thesis/thesis.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{\der}[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 \end{itemize}
  85
  86 \section{Introduction}
  87 \begin{itemize}
  88         \item Waffle about motivation for the project
  89         \begin{itemize}
  90                 \item Metal-Black films may have application for ... something.
  91                 \begin{itemize}
  92                         \item Radiometer vanes, IR detectors
  93                         \item Number of applications where high absorbance into IR is required
  94                         \item These have all been studied before though.
  95                 \end{itemize}
  96                 \item The electron spectra of metal-blacks have not yet been examined.
  97                 \item Remarkable difference between Metal-Black films (bad vacuum) and normal metal films (UHV)
  98                 \begin{itemize}
  99                         \item No (detailed/satisfactory) explanation (that I can find...) for difference
 100                 \end{itemize}
 101                 \item Talk about plasmonic based computing? Moore's law? Applications to thin film solar cells?
 102
 103         \end{itemize}
 104         \item Specific aims of project
 105         \begin{enumerate}
 106                 \item Surface density of states / band structure of Black-Au films using TCS (The main aim)
 107                 \item Identification of plasmonic effects in Black-Au films (?) (If they even exist!)
 108                 \begin{itemize}
 109                         \item Identify plasmonic effects in Au and Ag films with Ellipsometry (this is fairly simple to do)
 110                 \end{itemize}
 111                 \item Combination of Ellipsometry and TCS to characterise thin films (not just Black-Au)
 112                 \begin{itemize}
 113                         \item Ie: How can one technique be used to support the other?
 114                 \end{itemize}
 115         \end{enumerate}
 116         \item Structure of thesis
 117 \end{itemize}
 118
 119 \section{Overview of Theory}
 120 Summarise the literature, refer to past research etc
 121
 122 \subsection{Electron Spectra of a Surface}
 123 \begin{itemize}
 124         \item Description of the near surface region
 125         \begin{itemize}
 126                 \item All real solids occupy finite volumes in space.
 127                 \item The surface of a solid is important because interactions between the solid and its surroundings occur in the near surface region.
 128                 \item Characterised physically by:
 129                 \begin{itemize}
 130                         \item Termination of periodic crystal lattice
 131                         \item Violation of geometric order
 132                         \item Distortion of interatomic distances and hence interaction forces
 133                         \item There is a transition ``near surface'' region between bulk and surface properties, roughly 5 atomic distances.
 134                 \end{itemize}
 135                 \item Potential seen by an electron at a surface can differ greatly from the bulk
 136                 \item $\implies$ the electron spectra of the near surface region differs from the bulk spectra
 137                 \item Simplest case: Step potential at surface.
 138
 139         \end{itemize}
 140
 141         \item The Electron Spectra
 142         \begin{itemize}
 143                 \item Electron Spectra describes the energy eigenstates for an electron in a Bulk or Surface potential
 144                 \item Characterised by
 145                 \begin{enumerate}
 146                         \item Energy dispersion $E(\vect{k})$
 147                         \begin{itemize}
 148                                 \item Dependence of Energy on electron wave vector
 149                                 \item Obtained theoretically by solving Scrhrodinger's Equation
 150                                 \item For a free electron gas, $E = \frac{\hbar^2 k^2}{2m}$
 151                                 \item Periodic potential in bulk solid leads to band gap structure of $E(\vect{k})$
 152                                 \item Periodic potential $\implies$ E is periodic. Only needs to be defined in first Brillouin zone.
 153                         \end{itemize}
 154                         \item Density of States $N(E)$
 155                         \begin{itemize}
 156                                 \item $N(E) = \frac{\Delta N}{\Delta E} = \frac{1}{4\pi^3}\int_S\left(\der{E}{k}\right)^{-1} dS$
 157                                 \item Integral is in momentum space over the isoenergetic surface of energy $E$
 158                                 \item For a free electron gas, $N(E) = $
 159                         \end{itemize}
 160                 \end{enumerate}
 161         \end{itemize}
 162
 163         \item Surface states
 164         \begin{itemize}
 165                         \item Simplest model: Step potential
 166                         \item Two major models
 167                 \begin{enumerate}
 168                         \item Tamm States: Periodic potential in solid, free space outside, jump at surface
 169                         \begin{itemize}
 170                                 \item Energy eigenvalues lie in the forbidden band of the bulk spectra
 171                                 \item Attenuation of eigenvalues from surface to vacuum, oscillation of state within surface
 172                                 \item Max electron density occurs on the crystal surface
 173                         \end{itemize}
 174                         \item Shockley states: Potential of surface and bulk cells equal
 175                         \begin{itemize}
 176                                 \item Corresond to free valences (dangling bonds) at the surface
 177                         \end{itemize}
 178                 \end{enumerate}
 179                 \item Tamm and Shockley states arise from two extreme models (large change and small change respectively between bulk and surface). In reality, a combination of Tamm and Shockley states appear.
