Física (Dr.)
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Item Characterization of luminescent ITO:Tb and AZO:Tb thin films prepared by radio frequency magnetron sputtering(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-05-09) Llontop López-Dávalos, Paul David; Guerra Torres, Jorge AndresThis thesis investigates the effects of introducing terbium to indium tin oxide (ITO) and aluminum zinc oxide (AZO) thin films on their electrical, optical and light emission properties. The films were prepared by radio frequency magnetron co-sputtering with active cooling during deposition. The samples maintained a high optical transmittance in the ultraviolet and visible spectral regions. ITO:Tb showed a low electrical resistivity ranging from 5×10−3 Ω·cm to 0.3Ω·cm, whilst AZO:Tb resulted with a high resistivity which could not be measured with the available equipment. Tb-related luminescence was obtained in ITO:Tb after annealing at 470 ◦C in air at atmospheric conditions. Contrastingly, AZO:Tb showed characteristic Tb luminescence in the as-grown state and further annealing treatments reduced the Tb-related intensity. For both materials, the optical transmittance was measured at each annealing temperature to track the changes in the optical parameters such as optical band gap and Urbach energy. Additionally, exciton binding energy in the case of AZO:Tb was also registered. Together with cathodoluminescence and photoluminescence (PL) measurements, the compromise between the achieved light emission intensity, optical and electrical properties was assessed for each material. Temperature dependence of the Tb-related luminescence and thermal quenching was assessed by temperature-dependent PL measurements from 83K to 533K under non-resonant indirect excitation. Thermal quenching activation energies suggest an effective energy transfer mechanism from the host to the Tb ions. In the case of ITO:Tb, it is assumed that a short-range charge trapping process and subsquent formation of bound excitons to Tb ion clusters is occuring at low sample temperatures. This indirect excitation mechanism is modeled using a spherical potential-well and a tight-binding one-band approximation models. For AZO:Tb, a similar approach is carried out, although the excitons are assumed to be bound to Tb ion clusters or Tb complexes that arise from the coordination with AZO intrinsic defects.Item Synthesis, tribology, electro-tribology and mechanical performance of ti2alc and ti3alc2 max phases thin films(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-01-26) Quispe Dominguez, Roger; Grieseler, RolfThis thesis investigates the synthesis, mechanical properties, tribological and electro-tribological behavior of Ti2AlC and Ti3AlC2 MAX phases in the form of thin films. The thin films were obtained by deposition of a multilayer system of Titanium (Ti) - Aluminum (Al) - Carbon (C) and subsequent thermal annealing in a vacuum and controlled atmosphere. The Ti-Al-C multilayer system was deposited by magnetron sputtering on silicon substrates with a SiO2 and SixNy double-layer diffusion barrier. The stoichiometric of the film was controlled through the thickness of the individual monolayers. To obtain a 500 nm thick film, the Ti-Al-C sequence was repeated 22 times with individual thicknesses of 14, 6 and 3.5 nm, respectively. The experimental results show that the Ti2AlC phase is formed at a temperature of 700°C, while the Ti3AlC2 phase is formed at 950°C. The structural properties of the thin films were characterized by X-ray diffraction, Raman microscopy and glow discharge optical emission spectroscopy (GD-OES). The hardness of the thin films was analyzed by nanoindentation tests, obtaining hardness values of 11.6 and 5.3 GPa for Ti2AlC and Ti3AlC2, respectively. The tribological behavior of the thin films was analyzed under dry sliding conditions using a ball-on-flat reciprocating tribometer. The counter body consisted of AISI 52100 steel balls of 3 mm diameter. The friction coefficients obtained were in the range of 0.21 - 0.2 and 0.6 - 0.91 for the Ti2AlC and Ti3AlC2 thin films, respectively. The Ti2AlC phase has a better tribological performance, which can be attributed to its smaller grain size, lower surface roughness and higher hardness compared to the Ti3AlC2 phase. The electrical resistivity of the thin