of Au on Si}
178
179 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.
180
181 \begin{figure}[H]
182         \centering
183         \includegraphics[width=0.6\textwidth, angle=270]{figures/tcs/plots/increased_au_thickness_tcs.eps}
184         \label{increased_au_thickness_tcs.eps}
185 \end{figure}
186
187 Figure \ref{blackau_on_au_on_si_tcs.eps} shows the effect of evaporating Black-Au on a thick layer of Au on Si.
188 \begin{figure}[H]
189         \centering
190         \includegraphics[width=0.6\textwidth, angle=270]{figures/tcs/plots/blackau_on_au_on_si_tcs.eps}
191         \label{blackau_on_au_on_si_tcs.eps}
192 \end{figure}
193 Disagrees with the BlackAg on Ag on Si... I am really confused.
194
195 \pagebreak
196
197 \section{Variable Angle Spectroscopy Ellipsometry}
198
199 \subsection{Ag-Bright on Si substrate}
200
201
202 \begin{figure}[H]
203         \centering
204         \includegraphics[width=0.8\textwidth, angle=0]{figures/ellipsometer/ag_on_si/psi_final_model.png}
205         \label{psi_final_model.png}
206 \end{figure}
207
208 \begin{figure}[H]
209         \centering
210         \includegraphics[width=0.8\textwidth, angle=0]{figures/ellipsometer/ag_on_si/delta_final_model.png}
211         \label{delta_final_model.png}
212 \end{figure}
213
214 \begin{figure}[H]
215         \centering
216         \includegraphics[width=0.8\textwidth, angle=0]{figures/ellipsometer/ag_on_si/ag_fit_vs_bulk_opticalconstants.png}
217         \label{ag_fit_vs_bulk_opticalconstants.png}
218 \end{figure}
219
220 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:
221
222 \begin{center}
223         \begin{tabular}{lll}
224                 {\bf Layer} & {\bf Thickness} \\
225                 Ag (fit for $n$ and $k$) & $16.092 \pm 2.7$ nm \\
226                 Intermix (Ag/$\text{SiO}^2$) & $0.267 \pm 0.03$ nm \\
227                 $\text{SiO}^2$ & $4.02 \pm 0.57$ nm \\
228                 Si & (substrate)
229         \end{tabular}
230         \captionof{table}{Model for thin Ag on Si}
231 \end{center}
232
233 \subsection{Black Ag on Si}
234
235
236
237 \begin{figure}[H]
238         \centering
239         \includegraphics[width=0.8\textwidth, angle=0]{figures/ellipsometer/blackag_on_si/psi.png}
240         \label{psi_final_model.png}
241 \end{figure}
242
243 \begin{figure}[H]
244         \centering
245         \includegraphics[width=0.8\textwidth, angle=0]{figures/ellipsometer/blackag_on_si/delta.png}
246         \label{delta_final_model.png}
247 \end{figure}
248
249 \begin{figure}[H]
250         \centering
251         \includegraphics[width=0.8\textwidth, angle=0]{figures/ellipsometer/blackag_on_si/blackag_opticalconstants_comparison.png}
252         \label{ag_fit_vs_bulk_opticalconstants.png}
253 \end{figure}
254
255 \begin{center}
256         \begin{tabular}{lll}
257                 {\bf Layer} & {\bf Thickness} \\
258                 Surface roughness EMA (75.8\% void) & 2.708 nm \\
259                 Black Ag (fit for $n$ and $k$) & 3.726 nm \\
260                 $\text{SiO}^2$ & 8.00 nm \\
261                 Si & (substrate)
262         \end{tabular}
263         \captionof{table}{Model for thin Ag on Si}
264 \end{center}
265
266 \pagebreak
267
268 \section{Optical Transmission and Reflection Measurements using the VASE}
269
270 \pagebreak
271
272 \section{Optical Transmission Spectroscopy using OceanOptics Spectrometer}
273
274 \subsection{Dark Spectrum}
275
276 {\bf NOTE: Probably won't include in the final thesis}
277
278 Figure \ref{dark_comparison.eps} shows the spectrum of the background (taken at different times on the same day), without the light source.
279 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. 
280
281 \begin{figure}[H]
282         \centering
283         \includegraphics[width=0.5\textwidth, angle=270]{/home/sam/Documents/University/honours/thesis/figures/transmission_spectroscopy/dark_comparison.eps}
284         \caption{Dark spectra}
285         \label{dark_comparison.eps}
286 \end{figure}
287
288 In all subsequent experiments, the dark intensity has been subtracted from measured intensity counts:
289 \begin{align*}
290         I(\lambda) = I_{\text{measured}}(\lambda) - I_{\text{dark}}(\lambda)
291 \end{align*}
292
293 \pagebreak
294 \subsection{Reference Spectrum}
295
296 {\bf Note: Also don't include in final thesis? Or at least, remove the time dependence; just show one curve.}
297
298 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}
299
300 \begin{figure}[H]
301         \centering
302         \includegraphics[width=0.5\textwidth, angle=270]{/home/sam/Documents/University/honours/thesis/figures/transmission_spectroscopy/reference.eps}
303         \caption{Xe Lamp reference spectra}
304         \label{reference.eps}
305 \end{figure}
306
307 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.
