master nanoscience and nanotechnology...master nanoscience and nanotechnology the field evaporation...

131
Master Nanoscience and Nanotechnology Thesis Title: The physics of the light‐tip interaction in laser‐assisted Atom Probe Tomography: Shedding some Light on the coupling of a laser with a nano‐tip to atomic scale characterization Promotor: André Vantomme (co‐promotor: Claudia Fleischmann) Faculty/Research Group: Physics, IKS Daily Supervision: Jeroen Scheerder Type of work: Experiments 70% / Theory 30% Number of students:1 Specialisation Option Nanomaterials and nanochemistry Nanoelectronic design Nanodevices and nanophysics x Bionanotechnology Description: The ultimate dream of a metrologist is to determine the species and position of every atom in any given material. This greatly helps in understanding its (functional or even more exotic) properties, such as mechanical strength, electronic conductivity, magnetism or superconductivity. Atom Probe Tomography (APT) emerged as a very promising technique which can deliver a high spatial 3D resolution (down to a few ångström) and an extremely high element sensitivity. Figure: a) Operating principle of (laser‐assisted) Atom Probe Tomography [Vandervorst et al., MSSP 62, 31 (2017)]. b) Left: Scanning electron micrograph of a FinFET transistor shaped into an APT tip. False‐coloured regions indicate the material. Right: APT reconstruction of a SiGe FinFet [Melkoyan et al., Ultramicroscopy 179, 100 (2017)]. In a nutshell, APT is based on the concept of controlled field emission of atoms from a specimen, in combination with mass (hence element) identification by time‐of‐flight, with the aim to determine the original location in the evaporated volume of each evaporated atom (see Figure a). The outcome of such an experiment is a full 3D‐ compositional analysis with sub‐nm resolution (see Figure b).

Upload: others

Post on 27-Jun-2020

22 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: The physics of the light‐tip interaction in laser‐assisted Atom Probe Tomography: Shedding some Light on the coupling of a laser with a nano‐tip to atomic scale characterization 

Promotor: André Vantomme (co‐promotor: Claudia Fleischmann) 

Faculty/Research Group: Physics, IKS 

Daily Supervision: Jeroen Scheerder 

Type of work: Experiments 70% / Theory 30% 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry   

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology   

 

Description:  

The ultimate dream of a metrologist is to determine the species and position of every atom in any given material. 

This greatly helps in understanding its (functional or even more exotic) properties, such as mechanical strength, 

electronic  conductivity, magnetism  or  superconductivity.  Atom  Probe  Tomography  (APT)  emerged  as  a  very 

promising technique which can deliver a high spatial 3D resolution (down to a few ångström) and an extremely 

high element sensitivity. 

 

   

Figure:  a)  Operating  principle  of  (laser‐assisted)  Atom  Probe  Tomography  [Vandervorst  et  al.,  MSSP  62,  31 

(2017)].  b)  Left:  Scanning  electron micrograph  of  a  FinFET  transistor  shaped  into  an  APT  tip.  False‐coloured 

regions indicate the material. Right: APT reconstruction of a SiGe FinFet [Melkoyan et al., Ultramicroscopy 179, 

100 (2017)]. 

In a nutshell, APT is based on the concept of controlled field emission of atoms from a specimen, in combination 

with mass (hence element) identification by time‐of‐flight, with the aim to determine the original location in the 

evaporated volume of each evaporated atom (see Figure a). The outcome of such an experiment is a full 3D‐

compositional analysis with sub‐nm resolution (see Figure b).  

 

Page 2: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms of a tip‐

shaped specimen. A first way to trigger, in a time‐resolved fashion, the atom‐by‐atom evaporation is by voltage 

pulses  (superimposed  on  a  standing  (DC)  voltage).  This  method  however,  is  only  suitable  for  conducting 

specimen.  The  advent  of  laser‐assisted  Atom  Probe  Tomography  (LAPT)  enabled  to  perform  atomic  scale 

characterization  of  poorly  or  non‐conductive  samples  such  as  semiconductors,  ceramics  and  oxides,  which 

opened up the field of APT for e.g. semiconductor and energy storage (battery) technologies. In LAPT, the field 

evaporation is triggered by an ultrashort laser pulse (superimposed on a DC voltage). Notwithstanding the recent 

experimental successes, the physics of LAPT is still poorly understood [Kelly et al., Cur. Opin. Solid State Mater. 

Sci. 18, 81 (2014)] and in practice, the analysis suffers from artefacts, which limit the obtained resolution and 

sensitivity.  

The effect of the laser appears to be mainly a thermal effect. Upon irradiation, the laser energy can be adsorbed 

and thus heats up the APT tip, and as such it thermally assists the field evaporation process. Intriguingly however, 

field evaporation  is  even assisted when  the bandgap of  the material  is  (significantly)  larger  than  the photon 

energy, whereby no  light absorption and subsequent heating should normally occur. A  tentative explanation 

which has been proposed, is that these materials turn metallic close to the tip’s apex under the high applied DC 

voltage  [Silaeva et al., Nano Lett. 16, 6066  (2014)]. Alternatively,  it  has been  shown  that  the  typical APT  tip 

fabrication  techniques  generate  a  nm‐thick  amorphous  shell  which  can  act  as  a  light  adsorbing  layer 

[Bogdanowicz et al., J. Quant. Spectr. Rad. Transf. 146, 175 (2014)]. Today, it is still unclear whether these are 

the only effects which are at play, and to which extent these contribute to the light adsorption. The nanoscale 

dimensions of the APT tips, comparable to the wavelengths of the used laser, also make that localization and 

confinements effects come  into play  [Bogdanowicz et al., Appl. Surf. Sci. 302, 223  (2014)]. Furthermore, our 

group recently demonstrated a novel approach to experimentally determine the APT tip apex temperature at 

the moment of field‐evaporation [Kumar et al., J. Appl. Phys. 124, 245105 (2018)], which can be exploited for 

further unravelling the mechanism underlying LAPT. Finally,  it  is not excluded that,  to some extent, athermal 

effects need to be taken into account [Kelly et al., Cur. Opin. Solid State Mater. Sci. 18, 81 (2014)].  

It is clear that there is an extensive playground to be explored in search of a deeper understanding of the relevant 

processes in LAPT. As such, the candidate can partake in experimental work (tip fabrication, APT analysis...), data‐

analysis (3D reconstruction and analysis...) and possibly physical modelling (theoretical, simulation...). 

 

Page 3: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: The metal‐insulator transition in doped oxides as unraveled by atom probe tomography 

Promotor: André Vantomme (co‐promotor: Claudia Fleischmann) 

Faculty/Research Group: Physics, IKS 

Daily Supervision: Tsung‐Wei Chou 

Type of work: Experiments 80% / Theory 20% 

Number of students: 1 

Specialisation Option  

Nanomaterials and nanochemistry x

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology   

 

Description:  

Doped oxides (e.g. Sn‐doped In‐oxide and Al‐doped ZnO) that exhibit electronic conductivity are essential for 

many applications, e.g. as transparent conductors (TCO) in photovoltaics. The electronic conductivity in TCO’s 

can be tailored by engineering the structural properties at the atomic scale, i.e. composition, chemical binding 

and spatial distribution of dopants. However the atomic‐level tailoring of such materials requires a fundamental 

understanding  of  atomic  mobility/diffusion  during  deposition  and  annealing  necessitating    atomic  scale 

characterization of the elemental distributions. 

 

Atom  probe  tomography  (APT)  is  based  on  controlled  field  emission  of  atoms  from  a  specimen  which  in 

combination with mass identification by time‐of‐flight leads to a full 3D‐compositional analysis of the sample. 

The 3D‐imaging capabilities of APT arise from the combined interaction of a very high electric field (> 50‐100 

eV/nm)  and  a  fs  laser  pulse  with  a  tip‐shaped  (radius  50‐100  nm)  specimen  to  ionize  surface  atoms  and 

subsequently field‐evaporate them one by one. By measuring both the mass and position of the emitted atoms, 

a 3D image (> 106 magnification) of the material can be reconstructed with near‐atomic (~0.2‐0.3 nm) spatial 

resolution. This capability led to its widespread use across different application fields (See figure).  

 

Page 4: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Within this project we intend to establish the fundamental insight between atom location and composition (as 

provided by APT) and  the electronic properties of oxides as well as exploit  them to unravel  the mechanisms 

underlying the APT processes and in particular the laser‐nanotip interaction (light absorption efficiency, induced 

temperature, temporal temperature profile...).  

For that purpose we will focus on the various phases of vanadium oxide which display a sudden and reversible 

metal‐insulator transition (MIT) transition, be it at different transition temperatures (e.g. V8O15 (70K), VO (126K), 

V5O9 (135K), V6O13 (150K), V2O3 (165K), V6O11(177K), V4O7 (250K) and VO2 (340K) .  In general, upon heating, the 

MIT causes a dramatic  increase in the electrical conductivity, which for  instance in APT can be observed as a 

change  in  evaporation  probability.  This  will  be  a  (time  resolved)  indicator  for  the  local  temperature  at  the 

moment of evaporation. Such  in  situ observation of  the  laser  induced  temperature effects  (absorption, heat 

propagation  in a nanoscale object) and  its  link  to  the process of atom evaporation  forms the essence of  the 

scientific investigations in this process.  

 

As a master student, you will become a full member of the nuclear solid state physics group. You will perform 

experimental work in the lab, analyze the data and interpret the results and participate in group discussions. 

The samples will be grown in collaboration with the University of Gent, whereas APT characterization will be 

performed in the KU Leuven NanoCentre. 

 

Page 5: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: A SIMPLE approach to multiplexed drug monitoring for rheumatoid arthritis 

Promotor: Prof. Jeroen Lammertyn.  Co‐promotor: Dragana Spasic 

Faculty/Research Group: Master Nano 

Daily Supervision: Henry Ordutowski 

Type of work: Experimental 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry   

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics   

Bionanotechnology  X 

 

Description:  

The use of so called point of care (POC) tests has huge potential to change healthcare in both developing and developed countries as it integrates sample processing, fluid handling, signal amplification and detection into a single diagnostic tool. A promising technology that can meet many of these criteria is lab-on-a-chip (LOC). However, LOC devices often require bulky and costly external pumping equipment, thus not entirely fulfilling the POC requirements. To deal with this problem, over the years number of self-powered microfluidic approaches have been described, including paper-based microfluidics, such as lateral flow devices (LFD). Despite the fact that some of these devices did reach the market in the form of commercial POC tests, there are still numerous drawbacks. One of them is their limited potential to support complex bioassays, including multiplexing (i.e. bioassays for detecting more than one target on the same device in the same sample).

To address this challenge, in our group we have recently developed a completely innovative iSIMPLE concept (infusion Self-powered Imbibing Microfluidic Pump by Liquid Encapsulation), starting from the previously published SIMPLE technology. Both pumps require no external power-supply for their activation or liquid manipulation through microfluidic channels and can be activated by a single fingertip press. Moreover, the (i)SIMPLE technology is robust and extremely simple to fabricate/use. Most importantly, combination of both pumps on one device enables endless combinations of liquid manipulations and can be used for implementation of multistep bioassays, such as ELISA.

The main goal of this thesis is to develop a strategy for implementing multiplex ELISA on the (i)SIMPLE device. To do this, different bioreceptors will be printed (through low-cost inkjet printing or more advanced microcontact printing techniques) in the form of neighboring spots, while maintaining enough distance to prevent cross-reactivity. As a model system, we will implement antibodies against drugs used for treating patients suffering from rheumatoid artritis. chronic inflammatory disease (e.g. ulcerative colitis and Crohn’s disease, rheumatoid arthritis, psoriasis and ankylosing spondylitis. This application case has been selected as patients suffering from arthritis require frequent quantification of their drug levels (known as therapeutic drug monitoring). Obtaining a POC device for this application would allow fast and direct adjustment of sub-optimal drug concentrations, increasing the effectiveness of the drug.

Page 6: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

In this project, the student will work on three aspects: (1) design and production of (i)SIMPLE chips capable of performing multiplex ELISA (2) investigation of a most appropriate bioreceptor deposition approach in the (i)SIMPLE (3) implementation of multiplex ELISA for rheumatoid arthritis on the (i)SIMPLE.

 

http:// www.biosensors.be 

Page 7: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Development of a single‐molecule detection platform using DNA nanotechnology 

Promotor: Prof. Jeroen Lammertyn     Co‐promotor: Dr. Devin Daems 

Faculty/Research Group: Master Nano 

Daily Supervision: Iene Rutten 

Type of work: Experimental 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry   

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics   

Bionanotechnology  x 

 

Description:  

Early-stage detection is crucial for the effective treatment or prevention of many diseases such as cancer, neurological disorders or infectious diseases. In this stage of the disease typically only a limited amount of the associated biomarker is present. The low abundance of this biomarker in the typically limited sample volume makes the ability to detect extremely low concentrations of biomolecules indispensable for improving diagnostics. Not only could early-stage detection significantly improve the patient’s quality of life, it would reduce the medical and non-medical costs associated with healthcare as well.

Conventionally, the detection of biomarkers is performed in bulk. However, digital bioassays, such as digital ELISA and digital PCR, have recently emerged in order to meet the desire to improve the sensitivity. Recently, an innovative, non-cleanroom technique was developed by Prof. Gopinath and coworkers to construct a nano-array of DNA origami on microscopy glass slides. DNA origami uses the folding of a long scaffold strand (ssDNA) in arbitrary 2D and 3D structures with nanometer precision, by hybridization with hundreds of short staple strands (ssDNA).

