Ellipsometric modelling of nanograin structures and thin films for biological and (opto)electronical applications  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
61725
Type K
Principal investigator Petrik, Péter
Title in Hungarian Nanoszemcsés szerkezetek és vékonyrétegek ellipszometriai modellezése bioszenzorikai és (opto)elektronikai alkalmazásokhoz
Title in English Ellipsometric modelling of nanograin structures and thin films for biological and (opto)electronical applications
Keywords in Hungarian nanoszemcse, nanoszerkezet, optoelektronika, ellipszometria, optikai tulajdonság, vékonyréteg
Keywords in English optoelectronics, sensor, ellipsometry, nanostructure, optical property, thin film
Discipline
Electronic Devices and Technologies (Council of Physical Sciences)60 %
Material Science and Technology (engineering and metallurgy) (Council of Physical Sciences)40 %
Panel Informatics and Electrical Engineering
Department or equivalent MTA Research Institute for Technical Physics and Materials Science
Participants Kurunczi, Sándor
Nguyen, Quoc Khanh
Polgár, Olivér
Starting date 2006-02-01
Closing date 2010-01-31
Funding (in million HUF) 8.900
FTE (full time equivalent) 3.73
state closed project
Summary in Hungarian
Az ellipszometriai méréstechnikában a fejlődés iránya jelenleg egyrészt a gyors (in situ) illetve felületi térképező berendezések fejlesztése, másrészt olyan optikai modellek alkotása, amelyek segítségével az eddigieknél összetettebb struktúrák mérhetők, valamint olyan anyagtulajdonságok határozhatók meg, amelyek az egyszerűbb modellekkel nem voltak lehetségesek. A jelenlegi OTKA pályázat keretében mi ez utóbbi fejlesztési irányhoz kívánunk hozzájárulni a gyakorlatban is egyre fontosabbá váló bioszenzorikai és optoelektronikai anyagok méréséhez szükséges optikai modellek fejlesztésével, valamint ezen modellek ismeretében az anyagtulajdonságok pontosabb megismerésével. A téma támogató jellegű alapkutatást végezne egy dielektrikum mátrixokban félvezető nanoszemcsék előállításával és az ilyen struktúrákból létrehozott félvezető eszközök elektromos vizsgálatával foglalkozó EU FP6 nemzetközi projekthez (SEMINANO, Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézet, MFA), valamint bioszenzorikai (az MFA és a Veszprémi Egyetem által létrehozott közös Professzori Nanoszenzorika Laboratórium) és egyéb biológiai fejlesztésekhez és kísérletekhez (Eötvös Loránd Tudományegyetem, ELTE, Kolloidkémiai és Kolloidtechnológiai Tanszék).
Summary
The directions of development in ellipsometry are currently the in situ and mapping techniques, as well as creating optical models to measure more complex structures, and to characterize material properties that could not be characterized using simple models. In frame of the proposed project we would like to contribute to the latter direction of development by creating optical models for materials and structures for biosensorics and optoelectronics, furthermore, to determine material properties using advanced models. This activity would support other projects including an international EU FP6 project on preparation and electronic characterization of semiconductor nanocrystals created in dielectric matrices and devices based on these structures (SEMINANO, Research Institute for Technical Physics and Materials Science, MFA), biosensorics research (Laboratory of Nanosensorics of MFA and the University of Veszprém), and other biological developments and applications (Roland Eötvös University, ELTE, Chair of Colloidchemistry and Colloidtechnologies).




 