 180                 \item These states arise from termination of the lattice; but the surface cells are assumed undistorted
 181                 \item In reality surface cells are distorted by relaxation and reconstruction of the surface
 182         \end{itemize}
 183
 184         \item Main reference: Komolov "Total Current Spectroscopy"
 185         \item "Solid State Physics" textbooks and "Electron Spectroscopy" textbooks
 186 \end{itemize}
 187
 188 \subsection{Plasmonics}
 189 I really think I should actually find plasmonic effects before writing too much about them...
 190 \begin{itemize}
 191         \item Charge density oscillations
 192         \item Surface and bulk plasmons
 193         \item Pines and Bohm
 194         \item Review article from T.W.H Oates et al about using Ellipsometry to characterise plasmonic effects
 195 \end{itemize}
 196
 197 \subsection{Metallic-Black Thin Films}
 198 \begin{itemize}
 199         \item How they are made (bad vacuum, in air or a noble gas)
 200         \begin{itemize}
 201                 \item If made in air, there are usually tungsten oxides present (from filament). Refer to paper by Pfund.
 202         \end{itemize}
 203         \item Structural difference between Black-Au and ``Shiny'' (need a better term) Au
 204         \begin{itemize}
 205                 \item Can include electron microscopy images?
 206                 \item An actual photograph of a Black-Au film? Not necessary?
 207         \end{itemize}
 208         \item Pfund (earliest publisher, preparation and general properties)
 209         \item Louis Harris (most research in 50s and 60s)
 210         \begin{itemize}
 211                 \item L. Harris mostly did transmission spectroscopy in the far infra red (well beyond the ellipsometer and Ocean Optics spectrometer ranges)
 212                 \item The really crappy measurements I did with the Ocean Optics spectrometer seem to agree with these measurements
 213                 \begin{itemize}
 214                         \item L. Harris' $\lambda$ has a range of 1nm to $100\mu$m; my measurements are only to $1\mu$m
 215                         \item Agreement in first $1\mu$m anyway
 216                         \item I should probably re-do those measurements with a less crappy setup, if I actually want to use them
 217                 \end{itemize}
 218                 \item Harris related the optical properties to the structure of the film (condensor strands) via the electronic properties
 219         \end{itemize}
 220         \item Plasmonic effects - Deep R. Panjwani (honours thesis)
 221         \begin{itemize}
 222                 \item Not sure if I can use an honours thesis as a reference.
 223                 \item Concluded that surface plasmon resonance in Black-Au film on solar cells lead to increase in solar cell efficiency
 224                 \item Used simulation that modelled Black-Au film as spherical balls to show E field increased by plasmon resonance
 225                 \begin{itemize}
 226                         \item Was this model appropriate? Black-Au is more ``smoke'' or ``strand'' like according to other references. Images also do not show ``blob'' like structure.
 227                 \end{itemize}
 228                 \item Need to read this reference more thoroughly
 229         \end{itemize}
 230 \end{itemize}
 231
 232 \section{Experimental Techniques}
 233
 234 \subsection{Preparation of samples}
 235 \begin{itemize}
 236         \item Black-Au - 1e-2 mbar vacuum
 237         \item ``Shiny'' - 1e-6 / 1e-7
 238         \item Current of ~3.5A through W wire filament spot welded onto Ta strips in turn spot welded to Mo posts
 239         \item Voltage through filament is ~1 V; quote the power?
 240         \item Filament isotropically coats sample with desired material.
 241         \item Possibly get a curve of Au thickness estimated with Ellipsometry vs exposure time?