films was 0.73 and 0.45 μΩ·m for Ti2AlC and Ti3AlC2, respectively. The electro-tribological test was carried out using a ball-on-flat reciprocating tribometer under electrical currents of 10, 50 and 100 mA. The coefficient of friction and the electrical contact resistance were measured simultaneously in the same test. The results show that the coefficient of friction and electrical contact resistance could be related to thin-film properties such as hardness, roughness, grain size, and resistivity. These results of the electro-tribological behavior of the films provide valuable information for possible applications such as sliding electrical contacts.Item Preparación y optimización de películas delgadas de sistemas de carbono-sílice dopados con tierras raras para aplicaciones luminiscentes(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2022-02-01) Flores Escalante, Loreleyn Flor; Grieseler, RolfEl uso de elementos de tierras raras (RE) en materiales de luminiscencia ha permitido introducir mejoras en diversas aplicaciones. En iluminación, por ejemplo, los fósforos amarillos YAG (Y3Al5O12:Ce3+) son ampliamente utilizado en LED blancos. En los sistemas de telecomunicaciones e Internet, se utilizan amplificadores de fibra dopada con erbio (Er3+) para aplicaciones en la región de longitud de onda de las telecomunicaciones (1530- 1550 nm). En láseres, YAG:Nd3+ encuentran su aplicación en láseres de estado sólido con una línea de emisión de 1,06 μm. Los YAG también pueden estar dopados con Tm3+ (1,93- 2,04 μm) o Er3+ (2,94 μm) y se utilizan principalmente en aplicaciones médicas. En las células solares, las capas de convertidor espectral están diseñadas para aumentar la eficiencia de las células solares. El espectro solar AM1.5G se puede modificar mediante procesos llamados Up-conversion, quantum cutting, and down-shifting. Por tanto, se mejoraría el EQE de las células solares. El estudio central de este trabajo fue la preparación y optimización de la luminiscencia de los iones Tb3+ e Yb3+ en la relativamente nueva matriz de a-SiOC: H para aplicaciones luminiscentes como convertidores espectrales descendentes. El método utilizado para la optimización de la luminiscencia se basa en tratamientos de recocido, composición de la matriz y co-dopaje con elementos Tb e Yb. Los detalles experimentales se presentan en el Capítulo 3. El primer objetivo de este trabajo se centró en la preparación de capas de a-SiOC: H que pueden cultivarse en la superficie de una célula solar de prueba (célula de Si + capa antirreflejante). La literatura reporta trabajos previos sobre SiOC. Sin embargo, la mayoría de ellos se basan principalmente en la preparación a temperaturas cercanas a los 1000 °C, lo que provocaría daños en la celda solar debido a la alta temperatura. Por esta razón, se utilizó un sistema de pulverización catódica de RF con enfriamiento del sustrato. Las propiedades ópticas de la matriz dependen de la composición de Si, C y O. por lo que, el Capítulo 4 se enfoca en el estudio de (1) el análisis de composición y la estructura, (2) el cálculo de la banda prohibida y la energía de Urbach, (3) el efecto del tratamiento de recocido en la estructura de la red atómica y (4) los procesos que impulsan la luminiscencia de matriz. El segundo objetivo de este trabajo fue la optimización de la fotoluminiscencia de los iones Tb3+ e Yb3+ en muestras de a-SiOC:H dopadas con uno de los dos iones. Una luminiscencia creciente de los iones de RE3+ requiere (1) aumentar el número de iones RE3+ activos, (2) reducir las fuentes de pérdida de energía y (3) aumentar el número de sensibilizadores. El Capítulo 5 examina estos procesos en detalle. En la literatura, la emisión de iones RE3+ está bien reportada. Sin embargo, los mecanismos de transferencia no radiativa de energía de los estados de defecto (en materiales amorfos basados en silicio) a los dopantes de RE son poco discutidos. Además, el ion RE3+ en tales materiales no reemplazará a ninguno de los iones en la matriz como si lo hace en el caso de los materiales cristalinos dopados con elementos de RE. En materiales amorfos (que contienen oxígeno), el ion RE3+ se ubicará en un sitio rodeado localmente por átomos de oxígeno. Por lo tanto, este trabajo estudia y propone mecanismos de excitación para los iones Tb3+ e Yb3+. Estos mecanismos pueden aplicarse en