thesis/plan.tex

   1 \documentclass[10pt]{article}
   2 \usepackage{graphicx}
   3 \usepackage{caption}
   4 \usepackage{amsmath} % needed for math align
   5 \usepackage{bm} % needed for maths bold face
   6  \usepackage{graphicx}    % needed for including graphics e.g. EPS, PS
   7 \usepackage{fancyhdr}   % needed for header
   8
   9 \usepackage{hyperref}
  10
  11  \topmargin -1.5cm        % read Lamport p.163
  12  \oddsidemargin -0.04cm   % read Lamport p.163
  13  \evensidemargin -0.04cm  % same as oddsidemargin but for left-hand pages
  14  \textwidth 16.59cm
  15  \textheight 21.94cm
  16  %\pagestyle{empty}       % Uncomment if don't want page numbers
  17  \parskip 7.2pt           % sets spacing between paragraphs
  18  %\renewcommand{\baselinestretch}{1.5}  % Uncomment for 1.5 spacing between lines
  19  \parindent 0pt           % sets leading space for paragraphs
  20
  21
  22 \newcommand{\vect}[1]{\boldsymbol{#1}} % Draw a vector
  23 \newcommand{\divg}[1]{\nabla \cdot #1} % divergence
  24 \newcommand{\curl}[1]{\nabla \times #1} % curl
  25 \newcommand{\grad}[1]{\nabla #1} %gradient
  26 \newcommand{\pd}[3][ ]{\frac{\partial^{#1} #2}{\partial #3^{#1}}} %partial derivative
  27 %\newcommand{\d}[3][ ]{\frac{d^{#1} #2}{d #3^{#1}}} %full derivative
  28 \newcommand{\phasor}[1]{\tilde{#1}} % make a phasor
  29 \newcommand{\laplacian}[1]{\nabla^2 {#1}} % The laplacian operator
  30
  31 \usepackage{color}
  32 \usepackage{listings}
  33
  34 \definecolor{darkgray}{rgb}{0.95,0.95,0.95}
  35 \definecolor{darkred}{rgb}{0.75,0,0}
  36 \definecolor{darkblue}{rgb}{0,0,0.75}
  37 \definecolor{pink}{rgb}{1,0.5,0.5}
  38 \lstset{language=Java}
  39 \lstset{backgroundcolor=\color{darkgray}}
  40 \lstset{numbers=left, numberstyle=\tiny, stepnumber=1, numbersep=5pt}
  41 \lstset{keywordstyle=\color{darkred}\bfseries}
  42 \lstset{commentstyle=\color{darkblue}}
  43 %\lstset{stringsyle=\color{red}}
  44 \lstset{showstringspaces=false}
  45 \lstset{basicstyle=\small}
  46
  47
  48 \begin{document}
  49
  50 \pagestyle{fancy}
  51 \fancyhead{}
  52 \fancyfoot{}
  53
  54 \fancyhead[LO, L]{}
  55 \fancyfoot[CO, C]{\thepage}
  56
  57 %\title{\bf Characterisation of nanostructured thin films}
  58 %\author{Sam Moore\\ School of Physics, University of Western Australia}
  59 %\date{April 2012}
  60 %\maketitle
  61
  62 \begin{center}
  63         B.Sc. (Hons) Physics Project \par
  64         {\bf \Large Thesis} \par
  65         Samuel Moore \\
  66         School of Physics, University of Western Australia \\
  67         April 2012
  68 \end{center}
  69 \section*{Characterisation of Nanostructured Thin Films}
  70 {\bf \emph{Keywords:}} surface plasmons, nanostructures, spectroscopy, metallic-blacks \\
  71 {\bf \emph{Supervisers:}} W/Prof. James Williams (UWA), Prof. Sergey Samarin (UWA) \\
  72
  73
  74 %\tableofcontents
  75
  76 \section*{Acknowledgements}
  77 \begin{itemize}
  78         \item Sergey Samarin
  79         \item Jim Williams
  80         \item Paul Guagliardo
  81         \item Nikita Kostylev
  82         \item Workshop (for producing electron gun mount?)
  83         \item Peter Hammond (?)
  84         \item JA Woolam (for providing replacement alignment detector pins)
  85         \item CMCA at UWA (for SEM images) (Is there a specific person I should thank?)