 242         \begin{itemize}
 243                 \item Probably too much work and too unreliable
 244                 \item Maybe do it, but only use 2/3 data points
 245                 \item Low priority
 246         \end{itemize}
 247 \end{itemize}
 248
 249 \subsection{Total Current Spectroscopy}
 250 \begin{itemize}
 251         \item
 252         \item Total Current Spectroscopy methods measure the total current of secondary electrons as a function of primary electron energy.
 253         \item These methods are distinguished from ``differential'' methods (such as Auger electron spectroscopy and energy loss spectroscopy) which measure the secondary electron spectrum at a fixed primary electron energy.
 254         \item
 255         \begin{itemize}
 256                 \item Low energy beam of electrons incident on sample
 257                 \item Measure slope of resulting I-V curve
 258                 \item Relate to density of states and electron band structure (Komolov chapter 3.2)
 259         \end{itemize}
 260         \item Description of apparatus
 261         \begin{itemize}
 262                 \item Electron gun and filament
 263                 \item Electron gun control box
 264                 \item ADC/DAC control box and data processing
 265         \end{itemize}
 266         \item Photographs vs Diagrams
 267         \begin{itemize}
 268                 \item Prefer diagrams to photographs
 269                 \item Especially for the ADC/DAC control box circuit. Because it looks like a horrible mess.
 270         \end{itemize}
 271 \end{itemize}
 272
 273 \subsection{Ellipsometry and Transmission Spectroscopy}
 274 \begin{itemize}
 275         \item Overview of techniques
 276         \item Description of apparatus (use VASE manual)
 277         \item Ocean Optics spectrometer? Usable?
 278         \item Application of Ellipsometry to finding plasmonic effects
 279         \begin{itemize}
 280                 \item Surface plasmons = E oscillation parallel to surface $\implies$ only $p$ component of light excites plasmons
 281         \end{itemize}
 282 \end{itemize}
 283
 284 \section{Experimental Results and Discussion}
 285 \subsection{TCS Measurements}
 286 \begin{itemize}
 287         \item TCS for Si
 288         \item TCS for Si + Au
 289         \item TCS for Si + Black-Au
 290         \item Affect of preparation pressure on TCS for Si + Black-Au
 291         \item Repeat for Si + Ag and Si + Black-Ag (?)
 292 \end{itemize}
 293
 294 \subsection{Ellipsometric Measurements}
 295 \begin{itemize}
 296         \item Ellipsometry to estimate thickness of SiO2 layer on Si
 297         \item Estimate thickness of Au/Ag on Si+SiO2
 298         \item Ellipsometric measurements of Si+Black-Au/Ag
 299         \begin{itemize}
 300                 \item Modelling procedures to characterise Black-Au/Ag
 301         \end{itemize}
 302         \item Ellipsometric measurements of Glass+Black-Au/Ag (?)
 303         \item Transmission spectra of Glass+Black-Au/Ag from earlier in year (?)
 304 \end{itemize}
 305
 306 \section{Achievements}
 307 \begin{itemize}
 308         \item Deposition of thin films of Au and Black-Au in vacuum chamber
 309         \item Ellipsometric and spectroscopic measurements on these films
 310         \item Repurpose vacuum chamber for sample preparation and TCS experiments
 311         \item Designed and built electronics for TCS experiments
 312         \begin{itemize}
 313                 \item Electron gun control box
 314                 \item ADC/DAC box
 315         \end{itemize}
 316         \item Wrote software for data aquisition and data processing
 317 \end{itemize}
 318
 319 \section{General notes}
 320 \subsection{TCS}
 321 \begin{itemize}
 322         \item Optimise setup of gun
 323         \begin{itemize}
 324                 \item Emission current. How much does it vary, why does it vary.
 325                 \item Why does Is/Ie curve shift with successive sweeps? Does sweep modify sample's surface?
 326                 \item Is sample holder acceptable? Are ceramic washers accumulating charge?
 327                 \item How do I tell when the setup is optimised...
 328                 ``The setup was optimised by looking for an S curve''. Very scientific.
 329                 \item The gun was focused on the phosphor screen... and then I turned it around, changing the distance from the gun to the sample. Brilliant.