Final report

  
Results in Hungarian
Folyadékcellát, in situ mérési eljárást és optikai modelleket fejlesztettünk fehérjék leválasztás közbeni ellipszometriai mérésére. Az általunk fejlesztett 0,5 ml térfogatú és az előzőleg vásárolt 5 ml térfogatú kereskedelmi folyadékcella szisztematikus összehasonlító vizsgálatával, folyadékdinamikai szimulációval elemeztük és teszteltük a cellák legjobb beállítását és használhatóságának határait (pl. ablakkorrekció, szükséges folyadékmennyiség). Elsőként vizsgáltuk flagellinből polimerizált filamentumok rögzítését, a rögzített rétegek szerkezetét és a leválasztás kinetikáját. Megmutattuk, hogy a flagellin-leválasztás kinetikája többréteges ellipszometriai modellel vizsgálható. Ezáltal részletes betekintést nyerünk a rétegépülés folyamatába. Megvizsgáltuk a szubsztrát-minőség és az aktiválás hatását az immobilizációra. MATLAB nyelven kifejlesztettünk egy teljes moduláris ellipszometriai kiértékelő rendszert, amelyben implementálni tudtuk saját modelljeinket, és amelyet az MFA 128-node-os szuperszámítógépén Octave/Linux alatt futtatni tudtunk. Szoftverünkkel megmutattuk, hogy a parametrizált dielektromos függvény modell jól használható porózus szilícium, leválasztással létrehozott nanokristályos szilícium, ionimplantált szilícium és vegyületfélvezető szerkezetek rétegvastagságának, összetételének, kristályosságának és szemcseméretének meghatározására. A fenti anyagszerkezetek és a rendezett felületi struktúrák vizsgálatához paraméter-kereső algoritmusokat fejlesztettünk.
Results in English
We have developed a flow cell, in situ measurement, and optical models for the ellipsometric measurement of proteins during deposition. We have tested and evaluated the best conditions and the limit of capabilities (e.g. windows correction, needed volume of solution) through systematic comparative studies of a home-made 0,5-ml cell and a commercial 5-ml flow cell. We were the first who investigated the immobilization, structure and deposition kinetics of flagellar filaments. We have shown that the deposition kinetics can be studied in detail using multi-layer optical models. Using these models we have a detailed view of the mechanisms of layer growth. We have investigated the effect of activation and substrate properties on the immobilization. We have developed a complete modular ellipsometric software package in MATLAB to implement our special models, and to enable to run the programs on the 128-node super computer of the MFA using Octave/Linux. With our software we have shown that using parameterized dielectric functions the layer thickness, structure, composition, crystallinity, and grain size of porous silicon, deposited nanocrystalline silicon, ion implanted silicon, and compound semiconductors can be determined with a high sensitivity. We have developed parameter search algorithms to evaluate the above materials, as well as order surface structures.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=61725
Decision
Yes





 