308
309 \pagebreak
310 \subsection{Testing the Spectrometer}
311
312 {\bf Note: Also don't include?}
313
314 The spectrometer was tested using a 653nm filter. \ref{653nm_filter.eps}
315
316 \begin{figure}[H]
317         \centering
318         \includegraphics[width=0.5\textwidth, angle=270]{/home/sam/Documents/University/honours/thesis/figures/transmission_spectroscopy/653nm_filter.eps}
319         \caption{Tested Spectrometer with 653nm Filter}
320         \label{653nm_filter.eps}
321 \end{figure}
322
323 The transmission was calculated as:
324 \begin{align}
325         t(\lambda) &= \frac{I(\lambda)}{I_0{\lambda}}  \label{transmission1}
326 \end{align}
327 Where $I_0(\lambda)$ was the intensity (arbitrary units) of the Xe Arc Lamp at wavelength $\lambda$, and $I(\lambda)$ was the measured intensity.
328
329 \subsection{Transmission Spectra of Glass}
330
331 {\bf Note: Should probably include this, as the substrate is important to the final transmission}
332
333 All films were prepared on microscope glass; the transmission of the glass must be known to determine the transmission of the films.
334
335 \begin{figure}[H]
336         \centering
337         \includegraphics[width=0.5\textwidth, angle=270]{/home/sam/Documents/University/honours/thesis/figures/transmission_spectroscopy/glass_transmission.eps}
338         \caption{Glass reference transmission spectrum}
339         \label{glass_transmission.eps}
340 \end{figure}
341
342 {\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.
343
344 Transmission was calculated using \eqref{transmission1}.
345
346 \subsection{Transmission Spectra of Au and Au-Black on Glass}
347
348 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}
349
350 \begin{figure}[H]
351         \centering
352         \includegraphics[width=0.7\textwidth, angle=270]{/home/sam/Documents/University/honours/thesis/figures/transmission_spectroscopy/blackau_vs_au.eps}
353         \caption{Transmission Spectra for various Au films}
354         \label{blackau_vs_au.eps}
355 \end{figure}
356
357 Transmission is calculated as:
358 \begin{align*}
359         t &= \frac{I(\lambda)}{I_0(\lambda)} \times \frac{I_\text{glass}(\lambda)}{I_0(\lambda)}
360 \end{align*}
361 Where $t_{\text{glass}} = \frac{I_\text{glass}}{I_0}$ is the transmission spectrum of the microscope slide glass.
362
363 {\bf Note: I should select just 2 or 3 of these spectra to use in the final report}
364
365 The general trends:
366 \begin{enumerate}
367         \item Thin films (low current or short evaporation time) show similar shape regardless of pressure (1e-6 or 1e-2 mbar)
368         \item Thicker layers all show peak near 500nm, followed by minima at 600-700nm
369         \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.
370         \item Thick layers of Au-Black show much lower transmission to 700nm, but a much faster increase at longer $\lambda$
371         \item At least one of the Au-Black samples shows a similar spectrum to a (thick) Au-Bright sample.
372 \end{enumerate}
373
374 \subsubsection{Effect of Atmosphere on Transmission Spectra of Au-Black}
375
376 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.
377
378 \begin{figure}[H]
379         \centering
380         \includegraphics[width=0.7\textwidth, angle=270]{/home/sam/Documents/University/honours/thesis/figures/transmission_spectroscopy/he_blackau_vs_air_blackau.eps}
381         \caption{Transmission Spectra for Black Au films prepared in different atmospheres}
382         \label{he_blackau_vs_air_blackau.eps}
383 \end{figure}
384
385 \subsection{Transmission Spectra of Ag}
386
387 A pre-existing Ag sample (unknown preparation conditions), on glass.
388
389 \begin{figure}[H]
390         \centering
391         \includegraphics[width=0.7\textwidth, angle=270]{/home/sam/Documents/University/honours/thesis/figures/transmission_spectroscopy/silver_transmission.eps}
392         \caption{Transmission Spectra for a Silver film on glass}
393         \label{silver_transmission.eps}
394 \end{figure}
395
396
397 \subsection{Transmission Spectra of Ag and Ag-Black on Glass}
398
399 The Ag sample compared with Ag-Black.
400 Notice fine structure not in original Ag sample. Probably due to dark spectrum changing.
401
402 A pre-existing Ag sample (unknown preparation conditions), on glass.
403
404 \begin{figure}[H]
405         \centering
406         \includegraphics[width=0.7\textwidth, angle=270]{/home/sam/Documents/University/honours/thesis/figures/transmission_spectroscopy/blackag_vs_ag.eps}
407         \caption{Transmission Spectra for a Silver film on glass}
408         \label{blackag_vs_ag.eps}
409 \end{figure}
410
411 {\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.
412
413
414

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