 330         \end{itemize}
 331         \item Obtain TCS spectra for Si that compares well with literature
 332         \begin{itemize}
 333                 \item How to relate TCS spectrum to $n(E)$ and $E(\vect{k})$
 334         \end{itemize}
 335         \item Prepare Au films, obtain TCS spectra that compares with literature
 336         \item Obtain TCS spectra of Black-Au films
 337         \item Use results to compare properties of films with results from other methods in the literature
 338         \item Uncertainties
 339         \begin{itemize}
 340                 \item Oscilloscope measurements of inputs to ADC channels under controlled conditions
 341                 \begin{itemize}
 342                         \item Expected values are +/-3mV due to ADC channel, +/-300mV due to 610B, +/-1mV due to 602
 343                         \item 610B and 602 will probably be worse because they are ancient
 344                         \item There is about 200mV of noise between the GND of the ADC box and the electron control box.
 345                         \item How to reduce ground loops? Not much I can do. Rack is now also grounded to water pipe, but this doesn't seem to make a difference.
 346                 \end{itemize}
 347                 \item Stupid 50Hz AC noise... how to reduce with filters and/or averaging
 348         \end{itemize}
 349         \item Create circuit diagrams for Electron gun circuit
 350         \item Create circuit diagrams for ADC/DAC box
 351         \begin{itemize}
 352                 \item Simulate behaviour of circuit
 353                 \item Use of instrumentation amplifier on ADC5 to make off-ground measurements
 354                 \item Use of low pass filter on ADC5
 355         \end{itemize}
 356         \item Include references to all datasheets, etc
 357         \item Vacuum chamber
 358         \begin{itemize}
 359                 \item Base pressure with rotary pump? Was 1e-3 after 30 minutes at start of year, but probably introduced leaks since then
 360                 \item Lowest pressure achieved with turbo pump is 1.1e-7 mbar as of 25/07.
 361                 \item Viton gaskets on some seals. Copper on other.
 362                 \item Flanges:
 363                 \begin{enumerate}
 364                         \item View window (large, view of sample \& sputtering filaments)
 365                         \item Rotation manipulator \& sample mount
 366                         \item Pump inlet
 367                         \item Filament flanges 1 (used earlier in year, not anymore) and 2
 368                         \item Inlet with leak valve (for introducing gases into chamber)
 369                         \item Vent valve on turbo pump
 370                         \item Electron gun flange
 371                         \item View window (small, view of back of electron gun)
 372                 \end{enumerate}
 373         \end{itemize}
 374 \end{itemize}
 375
 376 \section*{Appendix A - Electron Gun Control and Current Measurement Circuit}
 377
 378
 379 \section*{Appendix B - Data Aquisition Box (DAQ)}
 380
 381 \subsection*{Overview}
 382 In order to automate recording of TCS data, a data aquisition box (DAQ) was designed and constructed. The DAQ consists of the following major components:
 383 \begin{itemize}
 384         \item Microprocessor (AVR Butterfly ATMega169)
 385         \item Four Analogue to Digital Converter (ADC) inputs
 386         \item Single Digital to Analogue Converter (DAC) output (Microchip MCP4922)
 387         \item RS-232 communications for control by a conventional PC or laptop
 388         \item Seperate Power supplies for digital and analogue electronics
 389 \end{itemize}
 390
 391 \subsection*{Microprocessor}
 392 The DAQ has been built around an Atmel AVR Butterfly; an inexpensive and simple demonstration board for Atmel's ATMega169 16 Bit microprocessor. The features of the AVR Butterfly include easily accessible ports for Analogue to Digital Convertor (ADC) inputs and digital input/output, an onboard Universal Asynchronous Reciever/Transmitter (USART) for RS-232 serial communications, and a 6 character Liquid Crystal Display (LCD). The AVR Butterfly can be programmed using a conventional computer over the USART using a RS-232 COM port. For modern computers (which do not usually posess COM ports), a RS-232 to USB converter may be used.
 393
 394 %Figure of Butterfly
 395
 396
 397
 398
 399 \subsection*{Power Supplies}
 400 Two seperate power supplies are required for the DAQ, due to the presence of both digital and analogue electronics.
 401
 402 \subsubsection*{Logic Power Supply}
 403 The AVR Butterfly runs off $3V < V_{cc} < 5V$ DC. Since $V_{cc}$ is also used as the reference voltage for the ADCs and DAC output, it is desirable that $V_{cc}$ be kept constant, despite the absolute level of the power supply. A $3.3V$ voltage regulator has been used for this purpose. The capacitor further smooths the output by shorting high frequency fluctuations to ground.
