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{\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 \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 They are the way of the future. Embrace the future.
  97                 \item The electron spectra of metal-blacks have not yet been examined.
  98                 \item Remarkable difference between Metal-Black films (bad vacuum) and normal metal films (UHV)
  99                 \begin{itemize}
 100                         \item No (detailed/satisfactory) explanation (that I can find :P) for difference
 101                 \end{itemize}
 102                 \item Talk about plasmonic based computing? Moore's law? Applications to thin film solar cells?
 103
 104         \end{itemize}
 105         \item Specific aims of project
 106         \begin{enumerate}
 107                 \item Surface density of states / band structure of Black-Au films using TCS (The main aim)
 108                 \item Identification of plasmonic effects in Black-Au films (?) (If they even exist!)
 109                 \begin{itemize}
 110                         \item Identify plasmonic effects in Au and Ag films with Ellipsometry (this is fairly simple to do)
 111                 \end{itemize}
 112                 \item Combination of Ellipsometry and TCS to characterise thin films (not just Black-Au)
 113                 \begin{itemize}
 114                         \item Ie: How can one technique be used to support the other?
 115                 \end{itemize}
 116         \end{enumerate}
 117         \item Structure of thesis
 118 \end{itemize}
 119
 120 \section{Overview of Theory}
 121 Summarise the literature, refer to past research etc
 122
 123 \subsection{Electron structure of surface}
 124 \begin{itemize}
 125         \item Overview of electron spectrum properties
 126         \begin{itemize}
 127                 \item Density of states $n(E)$
 128                 \item Energy band structure $E(\vect{k})$
 129         \end{itemize}
 130         \item Properties of surface region
 131         \begin{itemize}
 132                 \item Difference between potential of surface and bulk
 133                 \begin{itemize}
 134                         \item Change between the two limits in the ``near-surface'' region
 135                 \end{itemize}
 136                 \item Theoretical models for the potential, 1D vs 3D
 137                 \begin{itemize}
 138                         \item Simplest case is a step potential.
 139                         \item Various improvements on this model, discussed in Komolov's book.
 140                         \item It would be interesting to adapt my CQM project to numerically solve for an electron entering the various potentials
 141                         \begin{itemize}
 142                                 \item Only do this when EVERYTHING ELSE is done! Otherwise I will get too involved with it!
 143                         \end{itemize}
 144                 \end{itemize}
 145                 \item Limitations of theoretical models
 146         \end{itemize}
 147         \item Main reference: Komolov "Total Current Spectroscopy"
 148         \item "Solid State Physics" textbooks and "Electron Spectroscopy" textbooks
 149 \end{itemize}
 150
 151 \subsection{Plasmonics}
 152 I really think I should actually find plasmonic effects before writing too much about them...
 153 \begin{itemize}
 154         \item Charge density oscillations
 155         \item Surface and bulk plasmons
 156         \item Pines and Bohm
 157         \item Review article from T.W.H Oates et al about using Ellipsometry to characterise plasmonic effects
 158 \end{itemize}
 159
 160 \subsection{Metallic-Black Thin Films}
 161 \begin{itemize}
 162         \item How they are made (bad vacuum, in air or a noble gas)
 163         \begin{itemize}
 164                 \item If made in air, there are usually tungsten oxides present (from filament). Refer to paper by Pfund.
 165         \end{itemize}
 166         \item Structural difference between Black-Au and ``Shiny'' (need a better term) Au
 167         \begin{itemize}
 168                 \item Can include electron microscopy images?
 169                 \item An actual photograph of a Black-Au film? Not necessary?