By combining DNA nanotechnology with bioreceptors and signal amplification techniques, robust and price efficient digital DNA only bioassays can be developed. The first choice of bioreceptors will be DNA aptamers. Aptamers are short, single-stranded oligonucleotides (DNA or RNA), selected in vitro, towards specific target molecules. To convert the binding of a target to an aptamer into a detectable output, signal amplification strategies such as HCR can be used. They are able to link target binding to a specific, detectable output, omitting the need for multistep processes in micro-reaction chambers.

In the context of this thesis, the overall objective is to develop a single-molecule detection platform in which thrombin will be used as a model target. To reach this goal, the following tasks will be realized: (i) Developing a nano-array of DNA origami, patterned with aptamers, (ii) implementation of an aptamer-based sandwich assay to develop a thrombin specific bioassay, (iii) integration of the HCR reaction to reach single-molecule detection limits and (iv) integration of the developed single-molecule detection platform into an automated microfluidic chip to reduce handling steps. www.biosensors.be

 

Page 8: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Page 9: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Functionalizing graphene with nanoclusters for spintronics 

Promotor: Prof. Joris Van de Vondel and co‐promoter Prof. Ewald Janssens 

Faculty/Research Group: Faculty of Science / Solid State Physics and Magnetism Section 

Daily Supervision: W. Keijers 

Type of work: Experimental 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry   

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology   

 

Description: An electron carries a charge of magnitude e. In well‐established electronics applications one employs this charge to manipulate electrons. Electrons also have a second fundamental property, namely their spin. In the developing field of spintronics researchers aim to manipulate electrons based on both their spin and their charge. 

Graphene is a two‐dimensional material (TDM), which consists of a single layer of carbon atoms and has multiple remarkable properties, some of which are very interesting for spintronics [1]. In particular, opposed to most other materials, electrons inside graphene can propagate a relatively long distance without being scattered. Moreover, graphene is an ultimately flat system which is very susceptible to its  surroundings.  It  has  been  shown  that  the  (mechanical,  electronics,  spintronic...)  properties  of graphene  are  significantly  altered  when  coming  into  contact  with  for  instance  molecules, nanoparticles, and other TDM’s [2]. This allows to (proximity‐) induce desirable properties in graphene (‘functionalization’) on the one hand, and employ graphene as a sensor on the other. 

In  this master  thesis  we  aim  to  decorate  graphene with size‐selected, few‐atom, gold and cobalt atomic clusters.  These  nanoparticles  exhibit  non‐trivial changes  in  their  physico‐chemical  properties,  even when adding a single atom to the cluster. The clusters will be produced by a magnetron sputter source and size‐selected by a quadrupole mass filter. The clusters are  then  soft‐landed  on  the  graphene  devices  (see figure) and the effect of the cluster adsorption on the properties of the device will be monitored in situ [4].  

This challenging experiment will allow us to combine these  fascinating  low‐dimensional  systems,  and carefully  tune  (e.g.  in  function  of  cluster  size)  the (spin)transport properties of the device.  

 

[1] W. Han et al, Nature Nanotech. 9, 794 (2014) 

[2] F. Schedin et al, Nature Mat. 6, 652 (2007)  or  A.K. Geim et al, Nature 499, 419 (2015) 

[3] J.E. Scheerder et al, Nanoscale 9, 10494 (2017)   

 

Figure:  sketch  of  the  (nano)device  that  will  be 

fabricated and studied in this thesis work. A single 

layer  of  graphene  is  decorated  with  size‐selected 

atomic clusters. 

Page 10: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Methanol formation on zinc doped copper clusters 

Promoter: Prof. Ewald Janssens  

Faculty/Research Group: Faculty of Science / Solid State Physics and Magnetism Section 

Daily Supervision: Guillaume Libeert 

Type of work: experimental 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry  X 

Nanoelectronice design   

Nanodevices and nanophysics  X 

Bionanotechnology 

 

Description:  

Methanol (CH3OH) is an important renewable fuel. It can be used to create a circular energy economy, 

called the methanol economy, which is schematically depicted in figure 1. In the methanol economy, 

CO2 is captured from the atmosphere and renewable energy is used to split water in hydrogen and 

oxygen. Subsequently, methanol is formed by the hydrogenation of CO2:  

      CO H → CH OH H O 50kJ/mol        (1)     

Upon combustion  in the engines of vehicles, methanol reacts with oxygen to form again water and 

CO2. In this way, the loop is closed, and no excessive waste products are formed.  

Currently,  the  methanol  is  produced  on  an 

industrial  scale  by  catalyzing  the  methanol 

formation  reaction  (reaction 1) with  a  catalyst 

that  consists  of  copper  and  zinc  oxide 

nanoparticles.  This  process  occurs  at  elevated 

pressures  and  temperatures,  making  the 

methanol formation process expensive. A more 

performant  catalyst  could  lower  this  cost,  but 

unfortunately,  the  active  sites  of  the  catalyst 

and  the  reaction  mechanism  are  not  well 

understood.  As  a  result,  it  is  unclear  how  the 

process can be improved. 

In  this  thesis  work,  the  active  sites  and  reaction 

mechanisms  of  the  copper‐zinc  catalyst  will  be 

investigated by using size‐selected ZnxCu1‐x clusters 

of a small number of atoms as model systems for the active sites. These clusters will be produced by 

the magnetron sputtering set‐up and will be soft‐landed on graphene and silica substrates. The silica 

samples with deposited clusters will be placed in a Temperature Programmed Desorption (TPD) set‐

Figure 1: Schematic depiction of the 

methanol economy 

Page 11: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

up, where the samples will be exposed to H2 and CO2 gas. By gradually increasing the temperature and 

by analyzing the desorbing molecules with a quadrupole mass spectrometer, the height of the reaction 

barriers and the intermediate steps in the reaction of H2 and CO2 to CH3OH can be estimated. For the 

graphene samples with the deposited clusters, the change in resistivity will be measured. This will give 

information on the charge transfer of the clusters to the adsorbed H2 and CO2 molecules. 

As a master student, you will be a member of the research team. You will produce atomic clusters, 

deposit  them on substrates, perform the resistance and TPD measurements, analyze the data, and 

discuss and interpret the results with other group members. 

 

 

 

Page 12: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Non‐linear optical properties of clusters and nanoparticles 

Promotor: Prof. Ewald Janssens and copromoter Prof. Peter Lievens   

Faculty/Research Group: Faculty of Science/Clusters and Laser Spectroscopy Group 

Daily Supervision: Dr. Zhicheng Su   

Type of work: experimental 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry   

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics  X 

Bionanotechnology   

 

Description:  

At the nanoscale, properties of matter differ radically from those of the bulk phase. A key feature to understand this difference is the electronic structure. For example, nanoparticles (~2‐100 nm) support the  collective  oscillation  of  their  valence  electrons,  or  plasmons,  which  strongly  enhance  optical absorption at the resonance frequency.1 In clusters (< 2 nm), objects composed of a countable number of  atoms,  quantum  confinement  becomes  dominant  and  absorption  bands  break‐up  in  discrete absorption  lines.2  When  matter  interacts  with  strong  light  sources,  such  as  lasers,  non‐linear phenomena arise. Because of the unique electronic structures of clusters and nanoparticles, their non‐linear  response  is even more  interesting, and strongly depends on  their  size and composition. This makes them very attractive for a wide range of novel applications including as optical limiting to protect eyes and delicate devices, shaping of optical pulses, and  laser  induced transparency.3 Clusters have also been used in nonlinear optical microscopy imaging of cancer cells.4 To fully exploit their tuning possibilities for practical applications, a profound understanding of the influence of size, composition and electronic structure on the non‐linear response of matter at the nanoscale is required.     

Figure 1: (a) Scheme of the z-scan technique. (b) Gaussian beam. (c) Z-scan curve of 17 nm silver nanoparticles embedded in a glass host excitated by 480 nm laser light.4

Page 13: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

In this thesis work, you will  investigate the non‐linear optical response of nanoclusters as a function  of  size  and  composition.  The  ligand  protected  nanoclusters  will  be  studied  in solutions. Their non‐linear optical properties will be characterized by the z‐scan technique, schematically presented in Figure 1a. Using a powerful and tunable light source, changes in light transmission are measured when a sample is moved along a Gaussian laser beam (Figure 1b).  Based  on  transmission  changes  induced  by  the  intense  laser  source  (Figure  1c),  the mechanisms responsible for the non‐linear optical absorption can be identified.5  

As a master student, you will be a member of our research group. You will prepare samples, perform laser spectroscopy, analyze data, carry out simulations, and discuss and interpret the results with group members. 

1.  S. Link et al. J. Phys. Chem. B 103 (1999) 8410. 2.  S. Lecoultre et al. J. Chem. Phys. 134 (2011) 184504. 3.  N. Liaros et al. Laser Photonics Rev. 11 (2017) 1700106. 4.  L. Polavarapu et al. Nanoscale 3 (2011) 429. 5.  P. Ferrari et al. J. Phys. Chem. C 121 (2017) 27580. 

 

 

Page 14: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: STM study of the electronic properties of adsorbates on graphene 

Promoter: Prof. Chris Van Haesendonck and co‐promoter Prof. Ewald Janssens 

Faculty/Research Group: Faculty of Science / Solid State Physics and Magnetism Section 

Daily Supervision: Aleksandr Seliverstov 

Type of work: experimental 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry  X 

Nanoelectronice design   

Nanodevices and nanophysics  X 

Bionanotechnology   

 

Description: 

In  this  project  you  will  focus  on  the  in  situ  growth  and  characterization  of  various 

nanoporous molecular networks on single‐layer graphene surfaces. The molecular networks 

can be used as templates to grow highly organized assemblies of magnetic nanoparticles via 

deposition of transition metal atoms on the networks. The interaction of the molecules and 

nanoparticles with the graphene will modify the graphene’s electronic properties, which is a 

topic of great interest in spintronics and for biomedical applications. Irradiation with light of 

different wavelengths can allow to  tune  the size of  the pores  in  the network and can give 

rise  to  light‐induced  polymerization  of  the  molecular  networks  that  can  strengthen  the 

networks. 

The  morphology  and  electronic  properties,  including  in  particular  the  influence  of  the 

adsorbates, can be investigated with atomic resolution using scanning tunneling microscopy 

and  spectroscopy measurements. All  sample preparation and  investigation will  be done  in 

controlled ultra‐high vacuum in order to avoid the influence of unwanted contamination on 

the experimental results. 

 

 

 

 

 

 

Page 15: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

 

 

 

 

Figure: Left: High‐resolution STM image of the honeycomb atomic lattice of a graphene film 

grown  on  copper.  Right:  STM  image  of  of  a  network  of  tetrapyridyl‐porphyrin  (TPyP) 

molecules on Ag(111) after exposure to a Co and Cr atom beam. The porhyrin macrocycle can 

capture  exactly  one  atom.  Cr‐TPyP  is  found  to  be magnetic  at  low  temperature, while  Co‐

TPyP appears non‐magnetic. 

 

Page 16: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Development of a novel method for growth of two‐dimensional materials based on ion implantation 

Promotor: Prof. Lino Pereira; Dr. Harsh Bana (co‐promoter) 

Faculty/Research Group: Faculty of Science, Institute for Nuclear and Radiation Physics 

Daily Supervision: Pin‐Cheng Lin 

Type of work: Experimental 

Number of students: 2 

Specialisation Option  

Nanomaterials and nanochemistry x

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  x

Bionanotechnology  

Description:  

Two‐dimensional (2D) transition metal dichalcogenides (TMDCs), and in particular semiconducting single layer (SL) MoS2, have attracted tremendous interest in recent past. As an analogue to graphene, but with a sizeable band gap and unique layer dependent properties, it has potential applications in next generation electronics. In particular, the lack of inversion symmetry in the trigonal prismatic structure of SL MoS2 lifts the spin degeneracy at the K and ‐K valleys that provides the opportunity to exploit coupled spin and valley degrees  of  freedom,  thus  opening  the  possibility  of  conceptualizing  novel  spintronic  and  valleytronic devices. In addition to this, the growth of large area and high quality MoS2 samples with an optimal layer control  is  imperative for the utilization of  its potential  in device assembly. Different approaches used to either isolate or grow 2D MoS2 have resulted in varying quality and limited reproducibility. Even the most commonly  used  technique  ‐  chemical  vapor  deposition  (CVD)  ‐  results  in  inhomogeneous mixtures  of polycrystalline single and multilayer domains. Recently, physical vapor deposition (PVD) was employed to synthesize high‐quality SL MoS2 with an unprecedented crystallinity [1], although at a cost of very low growth rate and requirement of special single crystal Au (111) substrate. In this project, you will develop a novel method for  large‐scale synthesis of 2D layers of MoS2 which, unlike existing approaches  (chemical and physical  deposition),  is  based  on  ion  implantation.  Ion  implantation  has  the  potential  advantages  of allowing  to  control  the  (uniform)  coverage  and  number  of  layers,  while  being  an  industry‐compatible 

technique.  Mo+ and S+ ions will be implanted  into metal  thin  films grown  by molecular  beam epitaxy (MBE). The growth  of  the metal  films  and the  formation  of 

the 2D layers (upon ion implantation and thermal annealing) will be studied using complementary surface techniques: low energy electron diffraction (LEED), x‐ray photoelectron spectroscopy (XPS), x‐ray diffraction (XRD),  and  scanning  tunneling microscopy  (STM).  You  will  also  have  the  opportunity  to  participate  in experimental campaigns in international synchrotron radiation facilities.  