  86 \end{itemize}
  87
  88 \section{Introduction}
  89
  90 In this section I will give the overview of research done on metallic-black thin films, and explain the motivation for this project given the conclusions of past research.
  91
  92 \begin{itemize}
  93         \item {\bf Aim of Project}
  94         \begin{itemize}
  95                 \item The aim is to employ a range of techniques for characterisation of metallic thin films
  96                 \item In particular, metallic-black films vs ``shiny'' (``bright'' might sound better)
  97                 \item TODO: Find a result (plasmonic behaviour?) so that I can say I was aiming to find it
  98         \end{itemize}
  99         \item {\bf Motivation for Project}
 100         \begin{itemize}
 101                 \item Talk about the surface playing an increasingly important role as semiconductor devices become smaller
 102                 \item Although metallic-black films are well known, they are extremely complicated and difficult to characterise
 103                 \begin{itemize}
 104                         \item Fractal like structure, remarkable
 105                         \item Mechanism for formation is not well understood
 106                         (Probably due to metallic nanoparticles having insufficient energy to form a regular lattice, due to energy losses through collisions with the high pressure atmosphere... I need to find a reference for this)
 107                 \end{itemize}
 108                 \item Metallic-black films have had numerous applications as good absorbers of optical wavelengths
 109                 \begin{itemize}
 110                         \item High absorbsion coatings for radiometer vanes (Pfund)
 111                         \item Infra-red detectors; due to being almost transparent in the far infra-red
 112                         \item (Very recently; 2011), as scattering centres to increase the efficiency of thin film solar cells (Deep R Panjwani)
 113                         \emph{NOTE: This work was done in an honours thesis, although I believe the supervisor has also published a (much shorter) paper that I may reference if the honours thesis is not a good reference}
 114                 \end{itemize}
 115
 116                 \item
 117         \end{itemize}
 118         \item {\bf Past Research}
 119         \begin{itemize}
 120                 \item Pfund - First mentions, preparation, optical transmission, resistivity
 121                 \item Harris - Later work, extends Pfund's experiments, introduces theoretical discussion of structure
 122                 \item Some other authors repeat or extend Harris' work. Metallic-black in different atmospheres, etc.
 123                 \item Modern research - Tends towards ``artificially'' blackened films, which suppress light reflection through plasmonic effects.
 124                 \begin{itemize}
 125                         \item The goal is to develop films that exhibit similar effects to metallic-black films, but are simpler to describe theoretically. These films can then be used in applications requiring high absorbsion, as the original films
 126                 \end{itemize}
 127                 \item Can't find much research on plasmons in the ``naturally'' blackened films, except Panjwani
 128                 \emph{NOTE: Panjwani seems to have modelled the black films as semi-spherical nanoparticles, which in the light of other research (and the SEM images) may be inaccurate}
 129         \end{itemize}
 130
 131 \end{itemize}
 132
 133
 134 \section{Overview of Theory}
 135
 136 I will use this section to introduce general concepts of solid state physics. The Experimental Methods section will concentrate on the theory of each method, and how this relates to the overall theory.