 404
 405 When the DAQ was first constructed $V_{cc}$ was supplied by three $1.5V$ batteries. However, due to higher than expected power usage, and the unreliability of the voltage regulator as the input voltage fell below $4V$, inputs for an external power supply were later added.
 406
 407 \subsubsection*{Op-amp Power Supply}
 408 The DAQ circuitry involves several operational amplifiers (LF356), which require dual $\pm 10-15V$ supplies. As there were no dual $\pm$ power supplies available, a single $30V$ power supply was used, with the circuit shown in figure \ref{fig_opamp_supply} used to produce $\pm 15V$ relative to ground.
 409
 410 The buffer amplifier ensures that negligable current can flow from the power supply into the logic and ADC circuits, whilst the capacitor removes high frequency fluctuations of the power supply relative to ground.
 411
 412 To simplify circuit diagrams, op-amps will be drawn with the power supply connections ommitted from this point onwards.
 413
 414 \subsection*{ADC Inputs}
 415 The AVR Butterfly offers easy access to four of the ATMega169's ADCs through PORTF. Each ADC is capable of measuring voltages (relative to ground) of $0 < V_{\text{adc}} < V_{cc}$ with 10 Bit resolution. A voltage divider constructed using a variable resistor allows manual adjustment of $V_{\text{adc}}$ so that voltages greater than $V_{cc}$ may still be measured.  Diodes between the ADC input, and $V_{cc}$ and ground, ensure that the ADC is protected from exposure to voltages outside the acceptable range. Figure \ref{fig_ADC_normal} shows the typical input circuit, used for three of the four available ADCs.
 416
 417 The voltage at the ADC input can be related to the input of the voltage divider using Kirchoff's Voltage Law and Ohm's Law:
 418 \begin{align*}
 419  V_{\text{adc}} &= \frac{R_1}{R_1 + R_2} V_{\text{in}}
 420 \end{align*}
 421 Where $V_{\text{in}}$ is the voltage at the input of the circuit, $R_1$ is a fixed resistor, and $R_2$ is variable resistor.
 422
 423 $V_{\text{in}}$ can be determined from ADC counts by:
 424 \begin{align*}
 425         V_{\text{in}} &= \frac{\text{ADC counts}}{2^{10}} \times
 426 \end{align*}
 427
 428
 429
 430 For differential or ``off-ground'' voltage measurements, the fourth ADC input is passed through an instrumentation amplifier. Low pass filters on the input are used to reduce AC noise on the inputs. The buffer amplifiers ensure that negligable current flows through the measurement circuit to ground.
 431 Figure \ref{fig_ADC5} shows the input circuit for off-ground voltage measurements. It is important to note that the circuit only functions when the input voltages are within the op-amp common-mode voltage range ($\pm15V$).
 432
 433 The output of the instrumentation amplifier can be shown by using Kirchoff's Laws and the ideal model of op-amps to be:
 434 \begin{align*}
 435         V_{\text{diff.}} = \frac{R_2}{R_1}
 436 \end{align*}
 437
 438 \subsection*{DAC Output}
 439 A commercial DAC board was used to produce the DAC output. The Microchip MCP4922 ET-Mini DAC is controlled by the AVR Butterfly using Motorola's Serial Peripheral Interface (SPI) Bus.
 440
 441 The ET-Mini DAC can only be powered off $3V$ to $5V$. Using $V_{cc} = 3.3V$ means that the DAC output cannot exceed $V_{cc} = 3.3V$. For Total Current Spectroscopy, energies of up to $15eV$ are required, so amplification of the DAC output was clearly necessary. A simple non-inverting amplifier with a manually adjustable gain was used to amplify the $3.3V$ DAC output to $10V$. This output was then used to control a GW-Instek GPS-1850D power supply.
 442
 443 \pagebreak
 444 \bibliographystyle{unsrt}
 445 \bibliography{thesis}
 446
 447 \end{document}
 448