[1] H. Bana et al., 2D Materials 5, 035012 (2018) 

Page 17: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Tuning the structural, electronic and magnetic properties of 2D materials using ultra‐low energy ion implantation 

Promotor: Prof. Lino Pereira; Dr. Renan Villarreal (co‐promoter) 

Faculty/Research Group: Faculty of Science, Institute for Nuclear and Radiation Physics 

Daily Supervision: Pin‐Cheng Lin 

Type of work: Experimental 

Number of students: 2 

Specialisation Option  

Nanomaterials and nanochemistry x

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology    

Description:  

The discovery of graphene opened the possibility to experimentally investigate the physics of two‐dimensional (2D) quantum matter. As this new research field continues to grow, many fundamental  questions  remain  unanswered  and  many  challenges  towards  technological application await creative solutions.  This project deals with understanding how the structural, electronic and magnetic properties of 2D materials (e.g. graphene, MoS2, or h‐BN) are modified (or new properties induced) by incorporating  foreign  elements  (e.g.  noble  gases  for  structural modification  and  transition metals for electronic/magnetic functionalization). These foreign elements will be introduced using ultra‐low energy (ULE) ion implantation (at energies of the order of tens of eV instead of keV as  for conventional  ion  implantation). Our ongoing experiments show,  for example, formation of nanobubbles (for implanted noble gases such as Ar and Ne) and of intercalated metal islands between graphene and the substrate (transition metals). You will use scanning tunneling microscopy (STM) and spectroscopy (STS) in ultra‐high vacuum (UHV), as well as a wide  range  of  complementary  surface  characterization  (e.g.  x‐ray  photoelectron spectroscopy). You will also have the opportunity to participate in experimental campaigns in international synchrotron radiation facilities.  

(Left)  Representation  of  the  three  forms  of  incorporation  of  dopant  atoms  (red)  in  a  2D material (gray) on a substrate (orange). (Center) Small‐scale atom‐resolved STM topography of Ne nanobubble exhibiting the graphene lattice and the Moiré superstructure. (Right) Large‐scale STM topography of Mn intercalated graphene exhibiting islands. 

Page 18: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: In‐situ catalytic imaging at the nanoscale of industrial catalysts 

Promotor: Maarten Roeffaers 

Faculty/Research Group: Bioscience engineering – Roeffaers lab (www.roeffaers‐lab.org)  

Daily Supervision: dr. Alexey Kubarev 

Type of work: Experimental, technique development 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry  X 

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics   

Bionanotechnology   

Description:  

Heterogeneous catalysts play an important role in the development of modern sustainable chemical 

industry.  In  particular,  the  large  and  heavily  used  in  industrial  processes,  family  of  heterogeneous 

catalysts are zeolite catalysts. The solid crystalline porous aluminosilicate materials have a complex 

structure with  locally  varying  physical  and  chemical  properties,  which  are  believed  to  cause  local 

variations in catalytic activity and selectivity. As the development of novel zeolite catalysts is becoming 

more and more complex, it becomes increasingly difficult to determine the contribution of every single 

parameter to the overall catalytic performance.  

Recently, the introduction of fluorescence microscopy in catalysis research, pioneered at KU Leuven, 

has  allowed  to detect normally elusive  variations  in  catalytic properties between  individual  zeolite 

catalyst particles and within them. Such information is uniquely suited as input for the rational catalyst 

optimization. Current research has covered resolving catalyst performance at the nanoscale in 2D since 

the  axial  (z‐)  resolution  remained  limited  to  the  submicron  scale.  While  limited,  3D  imaging  by 

consecutive imaging at the different focal depths (optical slicing) is still possible, many industrial zeolite 

catalysts  consist  of  smaller  nano‐sized  crystals.  Furthermore,  consecutive  optical  slicing  is  mostly 

applicable to  image static systems and this approach is not able to reliably study dynamic systems, 

such  as  catalytic  reactions  happening  inside  the  pores.  Other  limitation  which  current  research 

approaches have is that they allow for catalytic imaging only at the room temperature and atmospheric 

pressure. 

The aim of this project is to adapt and apply a novel 3D multi‐plane fluorescence microscopy approach 

to  study  acid  zeolite  catalysts  under  representative  conditions  (temperature  and  pressure).  It  will 

enable analyzing the number and the strength of the acid sites and their reactivity. 

In the course of this master thesis project you will master both fluorescence microscopy localization 

techniques and catalytic reactions. For that you will identify the model catalytic systems based on acid 

zeolites,  which  are  most  suitable  for  the  testing  and  adaptation  of  3D  multi‐plane  fluorescence 

microscopy approach. Then you will approach the adaptations which are needed to suit the specific of 

Page 19: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

catalytic systems in the comparison to the biological systems for which 3D multi‐plane fluorescence 

microscopy  was  developed.  At  the  same  time,  you  will  develop  a  dedicated  high  temperature 

measurement cell enabling to work at temperature as high as 400°C and under pressure of several 

bars. As an outcome of this research, the adapted 3D multi‐plane fluorescence microscopy system will 

become a ready tool to add to a catalytic science toolbox of the researchers worldwide. 

This research is going to be performed on the basis of the research group of Prof. Maarten Roeffaers 

(Centre for Surface Chemistry and Catalysis) and in a close collaboration with in collaboration with the 

IFPEn  (Lyon,  France) and  the  laboratory of Molecular  Imaging and Photonics  (Prof.  Johan Hofkens, 

Department of Chemistry). Due to the multidisciplinary nature of this project, you will be working in 

the  constant  contact  with  both  catalysis  and  spectroscopy  experts.  Besides  wet‐lab  chemical 

experience (nanoparticle synthesis, catalytic performance testing) you will also get hands‐on training 

on state‐of‐the‐art equipment for the characterization of these materials.  

For  more  information  about  the  project  please  contact  [email protected]  or 

[email protected]  

 

Page 20: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Photodeposition of allotropic silver nanocatalysts 

Promotor: Maarten Roeffaers – Alexey Kubarev 

Faculty/Research Group: Bioscience Engineering – Roeffaers lab (www.roeffaers‐lab.org)  

Daily Supervision: Michaël Gebruers 

Type of work: Experimental, catalyst development 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry  X 

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics   

Bionanotechnology   

Description:  

Platinum and palladium are widely used as catalysts  in chemical  industry and automotive catalysts. 

However,  they are rare and expensive, motivating a strong desire to find alternatives. Silver, being 

cheaper and far more abundant, has been in the focus of catalytic research for some time, but has only 

found  success  in  a  handful  of  industrial  chemical  processes.  Recently,  however,  researchers  have 

developed silver nanoparticles with a novel type of crystalline structure which is vastly different to its 

typical structure. The physical properties of these new silver nanoparticles are not yet understood, 

though  promise  for  enhanced  catalytic  performance  and  enhanced  photonic  properties  can  be 

expected  based  on  recent  theoretical  work  and  a  comparison  to  other  non‐typical  noble  metal 

nanoparticles. The aim of this project is to develop and optimize the photodeposition of these silver 

nanocatalysts on oxidic support and evaluate their catalytic performance.  

In  this project  you will  develop  innovative photodeposition procedures  to  grow pure allotropic Ag 

nanocrystals.  As  properties  of  nanocrystals  strongly  vary  with  size,  shape,  crystal  phase,  support 

material, you will then optimize these synthesis protocols for the controlled production of allotropic 

Ag nanocrystals of desired properties. 

To assist rational optimization of the synthetic procedures you will perform thorough characterization 

of the obtained materials. You will be trained to use state‐of‐the‐art catalyst characterization tools 

(SEM, XRD, Raman, and others).  

Finally, within the context of potential  industrial‐level applications, you will use these allotropic Ag 

nanocrystals for selective catalytic conversions. You will explore and exploit the unique properties of 

the noble metal allotropes to generate improved selective hydrogenation catalysts. 

This master thesis  is going to be performed  in a  framework of the  larger research project, which  is 

targeting  to  develop  novel  catalysts  based  on  the  allotropic  metal  nanoparticle  materials.  These 

catalysts  are  going  to  be  tested  in  the  wide  range  of  hydrogenation  reactions. We  will  test  α,β‐

unsaturated  aldehydes  with  several  degrees  of  complexity  and  levels  of  difficulty  towards 

hydrogenation.  The  unsaturated  alcohol  products  of  cinnamaldehyde  and  citral  are  used  as  raw 

Page 21: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

material in the pharmaceutical and fragrance industry; the cardiovascular drug cinnarizine is derived 

from cinnamyl alcohol, while nerol and geraniol derived from citral are useful for the production of 

perfumes and food flavours. 

This research is going to be performed on the basis of the research group of Prof. Maarten Roeffaers 

(Centre  for  Surface  Chemistry  and  Catalysis)  and  in  a  close  collaboration  with  the  laboratory  of 

Molecular  Imaging  and  Photonics  (Prof.  Johan  Hofkens,  Department  of  Chemistry).  Due  to  the 

multidisciplinary nature of this project, you will be working  in close contact with both catalysis and 

spectroscopy  experts.  Besides  wet‐lab  chemical  experience  (nanoparticle  synthesis,  catalytic 

performance  testing)  you  will  also  get  hands‐on  training  on  state‐of‐the‐art  equipment  for  the 

characterization of these materials.  

For  more  information  about  the  project  please  contact  [email protected]  or 

[email protected] 

Page 22: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Rational synthesis of acid zeolite catalysts for methanol‐to‐olefin reactions 

Promotor: Maarten Roeffaers 

Faculty/Research Group: Bioscience engineering – Roeffaers lab (www.roeffaers‐lab.org)  

Daily Supervision: Guillaume Fleury 

Type of work: Laboratory (synthesis, imaging, characterization) – Data analysis 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry  x 

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics   

Bionanotechnology   

 

Description:  

The petrochemical industry heavily relies on the use of efficient shape‐selective catalysts such 

as  the strongly acidic H‐ZSM‐5 zeolite with well‐defined molecular‐sized micropores. These 

acid zeolites catalysts are involved in many industrial processes, among which the methanol‐

to‐olefin  (MTO)  process.  The  MTO  process  is  one  the  most  important  reactions  in  C1 

chemistry, that provides a chance for producing basic petrochemicals from non‐oil resources 

such as  sequestered  carbon dioxide. However,  the  acid  zeolites  that  can be used  for  such 

processes  cannot  be  synthesized  directly  and  require  supplementary  post‐synthetic 

modifications to fine‐tune the material properties. 

This project aims at investigating the influence of selected post‐synthetic modifications of H‐

ZSM‐5 on its performance in the MTO process and the deactivation induced by the formation 

of large carbonaceous compounds (coke). Examples of post‐synthetic modifications of interest 

are (i) the introduction of mesopores which enhance the intraparticular diffusion and limit the 

deactivation by coke formation, (ii) the introduction of metal ions such as zinc that allows to 

fine‐tune acidic properties and thus selectivity, and  (iii) phosphatation which  increases  the 

stability of ZSM‐5 and reaction selectivity towards light olefins.  

To  this  end,  we  propose  an  original  multiscale  approach  which  combines  bench  scale 

characterization  and  advanced  microscopic  imaging.  On  one  hand,  the  average 

physicochemical  and  reactivity properties of  the catalysts will  be extensively  characterized 

using conventional techniques such as N2 physisorption, XRPD, FTIR and catalytic tests in flow 

reactor. On  the  other  hand,  vibrational  and  fluorescence  imaging methodologies  uniquely 

available  in  Leuven will be use  to gain  insights  into  key  information  (acid  site distribution, 

molecular transport and reactivity) at the single crystal level. The correlation of information 

Page 23: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

obtained at different scales will allow to deepen the understanding of the influence of post‐

synthetic modifications on the properties of H‐ZSM‐5‐based catalysts. These new insights will 

then be used to optimize the performances of H‐ZSM‐5 in the MTO process. 

For more information: [email protected] 

Page 24: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Sunny days for perovskite photocatalysis 

Promotor: Maarten Roeffaers 

Faculty/Research Group: Bioscience Engineering – Roeffaers lab (www.roeffaers‐lab.org)  

Daily Supervision: Haowei Huang 

Type of work: Lab work 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry  x 

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics   

Bionanotechnology   

 

Description:  

The  solar  fuel  generation  by  photocatalytic  water  splitting  or  CO2  reduction  has  been spotlighted  recently  for  producing  renewable  clean  energy  alleviating  our  dependence  on fossil fuels. Organic‐inorganic halide perovskites have emerged as a new class of revolutionary optoelectronic  semiconductors promising  for photocatalytic applications as  they efficiently absorb visible light and convert this energy in charge carriers that can be used for oxidation and reduction reactions. A real concern however is their (long term) stability in the presence of water. Nam et al. overcame this problem by using an oversaturated aqueous HI solution. At the same time perovskite quantum dots have been applied in the photocatalytic reduction of CO2 in the presence of trace amounts of water. Here in Leuven, we have pioneered a different route of employing the intrinsic photocatalytic properties of perovskite materials. We have focused on performing challenging chemical reactions such as the selective photo‐oxidation of  alcohols  to  carbonyl  compounds  as  well  as  selective  C‐H  activation  and  conversion  to alcohols  and  aldehydes.  In  these  organic  reactions  the  negative  effect  of  water  on  the perovskite  is  excluded.  In  all  of  these  processes  the  absolute  performance  of  the  pure perovskite photocatalyst can further be improved.  During  this  master  thesis  you  will  be  involved  in  the  synthesis  of  improved  perovskite photocatalysts. A first essential step is the addition of matching semiconductor materials such as  TiO2,  SnO2 and NiO  that  efficiently  extract  the  energetic  photogenerated  electrons  and holes from the perovskite and transfer them into the chemical conversion. In a next step the generation of photonic crystals based on this design will be explored. Photonic crystals, have a well ordered periodic structure at the nanoscale. This not only enlarges the surface area and hence contact with the chemicals, it also increases the solar light absorption efficiency. These materials will be tested for their performance in challenging organic reactions as well as for solar fuel generation from water and CO2.  Skill set that will be developed during the project: 

Page 25: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

1. Synthesis of perovskite materials and photonic crystals. 2. Detailed structural and compositional characterization (XRD, SEM, optical microscopy, UV‐

Vis spectroscopy, Raman,…). 3. Photocatalytic activity testing. 4. Broaden general knowledge on photocatalysis and sustainable chemical processes.  For more information: [email protected]   

Page 26: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Development of diagnostic tools for air‐pollution in human biopsies 

Promoter: Prof. Maarten Roeffaers 

Faculty/Research Group:  Bioscience engineering – Roeffaers lab (www.roeffaers‐lab.org)  

Daily Supervision: Imran Aslam & Hannelore Bové  

Type of work: Literature study, laboratory work, Data analysis 

Number of students:  

 

 

 

 

Description:  

Societal  awareness  related  to  climate  and environmental  pollution has undeniably peaked 

recently. Despite the irrefutable utility of the automobile and the energy sectors in industry, 

an increase in environmental pollution is observed as a detrimental consequence. Air pollution 

has a huge impact on our health and the global warming of our planet, which annually costs 

the global economy more than 4 trillion euros and leads to a staggering amount of premature 

deaths. In its most recognizable form, air pollution occurs as black smoke consisting of nano‐ 

and micro‐sized soot or black carbon (BC) particles resulting from the incomplete combustion 

of fuels.  In addition to direct  intake via breathing, BC also makes its way to soil and water, 

enhancing  the probability of human‐BC  interaction. The behaviour of particles  in air varies 

from  those  in  aqueous  environment,  wherein  aggregation  is  observable,  which  possibly 

modifies  their  properties.  To  investigate  the  impact  of  BC  there  is  need  for  experimental 

methods that enable direct detection of those particles in relevant samples. 