la matriz a-SiOC: H y extenderse a materiales basados en Si y SiOx. Finalmente, estudios previos del efecto del carbono mostraron una mejora de la luminiscencia de los iones RE3+. Por tanto, se llevó a cabo un estudio sistemático de luminiscencia basado en el cambio de composición del carbono. Este trabajo estudia las ventajas y desventajas del dopaje con carbono en la activación de la luminiscencia de los iones RE3+. Los resultados también se presentan en el Capítulo 5. El tercer objetivo de este trabajo fue la optimización de la luminiscencia del Yb en muestras de a-SiOC:H co-dopadas. Entre los diferentes sistemas de iones RE3+ para aplicaciones de corte cuántico (QC) en el infrarrojo cercano, los que incluyen iones Yb3+ parecen ser los más apropiados porque el ión Yb3+ tiene una transición a aproximadamente 980 nm (~ 1,22 eV) justo por encima de la banda prohibida del silicio cristalino de 1,1 eV. Los iones Tb3+ se utilizaron para mejorar la emisión de los iones Yb3+. Por lo tanto, los convertidores descendentes de infrarrojo cercano encuentran una posible aplicación en las células solares de silicio. La capa de convertidor espectral se colocará en la parte superior de la superficie de la célula solar, por lo que la capa de QC tiene la ventaja de que se puede optimizar independientemente de la celda. En este trabajo se identifican y estudian los mecanismos asociados a la transferencia de energía del huésped a los iones RE3+. Se estimó el rendimiento cuántico de fotoluminiscencia de la capa convertidora espectral. Además, se prepararon las capas en la superficie frontal de las células de mc-silicio, y se estudió su efecto en la eficiencia cuántica externa. Por último, se estudió el mecanismo de transferencia cooperativa entre los iones Tb3+ e Yb3+; los cuales son utilizados para explicar el proceso de QC. Este mecanismo cooperativo se ha atribuido a los procesos de QC en muchas matrices cristalinas y amorfas. Sin embargo, a pesar de numerosos documentos que adscriben sus resultados al mecanismo de transferencia cooperativa, pocos realmente lo prueban. Por lo tanto, también se analiza el papel de los iones Tb3+ en la luminiscencia del Yb. Los resultados se presentan en el Capítulo 6.Item Optical characterization and thermal activation of Tb doped amorphous SiC, AlN and SiN thin films(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2017-08-10) Guerra Torres, Jorge Andrés; Weingärtner, Roland; Winnacker, AlbrechtEn la presente tesis se evalúan las propiedades ópticas y las características de emisión de luz de películas delgadas amorfas de AlN, SiN y SiC:H dopadas con Tb. La caracterización óptica se centra en la determinación del ancho de banda, la energía de Urbach y el foco de Urbach a partir de mediciones ópticas. Se desarrolla un modelo, basado en fluctuaciones térmicas de la banda, para describir la absorción fundamental sobrepuesta con las colas de Urbach. Luego, se realiza un análisis de la existencia y significado del foco de Urbach y se contrasta con modelo anterior. Uno de los principales resultados en esta parte es la capacidad del modelo antes mencionado para distinguir las regiones de Urbach y Tauc del coeficiente de absorción. En este caso, películas delgadas de a-SiC:H depositadas en distintas condiciones de dilución de hidrógeno exhibieron un ancho de banda no correlacionado con la energía de Urbach al usar este modelo, en contraste a lo que se observa típicamente después de utilizar el modelo de Tauc. El análisis de características de emisión de luz se centra al proceso de activación térmica que sufren los iones de tierras raras cuando se calientan las muestras. El efecto de la temperatura de recocido, temperatura de la muestra y concentración de tierras raras en la intensidad de la emisión de luz se evalúa bajo fuentes de excitación de fotones y electrones. Se utiliza un modelo de tasa de transiciones para ajustar la intensidad de luz global asociada al Tb en películas delgadas de a-SiC:H:Tb3+ frente a la concentración de Tb después de diferentes temperaturas de recocido. Se recupera una energía de activación asociada a la activación térmica. Finalmente, en el caso de a-SiC: H: Tb3+, se observa una disminución del efecto de enfriamiento de la concentración, lo que sugiere un mecanismo adicional para aumentar la intensidad de emisión de luz relacionada con Tb.