 137
 138 \begin{itemize}
 139         \item {\bf What a nanostructured film is, how it differs from the bulk material}
 140         \begin{itemize}
 141                 \item The surface of a solid is the interface for physical/chemical interactions with it's surrounding environment
 142                 \item The physical and chemical properties of a material are largely determined by the electron spectra at the surface
 143                 \begin{itemize}
 144                         \item Electron spectra is determined by the lattice potential
 145                         \item Characterised by
 146                         \begin{enumerate}
 147                                 \item Band structure of energy states - due to periodic lattice potential
 148                                 \item Density of States
 149                         \end{enumerate}
 150                         \item Surface differs from bulk due to
 151                         \begin{enumerate}
 152                                 \item Termination of periodic lattice
 153                                 \item Adsorbed particles on surface (thin films)
 154                                 \item Relocation of lattice sites near the surface
 155                         \end{enumerate}
 156                         \item Band structure for Metal's vs Semi-conductors
 157                         \begin{enumerate}
 158                                 \item Metals:
 159                                 \item Semiconductors:
 160                         \end{enumerate}
 161                 \end{itemize}
 162
 163
 164         \end{itemize}
 165         \item {\bf Surface Plasmons}
 166         \begin{itemize}
 167                 \item A collective oscillation of the electron gas in a metal
 168                 \item Surface plasmons are confined to the surface region; 2 dimensional, differs from bulk plasmons
 169                 \begin{itemize}
 170                         \item In nanostructured materials, plasmons can be localised
 171                 \end{itemize}
 172                 \item Bohms and Ritchie
 173                 \item Past studies at CAMSP and UWA
 174                 \item May be caused due to excitations from
 175                 \begin{enumerate}
 176                         \item Electrons - refer to next section
 177                         \item Photons
 178                         \begin{itemize}
 179                                 \item Only light polarised in the plane of the surface can excite plasmons
 180                                 \item Need to provide an extra wavevector to ``match'' the momenta of the photon and plasmon
 181                                 \item Possibility for rough structure of metallic films to provide this wavevector
 182                                 \begin{itemize}
 183                                         \item Refer to papers on ``artificially'' blackened films
 184                                         \item Similar topic to Nikita's thesis; look at some of his references
 185                                 \end{itemize}
 186                         \end{itemize}
 187                 \end{enumerate}
 188         \end{itemize}
 189         \item {\bf Interactions between Electrons and Metallic Thin Films}
 190         \begin{enumerate}
 191                 \item Electron-Surface Interaction
 192                 \begin{itemize}
 193                         \item How an incoming electron interacts with the surface as a whole
 194                         \item Elastic reflection from potential barrier
 195                         \item Phonon vibrations of lattice (quasi-elastic - low energy losses)
 196                 \end{itemize}
 197                 \item Electron-Electron Interaction
 198                 \begin{itemize}
 199                         \item Inelastic scattering processes determined by interaction of primary electron with the electron gas
 200                         \item Low energy interactions (focus of low energy TCS)
 201                         \begin{itemize}
 202                                 \item Outer electron transitions between valence and conduction band (result of interaction between primary electron and an individual bound electron)
 203                                 \item Plasmon excitation (result of interaction between incoming electron and the electron gas as a whole)
 204                         \end{itemize}
 205                         \item Higher energy interactions (focus of other forms of 2nd Electron Spectroscopy)
 206                         \begin{itemize}
 207                                 \item Auger processes due to excitation of inner band electrons
 208                                 \item ``True'' secondary electrons; bound electrons given sufficient energy to leave the surface
 209                         \end{itemize}
 210                 \end{itemize}
 211                 \item General structure of secondary electron energy distribution (not investigated by TCS)
 212                 \item Mention that secondary electrons have an angular distribution (not investigated by TCS)
 213
 214         \end{enumerate}
 215 \end{itemize}
 216
 217 \section{Experimental Methods}
 218
 219 Here I will give overviews of each method used in the study, including:
 220
 221 \begin{enumerate}
 222         \item {\bf Scanning Electron Microscopy}
 223         \begin{itemize}
 224                 \item Not used directly by me, so I will be very brief
 225                 \item Very useful for understanding the structural differences between metallic-black and metallic-bright films
 226         \end{itemize}
 227
 228         \item {\bf Total Current Spectroscopy}
 229         \begin{itemize}
 230                 \item Experimental setup
 231                 \begin{itemize}
 232                         \item Refer to appendices for detailed description of control circuit and electron optics
 233                 \end{itemize}
 234                 \item Formation of the signal $S(E) = \der{I(E)}{E}$, and relation to theory of {\bf Interactions between Electrons and Metallic Thin Films}
 235
 236         \end{itemize}
 237         \item {\bf Ellipsometry}
 238         \begin{itemize}
 239                 \item Optical technique commonly used for characterising thin films
 240                 \begin{itemize}
 241                         \item Measures change in polarisation of light
 242                         \begin{enumerate}
 243                                 \item
 244                         \end{enumerate}
 245
 246                 \end{itemize}
 247
 248                 \item Sensitive to optical properties of materials; can be used to determine optical constants of a sample
 249                 \begin{itemize}
 250                         \item Can relate the Ellipsometric parameters $\psi$ and $\Delta$ to the optical constants ($n$ or $\epsilon$) of the
 251                 \end{itemize}
 252                 \item {\bf Variable Angle Spectroscopic Ellipsometry}
 253                 \begin{enumerate}
 254                         \item Aquires a large amount of data automatically over different $\lambda$ and $\theta$
 255                         \item Using fitting algorithms, can construct multi-layered model of the surface, and determine characteristics of each layer based on known information
 256                         \item Can be complemented by reflection and transmission spectroscopy, performed with the same instrument
 257                 \end{enumerate}
 258         \end{itemize}
 259
 260         \item {\bf Optical Spectroscopy}
 261         \begin{itemize}
 262                 \item Brief section, may not include if the other sections are sufficient
 263                 \item May combine with Ellipsometry section, since the Ellipsometer is used for these measurements
 264                 \begin{itemize}
 265                         \item The important concepts will already have been discussed in the Ellipsometry section
 266                         \item Also used OceanOptics spectrometer early in the year, but repeated the same measurements using the Ellipsometer
 267                         \item Will need to review results before deciding whether to include or not