 

Recently, detection of carbon black particles using pulsed laser illumination without the need 

of  adding  any  (fluorescent)  labels  has  been  discovered by  our  group  in  collaboration with 

UHasselt.  Further  investigations  of  black  carbon  using  optical  characterization  techniques 

could be a key step to measure the exposure to air pollution for individual persons.  

 

In this project, particular attention would be given to development of a device that enable the 

automated detection of BC in (liquid) human biopsies such as urine and blood. The student 

will be trained in optics and in different microscopy and spectroscopy techniques. This project 

will provide an opportunity to work in a team with stimulating research environment on the 

forefront of optical characterization. 

 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry  X 

Nanoelectronice design   

Nanodevices and nanophysics   

Bionanotechnology  X 

Page 27: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Interested or looking for more information? Do not hesitate to contact 

[email protected] 

Page 28: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Solar fuel generation using perovskite oxide based photocatalysts 

Promotor: Maarten Roeffaers 

Faculty/Research Group: Bioscience engineering – Roeffaers lab (www.roeffaers‐lab.org)  

Daily Supervision: Lexie Cheng 

Type of work: Lab work 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry 

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics   

Bionanotechnology   

 

Description:  

The widespread use of the freely available solar energy is a plausible answer to the strongly increasing 

energy demands. Chemical fuels (H2, CH4, CH3OH, etc.) generated by photocatalytic water splitting or 

CO2 reduction, have emerged as a steppingstone for the production of alternative fuels. 

Complex oxides, rather than the widely used oxides such as ZnO and TiO2, have recently attracted a lot 

of  research  attention  because  of  their  tunable  physical  and  chemical  properties.  Among  them, 

perovskite oxides of general formula ABO3 have been exploited as photocatalysts for water splitting 

reactions,  CO2  reduction  and  the  photo‐degradation  of  organic  pollutants  in  wastewater  and  in 

gaseous phase.  

Typical perovskite oxides have a flexible composition and cubic crystal structure, where the larger A‐

site cations occupying the corners of the cube and the smaller B‐site cations located at the center of 

the cube and octahedrally coordinated by the face‐centered oxygen atoms. Both alkali metals (Li, Na, 

K, etc.) and alkaline‐earth metals (Mg, Ca, Ba, etc.) can occupy the A‐sites, whereas the B‐site can host 

a wide  range of  transition metals  (Ti, Nb, Fe, etc.). Such perovskite oxides are good candidates  for 

doping and morphology control.  

The  main  goal  of  this  thesis  project  is  to  generate  and  characterize  Ti‐based  perovskite  oxide 

composites for photocatalytic generation of renewable fuels from CO2 and H2O. Composites will be 

obtained by functionalizing perovskite oxides with various types of semiconductors, in order to further 

improve its photocatalytic performance, keeping an eye on the stability and production costs. 

The project  comprises  a  two month  stay  at CIDETEQ  (Mexico), working with Dr.  Eduardo Coutino, 

where  you  will  develop  synthetic  protocols  and  conduct  preliminary  characterization  tests  by 

electrochemical techniques, XRD, SEM/EDS, XPS, among others. In Leuven, you will get in touch with 

fancy microscopy techniques and have the opportunity to perform SEM tests by yourself. You will also 

learn  the  basic  sample  characterization  techniques  including  XRD,  UV‐Vis  spectroscopy, 

Page 29: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Synthesis of polymorphic gold nanoparticles for improved hydrogenation catalysis 

Promotor: Maarten Roeffaers & Alexey Kubarev 

Faculty/Research Group: Bioscience Engineering – Roeffaers lab  

Daily Supervision: Michaël Gebruers 

Type of work: Experimental, catalyst development 

Number of students: 1 

Specialisation Option  

Nanomaterials and nanochemistry X

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics 

Bionanotechnology 

 

Description:  

For long, polymorphism of different chemical elements has been known. The polymorphs of 

carbon are the most commonly known, of which everyone knows diamond, graphite, carbon 

nanotubes etc. For long, it has been thought that noble metals like gold, silver and copper do 

not display polymorphism and are only encountered as their stable face centered cubic (fcc) 

structure.  It  has  recently  been  discovered  that  nanoparticles  of  these metals  can  also  be 

synthesized with  different  crystal  structures. One  of  these  structures,  the  hexagonal  close 

packed (hcp) structure, can be synthesized, and is stable, under ambient conditions. The exact 

properties of these polymorphic noble metal nanoparticles are however not fully investigated 

since these unusual structures, as for now, mostly occur mixed with the original fcc structure. 

Therefore, optimization of the synthetic protocols is necessary before being fully capable of 

studying  their properties.  It has already been shown that  these polymorphs possess vastly 

different properties as compared to their fcc counterparts, which makes them interesting in a 

broad range of different applications. 

The  focus of  this project  lies on  the development,  characterization and catalytic  testing of 

polymorphic  gold  nanoparticles.  The  synthesis  of  phase pure  hcp Au  nanoparticles will  be 

optimized by exploiting various different wet chemical methods, ranging from colloidal growth 

to electro‐ and photo deposition methods. After synthesis, the shape and structure of these 

newly formed materials will be evaluated by various different state‐of‐the‐art characterization 

techniques,  like  electron  microscopy  (EM)  and  X‐ray  diffraction  (XRD).  Further 

characterization of the novel properties will be performed by all‐optical characterization tools 

like Raman and UV‐VIS spectroscopy. 

Page 30: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Gold nanoparticles are, unlike bulk gold, catalytically active, they are however less suited for 

catalysts in hydrogenation reactions due to their poor catalytic activity towards hydrogen. On 

the other hand,  the catalytic properties of  the polymorphic gold nanoparticles are still not 

thoroughly  investigated and could  lead to  improved catalytic activity due to their different 

crystal  structure.  One  of  the main  objectives  of  this  project  is  to  investigate  the  catalytic 

properties of hcp Au nanoparticles in several hydrogenation reactions and to compare their 

catalytic properties to those of regular phased gold nanoparticles. An interesting reaction to 

benchmark  the  catalytic  activity  of  these  polymorphic  gold  nanoparticles  is  the  selective 

hydrogenation of unsaturated aldehydes to unsaturated alcohols. An example of this is the 

hydrogenation of cinnamaldehyde to cinnamyl alcohol. In this type of reactions the carbonyl 

group is selectively hydrogenated, while leaving the unsaturated carbon bond unaffected. 

The  skills  you  will  gain  during  this  master  thesis  include  (1)  Experience  in  wet  chemical 

methods for the synthesis of novel polymorphic nanoparticles; (2) Hands‐on experience with 

materials characterization by electron microscopy, X‐ray diffraction and various spectroscopic 

tools; (3) Insights in various catalytic pathways of heterogeneous catalysis with noble metal 

catalysts; (4) Data interpretation and independent research. 

 

Page 31: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

photoluminescence measurements, N2 adsorption and desorption measurements, among others and 

of course run the photocatalytic test reactions. 

 

Need more information?  

Contact Maarten Roeffaers ([email protected]),  

Lexie ([email protected]

Page 32: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Artificial nitrogen fixation: ammonia electrosynthesis on single‐atom catalysts 

Promotor: Maarten Roeffaers – Johan Hofkens 

Faculty/Research Group: Bioscience Engineering ‐ Roeffaers Lab (www.roeffaers‐lab.org)  

Daily Supervision: Yansong Zhou & Michiel Deras 

Type of work: Lab work 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry   x 

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics   

Bionanotechnology   

 

Description:  

With an industrial production exceeding 150 million tonnes annually, ammonia is the second 

most produced chemical world‐wide. Ammonia plays an essential role in the global economy 

as precursor for fertilizers and other chemicals and it is also being considered as an 

alternative fuel for the future. At this moment, there are no viable alternatives to the 

famous Haber‐Bosch process operating at high temperatures (∼700 K) and pressures (∼100 atm), which accounts for ∼1% of the global energy consumption and generates more than 

300 million metric tons of fossil fuel‐derived CO2 annually. Fortunately, electrochemical 

ammonia synthesis can provide an alternative pathway to the Haber−Bosch process, since 

the electrochemical nitrogen reduction reaction (NRR) enables the decentralized production 

of NH3 at ambient conditions from N2, H2O and electricity. 

Most of the current electrocatalysts suffer from low activity and poor selectivity due to the 

domination of the hydrogen evolution side reaction. Noble metals such as Au and Ru show 

high selectivity for NH3 electrosynthesis, but their scarce availability and high cost seriously 

restricts their widespread applications. Therefore, the development of low‐cost but highly 

active electrocatalysts for NH3 production is desirable. To maintain the high activity while 

reducing the total amount of noble metals necessary we will explore the use of single‐atom 

catalysts. Anchoring of active metal single‐atoms on the surface of carbon‐based materials 

has been demonstrated to be effective to achieve the goal. For instance, Ru single‐atoms 

supported on N‐doped carbon drives the NH3 electrosynthesis with a record‐high yield rate 

of 120.9 μgmgcat.‐1h‐1 with a low applied potential. 

In this master thesis you will focus on the synthesis of single‐atom based electrocatalysts 

and theirapplication in the NH3 electrosynthesis at ambient conditions. On one hand, you 

Page 33: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

will prepare novel catalysts based on innovative porous support materials such as MOFs via 

in situ photo‐ and electrodeposition etc. Next the materials will be systematically tested for 

their NH3 electrosynthesis performance. Rationalization of the catalysts performance will be 

based on detailed physiochemical characterization. Eventually, insight about the single‐atom 

based electrocatalysts and NRR process will be achieved. During this thesis you have the 

opportunity to work on an interdisciplinary topic, building new competences ranging from 

materials synthesis, characterization and performance testing. 

For more information: [email protected]  

Page 34: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Nanolayer stacks for passive temperature gradient  

Promotor: Michael Kraft 

Faculty/Research Group: Micas/ESAT 

Daily Supervision: Frederik Ceyssens 

Type of work: Theory, Nanofabrication 

Number of students: 1‐2 

Specialisation Option   x 

Nanomaterials and nanochemistry  x 

Nanoelectronic design  x 

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology  x

 

Description:  

In a recent TED talk [1] nanolayer stacks were put forward as a novel way to achieve passive cooling. 

This is based on infrared radiation with wavelengths between 8‐12um, as in this window the earth’s 

atmosphere is transparent and thus the nanolayers ‘see’ the coldness of space [2]. Therefore, the 

surface covered by the nanolayers becomes cooler than its surrounding. So far, this effect has been 

primarily proposed for larger surfaces, e.g. for cooling of buildings.  

The Master project will explore whether similar nanolayers can be 

used to produce a temperature gradient across a chip. The cold 

part of the chip can then be linked through a thermoelectric 

junction and, by exploiting the Seebeck effect, a voltage can be 

generated. This would represent an entirely novel type of energy 

harvester at the microscale. The project will investigate whether in 

this way an integrated circuit or sensor could be powered.  

Work will include a theoretical study of achievable power levels 

and fabrication of such a nanolayer stack in the KU Leuven 

Nanocenter Cleanroom. Some preliminary testing is also 

envisaged. 

[1] 

https://www.ted.com/talks/aaswath_raman_how_we_can_turn_the_cold_of_outer_space_into_a_r

enewable_resource 

[2] S. Fan and A. Raman, “Metamaterials for radiative sky cooling,” National Science Review, vol. 5, 

no. 2, pp. 132–133, Mar. 2018. 