List of publications

  
P. Petrik, M. Fried, É. Vázsonyi, T. Lohner, E. Horváth, O. Polgár, P. Basa, I. Bársony, J. Gyulai: Ellipsometric characterization of nanocrystals in porous silicon, Applied Surface Science 253, 200-203, 2006
M. Fried, P. Petrik, Zs. E. Horváth, T. Lohner, C. Schmidt, C. Schneider, H. Ryssel: Optical and X-ray characterization of ferroelectric strontium-bismuth-tantalate (SBT) thin films, Applied Surface Science 253, 349-353, 2006
G. Battistig, N. Q. Khánh, P. Petrik, T. Lohner, L. Dobos, B. Pécz, J. García López, and Y. Morilla: A view of the implanted SiC damage by Rutherford backscattering spectroscopy, spectrocopic ellipsometry, and transmission electron microscopy, Journal of Applied Physics 100, 093507, 2006
P. Petrik, M. Fried, T. Lohner, N. Q. Khánh, P. Basa, O. Polgár, C. Major, J. Gyulai, F. Cayrel, D. Alquier: Dielectric function of disorder in high-fluence helium-implanted silicon, Nuclear Instruments and Methods B 253, 192, 2006
P. Basa, Petrik, M. Fried, L. Dobos, B. Pecz, L. Toth: Si nanocrystals in silicon nitride: An ellipsometric study using parametric semiconductor models, Physica E 38, 76, 2007
M. Serenyi, T. Lohner, P. Petrik, C. Frigeri: Comparative analysis of amorphous silicon and silicon nitride multilayer by spectroscopic ellipsometry and transmission electron microscopy, Thin Solid Films 515, 3559, 2007
I. Rajta, S.Z. Szilasi, J. Budai, Z. Toth, P. Petrik, E. Baradacs: Refractive index depth profile in PMMA due to proton irradiation, Nuclear Instruments and Methods B 260, 400, 2007
P. Basa, P. Petrik, M. Fried, A. Dâna, A. Aydinli, S. Foss, T. G. Finstad: Spectroscopic ellipsometric study of Ge nanocrystals embedded in SiO2 using parametric models, physica status solidi C 5, 1332-1336 (2008), 2007
P. Petrik, E. Szilagyi, T. Lohner G. Battistig, and M. Fried: Optical models for ultra-thin oxides on Si-terminated and C-terminated faces of thermally oxidized SiC, 4th Internation Conference on Spectroscopic Ellipsometry, June 11-15, Stockholm, Svédország, Poszter, 2007
P. Petrik, N.Q. Khánh, J. Li, J. Chen, R.W. Collins, M. Fried, G. Radnóczi,: Ion implantation-induced disorder in single-crystal and sputter-deposited polycrystalline CdTe characterized by ellipsometry and backscattering spectrometry, 4th Internation Conference on Spectroscopic Ellipsometry, June 11-15, Stockholm, Svédország, Poszter, 2007, 2007
Peter Petrik, Miklos Fried, Eva Vazsonyi, Peter Basa, Tivadar Lohner,: Nanocrystals characterization in porous silicon using model dielectric function, EMRS 2007 Fall Meeting, September 17-21, 2007, Varsó, Lengyelország, Poszter, 2007
Miklós Serényi, Tivadar Lohner, Peter Petrik, Zsolt Zolnai, Nguyen Q. Khánh: Ellipsometric and ion beam analytical studies on sputtered and annealed niobium oxide films, EMRS 2007 Fall Meeting, September 17-21, 2007, Varsó, Lengyelország, Poszter, 2007
E. Szilagyi, P. Petrik, T. Lohner, A. A. Koos, M. Fried, G. Battistig: Oxidation of SiC investigated by ellipsometry and Rutherford backscattering spectrometry, Journal of Applied Physics 104, 014903, 2008
M. Serényi, T. Lohner, P. Petrik, Z. Zolnai, Z. E. Horvath, N. Q. Khánh: Characterization of sputtered and annealed niobium oxide films using spectroscopic ellipsometry, Rutherford backscattering spectrometry and X-ray diffraction, Thin Solid Films 516, 8096 (2008), 2008
O. Polgar, M. Fried, N. Q. Khanh, P. Petrik, I. Barsony: Determination of ion track and shapes with damage simulations on the base of ellipsometric and backscattering spectrometric measurements, Physica Status Solidi C 5, 1354 (2008), 2008
P. Petrik, N. Q. Khánh, Jian Li, Jie Chen, R. W. Collins, M. Fried, G. Radnóczi, T. Lohner, J. Gyulai: Ion implantation induced disorder in single-crystal and sputter-deposited polycrystalline CdTe characterized by ellipsometry and backscattering spectrometry, Physica Status Solidi C 5, 1358 (2008), 2008
P. Petrik: Ellipsometric models for vertically inhomogeneous composite structures, Physica Status Solidi A 205, 732 (2008), 2008
N. Nagy, A. Deak, A. Hamori, Z. Horvolgyi, M. Fried, P. Petrik, I. Barsony: Comparative investigation of Stober silica Langmuir-Blodgett films as optical model structures, Physica Status Solidi A 205, 936 (2008), 2008
T. Lohner, Z. Zolnai, P. Petrik, G. Battistig, J. G. Lopez, Y. Morilla, A. Koos, Z. Osvath, M. Fried: Complex dielectric function of ion implantation amorphized SiC determined by spectroscopic ellipsometry, Physica Status Solidi C 5, 1374 (2008), 2008
P. Kozma, N. Nagy, S. Kurunczi, P. Petrik, A. Hamori, A. Muskotal, F. Vonderviszt, M. Fried, I. Barsony: Ellipsometric characterization of flagellin films for biosensor applications, Physica Status Solidi C 5, 1427 (2008), 2008
M. Fried, N. Q. Khanh, P. Petrik: Defect profiling by ellipsometry using ion implantation through wedge masks, Physica Status Solidi C 5, 1227 (2008), 2008
P. Petrik, M. Fried, E. Vazsonyi, P. Basa, T. Lohner, P. Kozma, Z. Makkai: Nanocrystal characterization by ellipsometry in porous silicon using model dielectric function, Journal of Applied Physics 105, 024908 (2009), 2009
P. Petrik, M. Fried, T. Lohner, G. Battistig, N. Q. Khánh, C. Nádor, D. Alquier, and J. Gyulai: Ellipsometric models for the near-surface disorder in silicon ion implanted by 10-keV helium at high dose, IBMM 08 - 16th International Conference on Ion Beam Modification of Materials, from August 31 to September 5, 2008, Drezda, Németország, 2008
P. Petrik, M. Fried, Z. Zolnai, N. Q. Khánh, J. Li, R. W. Collins, and T. Lohner: Dielectric Function and Defect Structure of CdTe Implanted by 350-keV Bi Ions, Mater. Res. Soc. Symp. Proc., 2009
P. Petrik. E. Szilagyi, T. Lohner, G. Battistig, M. Fried, G. Dobrik, and L. P. Biro: Optical models for ultra-thin oxides on Si-terminated and C-terminated faces of thermally oxidized SiC, Journal of Applied Physics 106, 123506 (2009), 2009
P. Petrik , S. Milita, G. Pucker, A. Nassiopoulou, J. Van den Berg,M. Reading , M. Fried, T. Lohner, M. Theodoropoulou, S. Gardelis, M. Barozzi, M. Ghulinyan, A. Lui, L. Vanzetti and A. Picciotto: Preparation and characterization of nanocrystals using ellipsometry and X-ray diffraction, ECS Transactions 25(3), 373, 2009, 2009
P. Petrik, T. Lohner, O. Polgar, M. Fried: Ellipsometric characterization of disorder created by ion-implantation, 17th IEEE International Conference on Advanced Thermal Processing of Semiconductors – RTP 2009, ISBN 978-1-4244-3815-0/09 IEEE, 2009



Back »