 268                 \end{itemize}
 269         \end{itemize}
 270 \end{enumerate}
 271
 272 \section{Results and Discussion}
 273
 274 In this section I will discuss the results from each of the experimental methods described above, in order.
 275
 276 \begin{enumerate}
 277         \item {\bf SEM}
 278         \begin{itemize}
 279                 \item Images prepared by CMCA
 280                 \begin{itemize}
 281                         \item The secondary electron current is imaged. The secondary electron current due to an Si substrate alone is substracted.
 282                         \item This gives an idea of the spatial distribution of the density of Au deposited on the Si substrate
 283                         \item TODO: Learn exactly how they are related... can I assume intensity $\propto$ density?
 284                 \end{itemize}
 285                 \item Discuss the clear difference in structure
 286                 \begin{itemize}
 287                         \item Well defined regions (metallic nanoparticles) vs ``smoke'' like connected strands
 288                 \end{itemize}
 289                 \item Perform image fourier transforms
 290                 \begin{itemize}
 291                         \item Au-Bright shows a elliptical distribution of low frequencies; indicates a preferred orientation for the Au
 292                         \item Au-Black shows a wider, circular distribution of low frequencies, and significantly larger high frequencies
 293                         \item Phase plots appear random except for some sharp lines near the centre of the FFT image (not sure how to interpret yet)
 294                         \item Validity of the transforms?
 295                         \begin{itemize}
 296                                 \item Error is introduced due to discontinuities in the periodic extension of the image
 297                                 \item However, since the image is a region taken out of a periodically structured surface, these should be small
 298                                 \item No window has been applied
 299                         \end{itemize}
 300                         \item Relation of image fourier transforms to theory?
 301                         \begin{itemize}
 302                                 \item I would love to be able to do this, but may not have time to understand how to do it
 303                                 \item Can at least give a numerical approximation of fourier transform of density distribution of electron gas
 304                                 \item Surely this can be used somehow? Approximate the structure factor of system?
 305                                 \item Predict plasmonic behaviour?
 306                         \end{itemize}
 307                 \end{itemize}
 308         \end{itemize}
 309
 310         \item {\bf TCS}
 311         \begin{itemize}
 312                 \item {\bf TCS of Stainless Steel}
 313                 \begin{itemize}
 314                         \item Establishes the location of the primary electron peak for Stainless steel
 315                         \item Useful because it allowed me to tell when the electron gun was focused so that the beam struck both the sample holder and the sample of interest
 316                         \item Appears to change over time; will discuss this behaviour below in relation to Si
 317                 \end{itemize}
 318
 319                 \item {\bf TCS of Si substrate}
 320                 \begin{itemize}
 321                         \item Changing of TCS vs Time
 322                         \item I am pretty sure it is not due to a ``mistake'' in the electron gun circuit
 323                         \item Possibly due to adsorbsion of oxide layer on the surface
 324                         \item I can show that depositing a thin layer of Au has the effect of ``resetting'' the TCS, which then begins to evolve over time.