 

Nanolayer stack for passive 

cooling. From [2] 

Page 35: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Understanding and modelling the electronic transport properties of Poly‐Si Passivating Contacts by Low‐Temperature I‐V Characterization 

Promotor: Prof. Dr. Jef Poortmans 

Faculty/Research Group: Silicon PV Department ‐ Imec 

Daily Supervision: Meriç Fırat ([email protected]

Type of work: Master’s Thesis – for minimum 9, ideally 12 months 

Number of students: 1 

Specialisation Option  

Nanomaterials and nanochemistry X

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  X

Bionanotechnology 

 

Description:  

With the challenges posed by the global warming and an ever‐increasing energy demand of 

the world’s population, transitioning to energy harvesting from renewable sources is an 

essential step to be taken for a sustainable future. While photovoltaics (PV) show great 

promise for facilitating this transition with its steadily increasing installed power generation 

capacity and by allowing an already low levelized‐cost‐of‐electricity, further price reduction 

is necessary to raise the share of PV in the global energy mix and to replace the fossil fuels. 

One of the most viable means for such price reduction is improving the power conversion 

efficiency of the state‐of‐the‐art solar cells produced by the PV industry. With its expertise in 

PV and cutting‐edge infrastructure, Imec’s PV department works towards developing highly‐

efficient solar cells fabricated by methods feasible for the PV industry. 

This master’s thesis is concerned with investigating polycrystalline silicon (poly‐Si) 

passivating contacts for solar cells, a contact structure that recently gained a lot of attention 

and is poised to be included in industrial solar cells in the near future. These contacts 

consisting of a stack of an ultrathin silicon oxide (SiOx) and heavily‐doped poly‐Si have been 

shown to minimize the recombination of minority carriers at the metal‐silicon interface after 

their generation by the absorption of sunlight. Simultaneously, these contacts allow an 

uninhibited extraction of the majority carriers to an external circuit for electricity generation. 

Thus, these contacts reduce both the recombination and resistive losses, thereby yielding 

higher solar cell efficiencies.  

Even though very high efficiencies up to 26.1% were demonstrated with cells incorporating 

poly‐Si contacts, the mechanism of the excellent passivation provided by these or specifically 

of the carrier transport through these structures are still disputed. There is, in fact, still no 

Page 36: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

consensus whether current flow through the pinholes in the SiOx or tunneling through the 

SiOx layer is dominant. During this thesis, samples with a metal (rear)/c‐Si 

(substrate)/SiOx/poly‐Si/metal (front) stack will be fabricated in Imec’s clean room, the 

temperature‐dependent dark I‐V characteristics of the samples will be measured at a range 

of very low to higher temperatures using equipment at Imec. During the analysis, the I‐V 

characteristics will be investigated to find out if features characteristic to tunneling are 

present. A similar study to determine the specific contact resistance as a function of 

temperature will follow, based on temperature‐dependent transfer length measurements, 

on samples featuring contact pads of different areas. All in all, both studies will provide 

fundamental insight into the current flow through poly‐Si passivating contacts. 

The student is required to have a solid background in materials and is expected to be 

motivated in semiconductor device characterization. During this thesis, the student will 

acquire fundamental understanding about silicon solar cells and poly‐Si passivating contacts 

by a literature study. Moreover, the student will gain valuable experiences in device 

characterization and fabrication and thus be well‐positioned for their future endeavors. 

Page 37: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Nano‐scale Field Effect Transistor for Biomolecule Sensing 

Promotor: Pol Van Dorpe 

Faculty/Research Group: imec / life science technologies 

Daily Supervision: Koen Martens 

Type of work: Devices, Metrology and Characterization, Surface Chemistry 

Number of students: 1 

Specialisation Option  

Nanomaterials and nanochemistry v

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  v

Bionanotechnology  v

 

Description:  

With significant progress  in CMOS process technology, we are now able to manufacture nano‐scale 

Field‐Effect Transistors (FETs) down to 7 nm. This has opened doors not just for better computing but 

also for areas like bio‐sensing for proteins and DNA. 

An important innovation lies in large‐scale integration of nanoscale transistors for analyzing biological 

systems,  which  could  provide  for  massive  parallelization  and  deliver  a  more  complete  view  of  a 

biological system at a reasonable cost. However, there are several challenges open that still need to 

be tackled to achieve such a large‐scale bio‐electronic sensor chip. In this master thesis, the student 

will investigate nano‐sized field effect transistors for their ability to sense bio‐molecules in electrolytic 

environments and try to understand the effect of surface functionalization on bio‐sensing. 

In order to capture the target biomolecules on the FET, the surface 

of the transistor needs to be functionalized with special molecules 

that can bind with  the  target biomolecules  floating around  in  the 

electrolyte solution. This surface functionalization can influence the 

bio‐sensing  ability  of  the  FET,  which  is  important  if  we  want  to 

achieve a  low Limit of Detection  (LOD). During  the master  thesis, 

these  sensors  will  be  characterized  in  detail  to  understand  their 

behavior  for  different  types  and  methods  of  surface 

functionalization. The student will also work on analyzing the noise 

contribution  of  the  functionalization  and  the  effect  of  the 

electrolytic  environment.  The  thesis  will  involve  working  in  the 

cleanroom,  bio‐chemistry  labs  and  on  electrical  characterization 

tools. Molecular sensitivity and the potential of obtaining FET‐based 

molecular sensors will be investigated.  

Fig.1 : Klenow fragment of a 

DNA polymerase attached to a 

single‐walled carbon 

nanotube FET device. (Olsen 

et al. JACS 2013, 135(21)). 

Page 38: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

Master Nanoscience and Nanotechnology

Thesis Title: Noise optimized resonant accelerometer based on frequency dependent elasto-damping components.

Promotor: Prof. Michael Kraft

Faculty/Research Group: ESAT-MICAS

Daily Supervision: Michiel Gidts

Type of work: Design, Simulation, Modelling

Number of students: 1

Specialisation Option

Nanomaterials and nanochemistry

Nanoelectronic design x

Nanodevices and nanophysics

Bionanotechnology

Description:

A significant part of all sensors currently used in industrial, medical, consumer and scientific

equipment is based on Micro-Electro-Mechanical System (MEMS) technology. In MEMS

fabrication, thousands of sensors or actuators are manufactured in one go on a silicon wafer,

using processes similar to those used in integrated circuit (IC) fabrication of electronic chips.

One type of these MEMS sensor is a resonant accelerometer. These sensor are based on

transferring the proof-mass inertial force to a force on the resonant beams. This force will

cause an acceleration-dependent shift in resonant frequency of these beams. The effect of

the damping force by the surrounding air of this movable structure can be neglected for a

machine of conventional dimensions, but plays an important role with micro-machines and

the significance of the effect becomes greater as micro-machined structures decrease in size.

Additionally, the sensitivity of these accelerometers is generally limited by the thermo-

mechanical noise (Brownian noise) generated by the interaction of the movable structure.

Most designs analyzes the thermo-mechanical noise in microstructures based on the

assumption of a constant, frequency-independent, damping coefficient. As a result, the

equivalent input thermo-mechanical noise has a white spectrum. While this might be a

correct assumption for low frequencies, the assumption fails to consider the more complex

behavior of gas damping as the operating frequency increases, which is the case for resonant

mems devices. The interaction between movable mass and surrounding air generates both

elastic and damping force components, both dependent on frequency (and on the amplitude

of motion for large displacements). This complex behavior shapes the resulting thermo-

mechanical noise. The frequency dependent factor is often neglected in the overall noise

Page 39: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

Master Nanoscience and Nanotechnology

analysis. However, by taking into account this factor in the signal-to-noise ratio optimization

process a higher signal-to-noise ratio is to be expected.

The goal of this thesis is to design a low noise, highly sensitive resonant accelerometer based

on a noise analysis that takes into account the frequency dependent elasto-damping

behavior of the air-structure interaction.

The thesis will start with an extensive literature study followed by modelling, finite element

simulations and design optimalizations.

Page 40: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Development of 2D microchip electrophoresis 

Promotor: Liesbet Lagae 

Faculty/Research Group: IMEC 

Daily Supervision: Camila D. M. Campos 

Type of work: Mater thesis 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry  x 

Nanoelectronic design  x 

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology   

 

Description:  

Nano-electrophoresis is expected to allow the detection of minute amounts of DNA (single-

molecule analysis), leading the way to improved diagnostics and forensic sciences, among

others. However, scaling down traditional electrophoretic techniques is hampered by current

fabrication technologies, that do not deliver the required resolution and control. In this project

the student will use IMEC nanofabrication capabilities to develop new designs for configurable

2D microchip electrophoresis in micro and nanoscale. The precise control resulting from it will

allow more thorough analysis of complex samples. The structures will be fabricated using

photolithography. The developed prototype will be compared with benchmark DNA analysis

methods. The work will demand 20% time for electrical-fluidic Multiphysics, 70% lab work to

fabricate and test the device and 10% for literature study and thesis writing. A multidisciplinary

team at the Life Science Technology department at IMEC will support the thesis.

Skills to be learned: photolithography, microdevice metrology, capillary electrophoresis,

biological sample preparation, fluorescence detection, COMSOL simulation.

 

Page 41: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Development of a fluorescence activated droplet sorting with dielectrophoretic actuation 

Promotor: Liesbet Lagae 

Faculty/Research Group: IMEC 

Daily Supervision: Camila D. M. Campos 

Type of work: Mater thesis 

Number of students: 1 

Specialisation Option  

Nanomaterials and nanochemistry x

Nanoelectronic design  x

Nanodevices and nanophysics  x

Bionanotechnology 

 

Description:  

Single-cell analysis benefits areas as diverse as medicine and food industry, by guiding

treatment of heterogeneous tumors or improving bio-processes. However, exploring its full

potential requires developing sensitive detection and manipulation methods. Droplets

microfluidics (digital fluidics) contribute to these efforts by allowing researchers to digitalize

samples and analyze a large number of cells independently in a short-time.

The master’s project will comprise the development of a droplet sorter activated by

dielectrophoresis (DEP). Unlike the designs currently available in the literature, the DEP

electrodes and the microfluidic structures will be fabricated in-situ by photolithography. This

could lead to stronger DEP force with lower required electric potential, reducing risks to

damage samples. It will allow higher throughput, decreasing analysis time and cost.

The work will demand 40% time for electrical-fluidic Multiphysics modelling in COMSOL, 50%

for lab work for device fabrication and testing and 10% for literature study and thesis writing.

A multidisciplinary team at the Life Science Technology department at imec will support the

thesis.

Skills to be learned: photolithography, microdevice metrology, DEP, COMSOL simulation.

 

Page 42: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Polarization induced effects in wide band gap III‐nitride/Si heterojunctions: An experimental study at nanoscale 

Promotor: Prof. dr. Wilfried Vandervorst 

Faculty/Research Group: Materials and Components Analysis department at Imec 

Daily Supervision: dr. Albert Minj, dr. Kristof Paredis   

Type of work: 80% experimental, 20% theory 

Number of students: 1 

Specialisation Option  

Nanomaterials and nanochemistry x

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  x

Bionanotechnology 

 

Description:  

Due  to  their  superior  properties  including  wide  bandgap,  high  electron  mobility,  resistance  to  thermal 

degradation  and  high  breakdown  field,  III‐nitrides  are  well  suited  for  high  power  and  high  frequency 

applications.  It  is  of  high  interest  for  IMEC  and  its  industrial  collaborators  to  develop  CMOS  technology 

compatible (Al,Ga)N‐based heterostructures‐on‐Si RF and power devices. However, there is a growing concern 

related to their growth, device reliability and even to their characterization. Owing to the inefficient activation 

of  the dopants,  especially  of  the p‐type dopant Mg,  and as well  as  the presence of  interface defects arising 

from  lattice  mismatch,  determination  of  free  carrier  concentration,  polarization‐induced  two‐dimensional 

electron gas density and their distribution and their effect on built‐in  fields are ongoing major  issues. As  the 

heterostructure layers go down to few nanometers to 10s of nanometers, it has become essential to be able to 

probe  local  electrical  properties  at  the  nanoscale.  At  IMEC  with  immense  expertise  in  quantitative  dopant 

concentration characterization in Si and III‐Vs using Scanning spreading resistance microscopy, the objective of 

the  candidate will  be  to  implement  this  technique on  (p‐doped and n‐doped) AlGaN based heterostructures 

and  to  analyze  the effect of  local  fluctuation  in  surface  barrier  height  and  threading dislocations on  current 

transport. With proper approximation of the surface states, in correlation with direct estimation of the carrier 

concentration by dC/dV and  surface potential  across  the heterostructures,  the  three  kind of  analysis will  be 

combined to reveal the real band structure of the heterostructure. 

The  goal  of  this  thesis  will  be  to  identify  and  gain  understanding  into  the  primary  impediments  to  reliable 

scanning probe microscopy (SPM) characterization of AlGaN‐based heterostructures. SPM measurements will 

be  correlated  with  other  macroscopic  electrical  characterization  techniques  including  Current‐Voltage  and 

Capacitance‐Voltage measurements. The student will be trained in advanced electrical SPM techniques, Kelvin 

Probe  Force  Microscopy  (KPFM),  Conductive  Atomic  Force  Microscopy  (C‐AFM)  and  Scanning  capacitance 

microscopy (SCM) and will be expected to use them extensively throughout the thesis. In case of necessity for 

the  deeper  understanding  of  the  results,  complimentary  material  characterization  analysis  such  as 

Transmission  electron microscopy  (TEM)  and  X‐ray  photoelectron microscopy  (XPS)  analysis  can  be  availed. 

With the guidance of his supervisor, data interpretation and analysis will also be a major part of the thesis. As 

such,  the  student will  be  guided  in  design  of  the  experiment  and  understanding  the  resulting  experimental 

data. A good command of English is required. 

Page 43: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Electrical SPM for the analysis of magnetic memory. 