 170         \end{itemize}
 171         \item Pfund (earliest publisher, preparation and general properties)
 172         \item Louis Harris (most research in 50s and 60s)
 173         \begin{itemize}
 174                 \item L. Harris mostly did transmission spectroscopy in the far infra red (well beyond the ellipsometer and Ocean Optics spectrometer ranges)
 175                 \item The really crappy measurements I did with the Ocean Optics spectrometer seem to agree with these measurements
 176                 \begin{itemize}
 177                         \item L. Harris' $\lambda$ has a range of 1nm to $100\mu$m; my measurements are only to $1\mu$m
 178                         \item Agreement in first $1\mu$m anyway
 179                         \item I should probably re-do those measurements with a less crappy setup, if I actually want to use them
 180                 \end{itemize}
 181                 \item Harris related the optical properties to the structure of the film (condensor strands) via the electronic properties
 182         \end{itemize}
 183         \item Plasmonic effects - Deep R. Panjwani (honours thesis)
 184         \begin{itemize}
 185                 \item Not sure if I can use an honours thesis as a reference.
 186                 \item Concluded that surface plasmon resonance in Black-Au film on solar cells lead to increase in solar cell efficiency
 187                 \item Used simulation that modelled Black-Au film as spherical balls to show E field increased by plasmon resonance
 188                 \begin{itemize}
 189                         \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.
 190                 \end{itemize}
 191                 \item Need to read this reference more thoroughly
 192         \end{itemize}
 193 \end{itemize}
 194
 195 \section{Experimental Techniques}
 196
 197 \subsection{Preparation of samples}
 198 \begin{itemize}
 199         \item Black-Au - 1e-2 mbar vacuum
 200         \item ``Shiny'' - 1e-6 / 1e-7
 201         \item Current of ~3.5A through W wire filament spot welded onto Ta strips in turn spot welded to Mo posts
 202         \item Voltage through filament is ~1 V; quote the power?
 203         \item Filament isotropically coats sample with desired material.
 204         \item Possibly get a curve of Au thickness estimated with Ellipsometry vs exposure time?
 205         \begin{itemize}
 206                 \item Probably too much work and too unreliable
 207                 \item Maybe do it, but only use 2/3 data points
 208                 \item Low priority
 209         \end{itemize}
 210 \end{itemize}
 211
 212 \subsection{Total Current Spectroscopy}
 213 \begin{itemize}
 214         \item Overview of technique
 215         \begin{itemize}
 216                 \item Low energy beam of electrons incident on sample
 217                 \item Measure slope of resulting I-V curve
 218                 \item Relate to density of states and electron band structure (Komolov chapter 3.2)
 219         \end{itemize}
 220         \item Description of apparatus
 221         \begin{itemize}
 222                 \item Electron gun and filament
 223                 \item Electron gun control box
 224                 \item ADC/DAC control box and data processing
 225         \end{itemize}
 226         \item Photographs vs Diagrams
 227         \begin{itemize}
 228                 \item Prefer diagrams to photographs
 229                 \item Especially for the ADC/DAC control box circuit. Because it looks like a horrible mess.
 230         \end{itemize}
 231 \end{itemize}
 232
 233 \subsection{Ellipsometry and Transmission Spectroscopy}
 234 \begin{itemize}
 235         \item Overview of techniques
 236         \item Description of apparatus (use VASE manual)
 237         \item Ocean Optics spectrometer? Usable?
 238         \item Application of Ellipsometry to finding plasmonic effects
 239         \begin{itemize}
 240                 \item Surface plasmons = E oscillation parallel to surface $\implies$ only $p$ component of light excites plasmons
 241         \end{itemize}
 242 \end{itemize}
 243
 244 \section{Experimental Results and Discussion}
 245 \subsection{TCS Measurements}
 246 \begin{itemize}
 247         \item TCS for Si
 248         \item TCS for Si + Au
 249         \item TCS for Si + Black-Au
 250         \item Affect of preparation pressure on TCS for Si + Black-Au
 251         \item Repeat for Si + Ag and Si + Black-Ag (?)
 252 \end{itemize}
 253
 254 \subsection{Ellipsometric Measurements}
 255 \begin{itemize}
 256         \item Ellipsometry to estimate thickness of SiO2 layer on Si
 257         \item Estimate thickness of Au/Ag on Si+SiO2
 258         \item Ellipsometric measurements of Si+Black-Au/Ag
 259         \begin{itemize}
 260                 \item Modelling procedures to characterise Black-Au/Ag
 261         \end{itemize}
 262         \item Ellipsometric measurements of Glass+Black-Au/Ag (?)