 325
 326                         \item I can also show that a sudden jump in $E$ causes $I$ to tend towards an assymptote
 327                         \begin{itemize}
 328                                 \item One reason why I changed to use $E$ steps of $0.4$V per second, instead of $2$ V per
 329                                 \item I probably won't discuss this in the thesis; maybe in an appendix
 330                         \end{itemize}
 331                 \end{itemize}
 332
 333                 \item {\bf TCS of Au}
 334                 \begin{itemize}
 335
 336                 \end{itemize}
 337
 338         \end{itemize}
 339
 340         \item {\bf Ellipsometry}
 341         \begin{itemize}
 342                 \item {\bf General Application to thin films}
 343                 \begin{itemize}
 344                         \item {\bf Jeremy's Sample - Permalloy}
 345                         \begin{itemize}
 346                                 \item Already have a good idea of the thicknesses
 347                                 \item Can construct a model which gives good agreement with these thicknesses
 348                                 \item Lorentz Oscillator model for the Permalloy
 349                                 \item NOTE: I need to repeat this modelling procedure with more care
 350                         \end{itemize}
 351
 352                         \item {\bf Mikhail's Sample}
 353                         \begin{itemize}
 354                                 \item White Ni compared to Normal Ni
 355                         \end{itemize}
 356                 \end{itemize}
 357
 358                 \item {\bf Metallic-Black Films}
 359                 \begin{itemize}
 360                         \item Difficult to measure Au-black directly
 361                         \item Measured Au on Au-black on Si
 362                         \begin{itemize}
 363
 364                         \end{itemize}
 365
 366                         \item Compare with Au-bright on Si
 367                 \end{itemize}
 368         \end{itemize}
 369
 370         \item {\bf Optical Spectroscopy}
 371         \begin{itemize}
 372                 \item Need to review data before deciding whether to include this section
 373                 \item Mostly conducted transmission spectroscopy experiments
 374                 \begin{itemize}
 375                         \item Transmission spectra of Au-Black agrees qualitatively with published spectra by Pfund and Harris
 376                         \begin{itemize}
 377                                 \item However, the range of my experiments is extremely small (visible wavelengths to short infra-red) compared to Harris (visible to extremely far infra-red)
 378                         \end{itemize}
 379                         \item Can show a difference between Au-Bright on Glass and Au-Black on Glass transmission spectra
 380                         \item Also have some transmission spectra of Ag, agree with expected Ag transmission spectra
 381                 \end{itemize}
 382         \end{itemize}
 383 \end{enumerate}
 384
 385 \section{Conclusion}
 386
 387 In this section, I will hopefully find something intelligent to say about my results
 388
 389 \section*{Appendices}
 390
 391 Mostly to do with the practical side of setting up the TCS experiment, and therefore (sadly) of little interest to the markers.
 392
 393 \begin{enumerate}
 394         \item The TCS experiment in more detail
 395         \begin{enumerate}
 396                 \item Electron Gun control circuit
 397                 \item Electron Optics - focusing the gun
 398                 \begin{itemize}
 399                         \item This is extremely important for optimising the resolution of TCS
 400                         \item Include results of 2D simulation, but for qualitative purposes only (not actually used to focus the real gun)
 401                 \end{itemize}
 402                 \item ADC/DAC Card for control of $E$ and measurement of $I(E)$ in TCS
 403         \end{enumerate}
 404
 405         \item Monitoring of the Vacuum Chamber pressure
 406         \begin{itemize}
 407                 \item This one will be short (I pointed a webcam at the pressure gauge, and wrote some software)
 408                 \item Include graphs of pressure over time
 409         \end{itemize}
 410
 411         \item Theory
 412         \begin{itemize}
 413                 \item I may use this to put more detailed theory if the {\bf Overview of Theory} section is too long
 414                 \item Then again, I may not have enough detailed theory to need this.
 415         \end{itemize}
 416
 417         \item Software
 418         \begin{itemize}
 419                 \item I will probably just make all software available on my website and link to it
 420                 \item The software is not really written with ``someone else may want to use this'' in mind
 421                 \item The software includes:
 422                 \begin{enumerate}
 423                         \item Atmel AVR Butterfly
 424                 \end{enumerate}
 425         \end{itemize}
 426
 427 \end{enumerate}
 428
 429 %\pagebreak
 430 %\bibliographystyle{unsrt}
 431 %\bibliography{thesis}
 432
 433 \end{document}
 434