Promotor: Prof. dr. Wilfried Vandervorst   

Faculty/Research Group: Materials and Components Analysis at Imec   

Daily Supervision: dr. Umberto Celano, dr. Kristof Paredis  

Type of work: 80% experimental, 20% theory 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry  x 

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology   

 

Description:  

Spin‐transfer  torque  magnetic  resistive  memory  (STT‐MRAM),  is  emerging  as  a  potential 

replacement for Flash and/or DRAM applications, as they exhibit non‐volatility, high‐speed, 

low‐voltage  switching  and  almost  unlimited  read/write  endurance.  However,  significant 

challenges toward the widespread commercialization of this technology are still  in the area 

of process scaling, materials integration and physical operative mechanisms. In this context, 

electrical  scanning  probe microscopy  (SPM)  techniques  such  as  (C‐AFM,  KPFM  and  SSRM) 

represent  invaluable  tools  for  the  analysis  of  post‐patterning  treatment  and  material 

selection in magnetic tunnel junctions, as they allow the probing of nanoscaled features. This 

thesis  fits  into  the characterization  framework  for STT‐MRAM using a set of electrical SPM 

techniques. You will be trained in the use of the tool and you will intensively use it focusing 

on device characterization methodologies. During  the period of  the  thesis  the  student will 

focus  particularly  on  material  characterization  and  AFM‐analysis.  The  data  analysis  and 

interpretation will cover an important part of the work; you will apply statistical principles in 

data collection and will be asked to rule out your results. You will work  in an  international 

R&D team; a good command of English language is required. 

 

Page 44: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Electrical Characterization of Three‐Dimensional Devices Using Scanning Probe Microscopy 

Promotor: Prof. dr. Wilfried Vandervorst   

Faculty/Research Group: Materials and Components Analysis at Imec   

Daily Supervision:  drs. Komal Pandey, dr. Kristof Paredis   

Type of work: 60% epxerimental, 20% simulations, 20% theory 

Number of students: 1 

Specialisation Option  

Nanomaterials and nanochemistry

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  x

Bionanotechnology 

 

Description:  

To overcome the limitations of short channel effects and leakage current associated with scaling of 

planar  MOSFETs,  the  Integrated  Circuit  industry  has  adopted  novel  three‐dimensional  device 

architectures such as FinFETs and Gate‐All‐Around transistors.  The knowledge of  the active dopant 

distribution  within  these  devices  is  key  for  the  development  of  the  doping  processes  and 

consequently,  for  ensuring  high  device  performance.  It  has  been  shown  in  the  past  that  Scanning 

Spreading Resistance Microscopy  (SSRM) – an electrical mode of Atomic Force Microscopy  (AFM) ‐ 

has the capability to measure 3D carrier profiles quantitatively with sub‐nm resolution (!) using the 

scalpel  approach  where  nanometer  thick  material  is  removed  layer‐by‐layer  while  2D  resistance 

scans are taken simultaneously. This provides extremely valuable insight into the electronic structure 

at  the heart  of  devices,  impossible  to obtain with  any other  technique.   However, when  targeting 

sub‐10nm 3D devices the physics enabling this superior resolution is being challenged by the limited 

amount of material (10 nm = approx. 40 atoms thick) and the presence of multiple interfaces. In this 

project,  we  explore  the  probe‐sample  interaction  for  ultrathin  layers  and  the  subsequent  current 

flow  both  from  an  experimental  and  theoretical  point  of  view.  During  the  thesis,  the  student will 

independently  design  and  perform  dedicated  experiments  on  3D  nano‐structures.  In  parallel, 

simulations will  be  run  to  isolate  the  impact of  various physical phenomena,  such as  the effect of 

material thickness,  interfaces, changes  in mechanical properties etc. Consequently, the student will 

both be trained in AFM (with a special focus on SSRM) and simulations, and will be taught to critically 

analyze,  interpret and correlate data. Furthermore, the student will be a part of a multidisciplinary 

R&D team and will be guided by experts  in  the  field.   Some basic understanding of  semiconductor 

(device) (MOSFETs/FinFETs) physics is a plus, but a proactive can‐do attitude is even more important. 

A  good  command  in  English  is  required.  At  the  end  of  this  thesis,  the  student  will  leave  with 

knowledge  on  semiconductor  physics  and  skills  on  the  characterization  of  state‐of‐the‐art  devices 

combined with an immersion into the high‐tech research environment of imec. 

Page 45: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Selective p+ emitter formation for n‐type silicon solar cells 

Promotor: Jef Poortmans 

Faculty/Research Group: Silicon PV 

Daily Supervision: Sukhvinder Singh 

Type of work: Experimental 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry   

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics   

Bionanotechnology   

 

Description:  

Presently, the majority of commercially available PV modules  are made using front junction silicon 

solar cells based on p‐type Czochralski (Cz) substrate with full aluminum BSF and more recently with 

local rear contacts (PERC – Passivated Emitter and Rear Contact ‐ cells). This transition is propelled by 

the need to reduce metallization related recombination and optical losses on the rear side of the cell 

thereby  improving  the  efficiency.  In  order  to  reduce  recombination  losses  from  Ag  front 

metallization, various methods to form phosphorus based selective emitter have been implemented 

in p‐type  solar  cells.  These  selective emitter  technologies  feature heavy phosphorus doping under 

screen printed contacts and shallow doping elsewhere. These  offer the advantages of having both a 

low  specific  contact  resistivity  and  low  recombinations  for  passivated  surface  and metal  contacts 

without compromise.  

The next technology transition towards cells based on  n‐type substrates is starting. Solar cells based 

on n‐type substrates offer advantages such as absence of light induced degradation, higher tolerance 

to  many  transition  metal  impurities  (including  Fe,  Ti,  V,  Cr)  and  much  lower  sensitivity    to    the 

presence of the laser induced dislocations. The share of n‐type silicon based solar cells is expected to 

increase in the coming decade according to the International Technology Roadmap for photovoltaics 

(ITRPV). For front junction n‐PERT solar cells, a cost effective and simple selective emitter technology 

for boron doping needs to be developed. A new  idea (currently under study  for a potential patent 

application) will be investigated to obtain both a highly doped p++ region in the contact area and a 

more  lowly  doped  p+  region  in  the  passivated  area  in  a  simple,  industrially  applicable  manner. 

Various parameters of these 2 different regions will be characterized. These include: 

1. Sheet resistance of highly and lowly doped boron regions 2. Recombinations of passivated regions characterized by dark saturation current density,  3. Contact resistivity to highly doped boron regions 4.  Recombinations of metallized regions characterized by dark saturation current density 

 

Page 46: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Development of poly silicon based passivating contacts using sputtering 

Promotor: Jef Poortmans 

Faculty/Research Group: Silicon PV 

Daily Supervision: Sukhvinder Singh 

Type of work: Experimental 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry   

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics   

Bionanotechnology   

 

Description:  

Silicon based solar technology has made tremendous  improvements  in the  last decade.  In order to 

boost  the  efficiency  of  silicon  solar  cells  to  come  closer  to  the  theoretical  efficiency  limit,  carrier 

recombination  specifically  at  the  metal  contacts  needs  to  be  further  reduced.  To  tackle  this 

challenge,  contact passivating  structures based on polycrystalline  silicon  (poly‐Si)  layers have been 

investigated  in  recent  years.  The  majority  of  the  poly‐Si  based  passivating  contacts  have  been 

achieved  by  chemical  vapor  deposition  techniques  like  LPCVD  or  PECVD  (Low  Pressure  or  Plasma 

Enhanced Chemical Vapor Deposition). These techniques involve the use of hazardous materials (e.g. 

silane,  phosphine  etc.)  and  high  temperature  processing.  Further,  these  poly‐Si  layers  have  been 

successfully  implemented on the  rear side of  the  solar cells, although their  implementation on  the 

front  side  of  the  cells  is more  challenging.  This  is  due  to  the  significant  light  absorption  by  these 

layers, reducing the available light for carrier generation in the active part of the solar cell. In order to 

use these layers on the front side, the patterning of  poly‐Si layers is required, such that these layers 

remain  only  under  the metal  contacts.  This  requires  ex‐situ  processing  of masking  and  etching  of 

unwanted poly‐Si regions.  

Very recently polysilicon layers deposited by  physical vapor deposition methods with similar 

passivation  quality  (to  CVD  methods)  haven  been  proposed.  These  methods  include  magnetron 

sputtering or electron‐beam evaporation. Using these techniques, poly‐Si  layers could be deposited 

at  room temperature without  the use of any harmful precursor. Doped (n or p‐type) poly‐Si  layers 

could  be  deposited  by  means  of  a  suitably  doped  silicon  target  without  the  need  of 

phosphine/diborane  gases  or  ex‐situ  doping.  In  addition,  sputtering  allows  single‐side  poly‐Si 

deposition unlike LPCVD techniques. Magnetron sputtering is especially attractive for various reasons 

including a) the possibility to deposit layers over a large area with very good uniformity, b) conformal 

deposition  over  rough  surfaces,  c)  maintaining  the  composition  of  the  target  material  in  the 

deposited  layer  d)  the  possibility  to  use  low  cost  polycrystalline  target  material,  and  e)  high 

throughput for thin layers. Importantly, the use of room temperature and directional deposition for 

Page 47: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

sputtering enables  the use of an  in  situ mask  for patterned deposition. This could enable  the easy 

implementation of polysilicon layer at the front side of the solar cell without ex‐situ pattering steps. 

Such patterned deposition of poly‐Si by PVD methods has not been demonstrated yet. 

In order to study the viability of sputtering of poly silicon for the application of passivating 

contacts, the following issues need to investigated in this thesis: 

1) Crystalline quality of sputtered layers in terms of amorphous content, crystallite size and defects. 

2) Doping  characterization  of  polysilicon  layers  (in‐situ  and  ex  situ)  by  means  of  sheet resistance, SIMS or ECV 

3) Surface and contact passivation by doped poly‐Si layers. 4) Patterning of the  layers by masking and assessment of the contamination coming from 

the deposition process of patterned layers.  

 

Page 48: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Atomic layer deposition of Ge chalcogenide layers for 3D‐RRAM applications 

Promotor: Annelies Delabie 

Faculty/Research Group: Science//Chemistry/imec 

Daily Supervision: Matty Caymax, Ali Haider, Annelies Delabie 

Type of work: Materials;#Metrology & characterization 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry  X 

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics   

Bionanotechnology   

 

Description:  

Explore the growth chemistry of Germanium chalcogenide layers deposited by atomic layer deposition for application in 3D resistive random access memory. 

Growth in cutting edge technologies including cloud computing and smart devices among others is 

the major drive in finding reliable and scalable data storage solutions. The 3D memory technology is 

promising to fulfil the storage needs by cramming more and more data in same physical space. One 

of today's most promising alternative concepts for scaled memory is RRAM (Resistive RAM) which is 

based on the electronic switching of a resistor element. The combination of this memory element 

with a diode‐type selector device results in a highly scalable RRAM memory cell. The integration of 

these memory cells in 3D cross‐bar arrays can only be accomplished with a deposition technique that 

insures excellent step coverage in 3D device structures, i.e. Atomic Layer Deposition (ALD).   

In this master’s thesis, you will focus on Germanium chalcogenide layers through atomic layer 

deposition (ALD) for application in 3D RRAM. The scientific goal will be to gain insight in surface 

chemistry and nucleation mechanisms of the Germanium chalcogenide growth processes so that it 

can be used to establish a precise control on composition, uniformity, and conformality of grown 

layers on both planar and 3D substrates. The experimental part will include a full parametrized study 

of the deposition process conditions (temperature, precursor doses, exposure times), aided by in‐situ 

mass spectrometry. Ex‐situ (TOF‐SIMS, AFM, SEM, RBS) and in‐situ characterization (mass 

spectrometer) techniques will be used to understand the nucleation mechanisms and surface 

chemistry at play during the deposition. The aim for getting such insights is to identify the key 

process parameters for optimizing the germanium chalcogenide ALD processes towards a controlled 

composition, higher conformality in 3D substrates, and controlled amorphous stability. 

   

Page 49: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  SIS on ultra‐thin PMMA for high‐k deposition on 2D materials and selective high‐k plasma etch and soft‐landing onto 2D materials 

Promotor: Annelies Delabie 

Faculty/Research Group: Science/Chemistry/imec 

Daily Supervision: Jean‐Francois de Marneffe 

Type of work: Materials;#Metrology & characterization 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry  X  

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics 

Bionanotechnology 

 

Description:  

The main objective of the internship is to study the synthesis of 3‐4nm high‐k dielectric (corresponding to 1 nm EOT) using a sacrificial template, based on porous polymer (polymethylmetacrylate/PMMA or polyphtalaldehyde/PPA) combined with sequential infi 

The proposed work‐package aims at high‐k processing for 2D materials applications. The main 

objective of the internship is to study the synthesis of 3‐4nm high‐k dielectric (corresponding to 1 nm 

EOT) using a sacrificial template, based on porous polymer (polymethylmetacrylate/PMMA or 

polyphtalaldehyde/PPA) combined with sequential infiltration synthesis (SIS). The principle will use 

the following sequence: first, spin‐coat 3‐5 nm of polymer; second, infiltrate the polymer with a 

specific Al(CH3)3/H2O ALD sequence forming Al2O3 within the bulk of the polymer; third, perform 

some post‐treatments in order to remove the residual carbon from the formed composite film. Post‐

treatments will be based on annealing, UV‐cure, and/or downstream plasma processing. A second 

objective is to support some technological etch process aiming at etching high‐k (10nm ZrO2) 

stopping on a sub‐nm SiO2 on top of WS2, using a BCl3/O2 cyclic process in a state‐of‐the art 300mm 

plasma etch chamber. The goal of the process is to remove the whole dielectric stack (ZrO2 + SiO2) 

with minimal damage to the WS2. Screening of plasma chemistries (BCl3/O2 ratio, potential 

additives), plasma physical parameters (pressure, power, bias) and sequences (plasma cycles) will be 

investigated; the etch and selectivity mechanisms will be studied using ellipsometry, AFM, Raman 

and photoluminescence spectroscopy. 