 263         \item Transmission spectra of Glass+Black-Au/Ag from earlier in year (?)
 264 \end{itemize}
 265
 266 \section{Achievements}
 267 \begin{itemize}
 268         \item Deposition of thin films of Au and Black-Au in vacuum chamber
 269         \item Ellipsometric and spectroscopic measurements on these films
 270         \item Repurpose vacuum chamber for sample preparation and TCS experiments
 271         \item Designed and built electronics for TCS experiments
 272         \begin{itemize}
 273                 \item Electron gun control box
 274                 \item ADC/DAC box
 275         \end{itemize}
 276         \item Wrote software for data aquisition and data processing
 277 \end{itemize}
 278
 279 \section{Experimental Difficulties / Detailed stuff / Appendix}
 280 \subsection{TCS}
 281 \begin{itemize}
 282         \item Optimise setup of gun
 283         \begin{itemize}
 284                 \item Emission current. How much does it vary, why does it vary.
 285                 \item Why does Is/Ie curve shift with successive sweeps? Does sweep modify sample's surface?
 286                 \item Is sample holder acceptable? Are ceramic washers accumulating charge?
 287                 \item How do I tell when the setup is optimised...
 288                 ``The setup was optimised by looking for an S curve''. Very scientific.
 289                 \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.
 290         \end{itemize}
 291         \item Obtain TCS spectra for Si that compares well with literature
 292         \begin{itemize}
 293                 \item How to relate TCS spectrum to $n(E)$ and $E(\vect{k})$
 294         \end{itemize}
 295         \item Prepare Au films, obtain TCS spectra that compares with literature
 296         \item Obtain TCS spectra of Black-Au films
 297         \item Use results to compare properties of films with results from other methods in the literature
 298         \item Uncertainties
 299         \begin{itemize}
 300                 \item Oscilloscope measurements of inputs to ADC channels under controlled conditions
 301                 \begin{itemize}
 302                         \item Expected values are +/-3mV due to ADC channel, +/-300mV due to 610B, +/-1mV due to 602
 303                         \item 610B and 602 will probably be worse because they are ancient
 304                         \item There is about 200mV of noise between the GND of the ADC box and the electron control box.
 305                         \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.
 306                 \end{itemize}
 307                 \item Stupid 50Hz AC noise... how to reduce with filters and/or averaging
 308         \end{itemize}
 309         \item Create circuit diagrams for Electron gun circuit
 310         \item Create circuit diagrams for ADC/DAC box
 311         \begin{itemize}
 312                 \item Simulate behaviour of circuit
 313                 \item Use of instrumentation amplifier on ADC5 to make off-ground measurements
 314                 \item Use of low pass filter on ADC5
 315         \end{itemize}
 316         \item Include references to all datasheets, etc
 317         \item Vacuum chamber
 318         \begin{itemize}
 319                 \item Base pressure with rotary pump? Was 1e-3 after 30 minutes at start of year, but probably introduced leaks since then
 320                 \item Lowest pressure achieved with turbo pump is 1.1e-7 mbar as of 25/07.
 321                 \item Viton gaskets on some seals. Copper on other.
 322                 \item Flanges:
 323                 \begin{enumerate}
 324                         \item View window (large, view of sample \& sputtering filaments)
 325                         \item Rotation manipulator \& sample mount
 326                         \item Pump inlet
 327                         \item Filament flanges 1 (used earlier in year, not anymore) and 2
 328                         \item Inlet with leak valve (for introducing gases into chamber)
 329                         \item Vent valve on turbo pump
 330                         \item Electron gun flange
 331                         \item View window (small, view of back of electron gun)
 332                 \end{enumerate}
 333         \end{itemize}
 334 \end{itemize}
 335
 336 \pagebreak
 337 \bibliographystyle{unsrt}
 338 \bibliography{thesis}
 339
 340 \end{document}
 341