   

Page 50: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  High Frequency Magnetic Materials for RF and Power Inductor Applications 

Promotor: Annelies Delabie; Ingrid De Wolf 

Faculty/Research Group: Science/Chemistry Engineering Science/MTM/imec 

Daily Supervision:  Christoph Adelmann, Xiao Sun, Jean‐Philippe Soulie, Diogo Costa 

Type of work: Materials;#Metrology & characterization 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry X 

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  X 

Bionanotechnology 

 

Description:  

Design novel magnetic materials that enhance the operation frequency and the performance of inductors 

The increasing trend of mobile devices and the Internet of Things is driving the miniaturization of 

various functionalities and circuitry on chips including bulky passive elements such as inductors that 

are conventionally integrated off‐chip. High inductance density is necessary for on‐chip or in‐package 

inductors to reduce the chip area and minimize the package footprint. The integration of different 

magnetic materials into on‐chip or in‐package inductors has been investigated recently for RF and/or 

power applications. Conventionally, ferrites are used as magnetic core materials for low frequency 

application due to their high electrical resistivity and low eddy current losses. However, at high 

frequencies, above typically a few 10 MHz, ferrites show large magnetic losses due to ferromagnetic 

resonance as a result of their comparatively their low saturation magnetization. Materials such as 

CoFe can work at high frequencies but are highly conductive, which leads to important eddy current 

losses in the RF frequency range. 

  

The goal of the internship or thesis is to design novel thin film magnetic materials for RF inductors. 

The targeted frequency range will be above 100 MHz (for power applications) up to GHz (for 

microwave inductors). The task will be to co‐optimize magnetic properties (permeability, 

ferromagnetic resonance frequency) and resistivity to obtain magnetic materials and thin films with 

suitable properties. The starting point will be conventional soft magnetic materials with high 

saturation magnetization. In a next step, combinatorial research will be employed to study the effect 

of compositional variation and the incorporation of additional elements. This will be done by 

combining in depth magnetic (including ferromagnetic resonance), electric, as well as structural 

characterization of the resulting materials. The work will be performed in collaboration with analog 

device design research at imec, providing both target specifications as well as an assessment of the 

optimized materials properties from an inductor point of view. 

Page 51: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

  

The student will learn hands‐on experience in a broad range of materials characterization techniques 

and gain insight on the interplay between magnetic, electric, and structural materials properties. She 

or he should have a strong interest in materials science and thin film characterization as well as in 

leading edge research on magnetism and magnetic materials.     

Page 52: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Improving solder wettability of microbumps for 3D stacking 

Promotor: Ingrid De Wolf 

Faculty/Research Group: Engineering science/MTM/imec 

Daily Supervision: Jaber Derakhshandeh 

Type of work: Materials;#Metrology & characterization 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry x

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  x

Bionanotechnology 

 

Description:  

Preventing Cu oxidation and improving solder wetting during 3D stacking will result in good electrical connection and good reliability data for 3D stacked devices. The aim of this project is to look for thin layers which can improve the solder wetting wit 

In microelectronics, Si chips are thinned and stacked on top of each other to obtain a 3D‐stacked 

device with better performance (faster, more functionality and memory, etc.). To electrically contact 

the Si chips inside this stack, Cu pads/bumps at the top and bottom of subsequent chips are 

interconnected using solder bumps, i.e. micro‐bumps. Oxidation of the Cu pads/bumps before or 

during bonding should be prevented, because it results in a poor electrical connection and IMC 

(intermetallic compound) formation. In addition, the solder should have an excellent wetting of Cu 

pad/bump such that good and reliable IMC is formed.   

The aim of this master thesis project is to investigate which thin layers can improve the solder 

wetting without having negative impact on the performance of devices. These layers will be coated 

on the Cu pads/bumps.      

The student will dofirst a literature review to select possible metallic and organic layers for this 

application. Next, wettability study of the deposited layers will be carried out at the materials science 

facility of the KU Leuven.  3D stacking of chips containing the selected layers will be done by the 

student in the cleanroom of imec. The resulting devices will electrically be tested, and then SEM 

cross‐section will be performed to study the IMC formation in the joint. This should provide in‐depth 

information on the wetting behavior and applicability for bonding of the selected thin layers. The 

results will be presented to imec’s industrial partners during a workshop in April. 

   

Page 53: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Detection of Cu contamination from TSV into Si substrate by C‐t measurements 

Promotor: Ingrid De Wolf 

Faculty/Research Group: Engineering science/MTM/imec 

Daily Supervision: Michele Stucchi, Emmanuel Chery 

Type of work: Metrology & characterization 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry x

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  x

Bionanotechnology 

 

Description:  

Cu contamination in 3D silicon chips is a matter of life and death for charge carriers: you will hunt traces of transistor‐killer Cu contamination in silicon chips for 3D integration, by measuring the lifetime‐shortening effect on electron and holes in MO 

Stacking silicon chips or integrated circuits, ICs, on top of each other, is one of the new emerging 

technologies for increasing the performance and the miniaturization of integrated circuits. Stacking 

of chips with the same technology allows for example more transistors per footprint area, as well as 

floors in buildings allow more people to live in the same street address.  Chips with different 

technologies and functions, for example memory and logic, are placed on top of each other to save 

space in mobile devices, where the miniaturization is an essential requirement. As for other silicon 

chip, these stacked chips must communicate with each other by electrical signals, sent through a 

suitable interconnect network.   

The fundamental interconnect element of 3D stacked ICs is the TSV, or Through‐Silicon Via. The TSVs 

consist of a vertical cylindric conductor, usually copper (Cu), crossing the silicon substrate and 

enabling the electrical connection between the frontside and the backside metallizations of a thinned 

chip, as illustrated in Fig. 1(a). 

The TSV conductor is insulated from the silicon substrate by a liner and a barrier. The liner is a 

dielectric layer, usually SiO2, deposited after etching the TSV hole in the silicon. It insulates 

electrically the TSV from the silicon substrate. The barrier, on the other hand, is generally made of a 

thin conductive material. It prevents the diffusion of copper atoms or ions in the silicon substrate. 

Fig. 1(b) shows details of the TSV conductor, the liner, the barrier and the silicon substrate. Two 

planar dielectric layers, namely Pre‐Metal Dielectric or PMD and backside or BS passivation, insulate 

the top and the backside metallization or RDL, respectively, from the Si substrate. 

The complete electrical isolation of the TSV Cu conductor from the Si substrate is of vital importance 

for the functionality of the 3D stacked IC. Not only the SiO2 layer must be continuous and without 

any defect which could create a conductive path to the substrate: the barrier material must also be 

Page 54: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

without any defect or pinhole to prevent copper ions to diffuse into the oxide and from there into 

the silicon substrate, as illustrated in Fig. 1(b). Indeed, copper is a strong contaminating specie due to 

its capacity to create highly efficient recombination centers in the middle of silicon bandgap thus 

changing transistor electrical characteristics.  

Fig. 1 (a) Schematic representation of a TSV cross‐section, showing the TSV conductor connecting the 

lower interconnect level at the frontside to the RDL at the backside of a thinned wafer. Dimensions 

are not to scale. (b) Mechanism of Cu contamination from a TSV with a defective barrier: Cu ions can 

migrate through a small pinhole into the SiO2 insulator and into the Si substrate, thus damaging 

transistors located in proximity of the TSV 

A technique potentially able to detect the Cu ion contamination of the Si substrate is based on the 

capacitance vs. time characterization, or C‐t, of Metal‐Oxide‐Semiconductor or MOS capacitors. This 

technique provides information about the degradation of the minority carrier lifetime in the 

substrate side of the MOS, due to the presence of recombination centers generated by the Cu ions 

diffused into the Si substrate. 

The objective of this thesis is to evaluate experimentally the possibility of the C‐t method to detect 

Cu ion contamination from a TSV by measuring the C‐t characteristic of MOS capacitors located in the 

proximity of the TSV itself. The experimental work will be based on extraction of the minority carrier 

lifetime from C‐t measurements on MOS structures surrounding a TSV damaged by electrical 

overstress. In this TSVs, the barrier is damaged, and the Cu contamination action will be enhanced by 

a temperature treatment which facilitates the Cu ion diffusion. 

Content of the thesis:30% theoretical40% experimental (electrical measurements)30% data analysis 

and interpretation 

   

Page 55: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Thermal conductivity measurements of metal nanostructures 

Promotor: Ingrid De Wolf 

Faculty/Research Group: Engineering science/MTM/imec 

Daily Supervision: Christoph Adelmann, Herman Oprins 

Type of work: Materials;#Metrology & characterization 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry x

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  x

Bionanotechnology 

 

Description:  

Explore the impact of small dimensions on thermal conductivity 

The removal of the heat generated by active components belongs to the most crucial challenges of 

microelectronic technology. The ever‐increasing component density in microelectronic chips leads 

also an ever‐increasing power density. The generated heat needs to be conducted to the package 

and ultimately to an outside cooling system to avoid overheating and the resulting loss of 

functionality. This has become akey issue that limits the operation speed of chips for many 

generations. Recently, the thermal resistance of the interconnect system in the back‐end of line has 

become a major factor in the thermal characteristics of chips. In the last technology nodes, the 

performance and reliability of conventional Cu interconnects have become increasingly limited for 

interconnect wire widths below 20 nm. Therefore, there is now a growing interest to replace Cu by 

alternative metals, for example Co, Ru, or Mo, which might outperform Cu in terms of line resistance 

and reliability for wire width of 15 nm and below. However, the thermal behavior of these alternative 

metals is only rudimentarily understood and therefore the impact of the introduction of those 

materials on the thermal behavior of the interconnects is still and open question. 

In this internship or thesis, we would like to explore the thermal conductivity of ultrathin films of 

alterative metals, such as Ru, Co, or Mo. The goal will be the understanding of the intrinsic thermal 

properties of these metals as well as the effect of film  thicknesses in the nanometer range. This will 

include the definition of suitable test structures, their fabrication, as well as the development of the 

measurement itself and the assessment of the measurement accuracy. The experimental work will 

be complemented with the thermal modeling of the test structures, in collaboration with the 

reliability modeling group at imec. Additional focus will be on the understanding of the underlying 

physics of thermal transport in metallic thin films.  

The student will learn hands‐on experience in thermal transport measurements in nanoscale 

systems, nanofabrication in a cleanroom environment, as well as introductions to a broad range of 

materials characterization techniques. She or he should have a strong interest in materials science 

and thin film characterization as well as in leading edge research on thermal properties of materials

Page 56: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Piezoresistivity in microelectronics and its formalization using linear algebra 

Promotor: : Ingrid De Wolf 

Faculty/Research Group: Engineering science/MTM/imec 

Daily Supervision: Vladimir Cherman 

Type of work: Modeling;#Metrology & characterization 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry x

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  x

Bionanotechnology 

 

Description:  

Development the methodology for analyzing the electrical response of piezoresistive sensors integrated in IC packages for accurate evaluation of mechanical stresses through solutions of linear equations and sensitivity analysis 

Experimental evaluation of Chip‐Package Interaction (CPI) in microelectronics devices is a valuable 

technique which allows assessment of 3D integration and packaging technologies in terms of their 

mechanical stability and reliability. It includes electrical measurements of integrated piezoresistive 

stress sensors and data analysis. The later employs linear algebra to derive components of 

mechanical stress from the measured electrical data and the calibrated piezoresistivity coefficients. 

As in any experimental method, electrical measurements of the integrated piezoresistive sensors are 

not free of noise and uncertainties and include both random and systematic errors which require 

additional sensitivity analysis and finding the best algorithm for the data analysis and the 

interpretation of the experimental results. 

 The work of the student will include:Analysis and systematization of large amounts of experimental 

data,Development of formal mathematical algorithms for conversion of experimental electrical data 

into the components of mechanical stress,Assessment of systematic and random noise based on the 

additional experiments and data analysis,Sensitivity analysis of the developed (in item 2) algorithms 

based on the data obtained in item 3, Development and implementation of a user‐friendly GUI 

interface based on the algorithms developed in items 1‐4. 

 This is very challenging and complex project and thus successful completion of two tasks from above 

can be considered as success criteria for the master thesis. 

 The student should satisfy the following criteria:Master in mathematics with strong background in 

linear algebra and statistics,Programing skills,Basic knowledge of theory of piezoresistivity, material 

science (stress‐strain relationship) and knowledge of electrical measurements and instrumentation 

are not strictly required but preferred. 

    

Page 57: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  DFT Transport in Metal ‐ Semiconductor interfaces for next‐generation devices made of 2D materials 

Promotor: Bart Soree 

Faculty/Research Group: Engineering science/ESAT/imec 

Daily Supervision: Aryan Afzalian 

Type of work: Devices;#Modeling 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry  x 

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology   

 

Description:  

Explore and unleash the potential of a brand‐new class of intriguing materials and devices, while learning to use and develop state‐of‐the‐art quantum transport atomistic tools and methods. 

The discovery of graphene in 2004 has sparked a renewed interest for materials in 2‐D form. Among 

other materials, transition metal dichalcogenides (TMDs) or black phosphorus (BP) are widely 

investigated by the scientific community for various applications such as sensing, lighting, and CMOS 

logic. 

The large variety of 2‐D materials with various bandgaps, effective masses, and their excellent 

electrostatic properties related to their atomistically thin 2‐D nature hold promise to find in their 

midst the ultimate candidate for CMOS scaling, i.e., for transistors with a gate length, L, well below 

10 nm. This include MOSFETs transistors but also novel devices, e.g., Tunnel‐FETs than can be 

realized using a homojunction of an appropriate material or using a Van‐der‐Waals heterojunction 

layer stack, or even more advanced concepts. 

Today, much is still to be done to explore and fully unleash the potential of this brand‐new class of 

intriguing materials and devices. Modeling and simulations are essential at this stage to orient the 

field and guide experimentalists. One of the fundamental challenge to be addressed is to understand 

how these 2D materials can be contacted to 3D metals to allow good quality, or ohmic, contact for 

the devices. Typically, today, highly resistive contacts related to high interfacial Schottky barriers with 

values that are not in agreement with the standard theory are measured experimentally. This 

severely hampers the performance and potential for application of 2D transistors. The transport 

through metal – 2D semiconductor interfaces is complicated by the absence of strong bond between 

the metal and the 2D material in the third dimension. 

Atomistic full‐band quantum transport simulations including electron‐phonon scattering have been 

shown indispensable to consider intricate band‐structure and transport effects, as for example 

narrow valleys and the need for phonon mediated transport in a MoS2 transistor and assess the 

Page 58: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

performance of these devices. In addition, to understand and explore the complicated metal – 2D 

interface, a First principle atomistic method, such as Density‐Functional‐Theory (DFT), is 

indispensable. A state‐of‐the art simulator for 2‐D material based devices uses a dissipative localized‐

orbital‐basis Ab‐Initio Atomistic NEGF algorithm. We have built such a simulator. The device 

Hamiltonian is created in our simulator using as building blocks DFT supercell elements of the 

materials or combination of materials of interest (e.g., computed by VASP or QUANTUM EXPRESSO) 

and transformed in a localized orbital‐basis, as needed for transport, using the maximally‐localized 

Wannier‐function method. 

In this thesis, you will explore the properties of new 2‐D material devices, focusing on the modeling 

and physical understanding of the role of the metal ‐ semiconductor interface in the overall transport 

properties. These include monolayer or a few layers of semiconducting mono‐ or heterojunction 

materials with various semiconducting – metal interfaces... You will build, using DFT, the supercell 

elements needed for the device simulations. You will learn to use and develop, as needed, the most 

advanced quantum transport atomistic tools and methods. You will investigate the fundamental 

physics and performances of innovative devices. You will learn and benefit from the support from 

experts in the field. Possibility to closely work and interact with experimentalists is also available, as 

IMEC has a strong expertise in 2‐D materials and devices fabrication and characterization. 

   

Page 59: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Magnetic Metrology for STT‐MRAM 

Promotor: Bart Soree 

Faculty/Research Group: Engineering science/ESAT/imec 

Daily Supervision: Robert Carpenter, Sebastien Couet, Johan Swerts 

Type of work: Modeling;#Metrology & characterization 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry x

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  x

Bionanotechnology 

 

Description:  

Help to expand the much needed metrology solutions required for development of next‐generation STT‐MRAM 

Future memory technology nodes will require faster, smaller, more power‐efficient devices. 

Conventional memories such as Dynamic Random‐Access Memory (DRAM) and Static Random‐

Access Memory (SRAM) are reaching their scaling limits. To overcome this, new emerging memories 

are being developed. Of these, perpendicular Spin‐ Transfer Torque Magnetic Random‐Access 

Memory (STT‐MRAM) is one of the leading contenders.   

 High performance STT‐MRAM stacks can contain up to 20 different layers, each of which are 1 nm 

thick or less. The key component of this is the perpendicular Magnetic Tunnel Junction (p‐MTJ). This 

consists of a CoFeB/MgO/CoFeB trilayer in which the one of the CoFeB layers is a fixed Reference 

Layer (RL) and the other is a switchable Free Layer (FL). The relative orientation of the magnetisation 

of these layers leads to two resistance states and thus a ‘1’ or ‘0’.    

In order to design, and manufacture, these devices we must be able to monitor and measure the 

STT‐MRAM stack and extract easily information on the magnetic behaviour of these layers. This is 

non‐trivial as these properties change from a blanket film to the final patterned device.   

The student will conduct experiments on improving the magnetic metrology around imec’s STT‐

MRAM devices. These will be carried out on a range of techniques such as Current In‐Plane Tunneling 

(CIPT), Vibrating Sample Magnetometery (VSM) and a newly installed Polar Kerr. The topics, 

depending on the student’s strengths, can range from understanding the physical limits of magnetic 

metrologies for MRAM, the correlation between complementary methods, automation of analysis 

processes or simulation. 

   

Page 60: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Quantum spin wave‐like excitations in low‐dimensional ferromagnets 

Promotor: Bart Soree 

Faculty/Research Group: Engineering science/ESAT/imec 

Daily Supervision: Joren Vanherck, Bart Soree 

Type of work: Modeling 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry x

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  x

Bionanotechnology 

 

Description:  

Exploring the reals of quantum spin dynamics in two‐dimensional ferromagnets 

Integrated Circuits (ICs) are present in all electronic devices around us. In an effort to make these 

devices faster and cheaper, the smallest IC building blocks need to be scaled down. This further 

downscaling of transistors based on CMOS technology results however in a higher heat dissipation. 

An alternative for today’s transistors is the spin wave majority gate, which is expected to have a low 

power dissipation when miniaturized. Genuine spin waves originate from deviations of individual, 

single spins with respect to the perfectly ordered ground state of a ferromagnet in which all spins are 

aligned parallel to each other. The waves that are propagating such deviations through the lattice of 

the ferromagnet are called spin waves and, as such, they can be excited only at very low 

temperatures. However, at room temperature one may excite similar waves, corresponding to the 

spatial variation of the macroscopic magnetization vector that locally deviates from the spontaneous 

magnetization. Although the basic quantum theory of ferromagnetism has been established already 

in the previous century, various fundamental problems are left unsolved or remain to be highly 

controversial, especially those concerning low‐dimensional magnets. Rather than relying on semi‐

classical theories and simulation programs, this project will focus on the fundamental physics of the 

spin dynamics of two‐dimensional ferromagnets. More specifically, this project addresses the  time‐

dependent evolution of the magnetization and related quantities in order  to mimic the propagation 

of the basic excitations and/or magnetization waves  through low‐dimensional magnets, such as spin 

wave buses or other (ultra)thin  magnetic layers. Aiming at a full quantum dynamical treatment of  

low‐dimensional spin systems, this project involves extensive computational  effort, both numerically 

and on the theory side, where the shortcomings of  commonly used classical dynamics based on the 

LLG equations need to be  superseded. The questions that can be dealt with are: How does the local 

magnetization  evolve in time and space? How to trigger the (phase‐coherent?) propagation of  

elementary excitations (spin waves or spin wave‐like deviations)? To which extent  can we 

superimpose the propagation of magnetization waves, knowing that spin  waves are no bosons and 

can therefore not be simply superimposed to generate  all possible eigenstates? How detrimental is 

the effect of decoherence  (spin‐phonon interactions, spin‐spin scattering...)? Simulating the spin 

Page 61: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

wave behavior in a spin wave majority gate is a very challenging task, due to its complex shape, 

multitude of interactions between different materials and the magnetic finite temperature 

excitations. Nevertheless, studying the ferromagnet at zero temperature using a simple geometry 

can provide already many of the desired insights. More specifically, the ferromagnet can be 

described as a saturated spin lattice with a Heisenberg spin Hamiltonian. Displacing some spins from 

their equilibrium orientation initiates a spin wave, whose dynamics is described using the Heisenberg 

equation of motion. The geometry itself can range from a finite spin chain up to an infinite two‐

dimensional lattice. 

This project will involve both analytical and numerical calculations in the domains of quantum 

mechanics and magnetism. 

   

Page 62: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Quantum computing  

Promotor: Bart Soree 

Faculty/Research Group: Engineering science/ESAT/imec 

Daily Supervision: Bogdan Govoreanu 

Type of work:  

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry x

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  x

Bionanotechnology 

 

Description:  

Quantum computing 

Over the past decades, the continued drive for increasing computing power has fueled the growth 

and evolution of the mainstream CMOS technology. Physical device scaling, which stood at the basis 

of this growth, is eventually approaching its limits, as fundamental physical barriers are expected to 

be soon reached. While a large effort remains in place for researching novel devices, alternative 

computing paradigms that can overcome the computational limits as projected today start taking 

shape. In this context, quantum computing emerges rapidly as a research field that has the potential 

to bring to practice technologies exploiting massive parallelism, which will be able to push the 

computational power way beyond the contemporary realm. 

Imec started recently research on two key qubit concepts, that hold promise for making the jump 

from exploratory research towards advanced technology in a foreseeable future: spin‐qubits, 

implementation of which relies on quantum dots defined electrostatically and lithographically in 

semiconductor materials; and superconducting qubits, that exploit the nonlinearity of the Josephson 

junction with the negligible dissipation of superconducting resonators, to implement qubit states. 

Along with the continuous push for identifying and demonstrating new device concepts, a key goal of 

the project is to improve the technological abilities to fabricate reproducible, high yield structures, in 

CMOS‐compatible integrated processes, thus opening paths for systematic research to improve and 

advance the understanding in the field. 

In this context, we are open to hosting students for electrical characterization, software 

development for testing platforms implementation and/or data analysis, device design, simulations, 

etc. The concrete content of these assignments will consider the project needs at the time of 

application, availability of the admitted applicant and the duration of the internship, as well as the 

affinity of the applicant towards certain topics. The selected applicant will be assigned to an imec 

scientist from the QC project team, for daily supervision and guidance. The applicant will benefit 

from an early exposure to the field, interaction with imec's experts in a cross‐disciplinary and highly 

skilled environment and will acquire relevant hands‐on expertise. 

Page 63: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 Specific familiarity of the applicant with quantum computing is not required, however it is an asset. 

Good knowledge of basic semiconductor physics/CMOS technology is expected. Familiarity with 

programming languages is a plus. Considering the strongly international character of imec, good 

knowledge of English as a working language, is mandatory.  

   

Page 64: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Spintronic devices based on spin waves for beyond CMOS applications 

Promotor: Bart Soree, Marc Heyns 

Faculty/Research Group: Engineering science/ESAT‐MTM/imec 

Daily Supervision: Florin Ciubotaru, Christoph Adelmann 

Type of work: Materials;#Devices 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry x

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  x

Bionanotechnology 

 

Description:  

Explore and evaluate spintronic devices based on spin waves for computing architectures 

Spintronic devices are considered very promising candidates to complement CMOS technology to 

further improve their capabilities as well as to enable additional functionalities as non‐volatility or 

reconfigurability of logic circuits. Concepts based on nano‐magnetic elements, domain walls and spin 

waves have been proposed for both Boolean and non‐Boolean logic operations.  

Devices based on spin waveshave high potential for power and area reduction per computing 

throughput. The information can be encoded in either the amplitude or the phase of the wave, while 

the logic operation is based on the interference of spin waves, which is a keystone for the realization 

of logic gates. To be competitive with actual CMOS technology the spin wave devices need to tackle 

waves with wavelengths below 100 nm and a miniaturization down to the nanoscale. Thus, the 

understanding of the properties of spin waves as their generation and propagation, the phase control 

and the interference mechanism at the nano‐scale are of fundamental importance for the realization 

of the logic gates. 

Within this thesis, the student will fabricate spin‐wave devices based on different magnetic 

materials, from micro‐ down to the nanoscale and will contribute to their characterization in the 

microwave frequency range leading to important properties as spin wave dispersion relation, their 

damping and their propagation characteristics in the linear and non‐linear regimes, including a phase 

analysis. The results will be an important step to understand the emission, the routing and the 

combination/interference of spin waves to continue the assessment of the concept devices as 

alternatives or complements to CMOS transistors in future technology nodes. The experimental work 

will be performed in close collaboration with modeling activities (materials, devices, circuits) in the 

spintronics group at imec. The student should have a strong interest in nanofabrication in a 

cleanroom environment as well as in leading edge research topics on magnetism and magnetic 

materials. 

Page 65: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Modeling of magnetoelectric effect for advanced spintronic applications 

Promotor: Bart Soree, Marc Heyns 

Faculty/Research Group: Engineering science/ESAT‐MTM/imec 

Daily Supervision: Christoph Adelmann, Florin Ciubotaru 

Type of work: Modeling 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry x

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  x

Bionanotechnology 

 

Description:  

Evaluate the magnetoelectric coupling to magnetic textures for low‐power spintronic devices 

Spintronics is a novel field of electronics that uses the spin of electrons or the magnetization of thin 

films instead of charge in memory or logic computation devices. A key issue of spintronics is the 

energy‐efficient control of the magnetization in such devices. Current device concepts are often 

based on the control of the magnetization by currents, for example via generated magnetic fields or 

recently discovered effects, such as spin‐transfer torque or spin‐orbit torque. However, such 

techniques are typically not very energy‐efficient and it would be very desirable to control the 

magnetization by electric fields instead. In principle, this can be done by the magnetoelectric effect, 

which couples electric fields to the magnetization. This effect is currently strongly considered to be 

included in future generations of low‐power spintronic devices. 

Magnetoelectric effects naturally occur in multiferroic materials but much stronger strain‐induced 

magnetoelectric coupling can be observed in composite materials consisting of piezoelectric and 

magnetostrictive materials. The application in spintronic devices requires a detailed understanding of 

the effects of the geometry (e.g. the relative directions of the electric field and the magnetization) as 

well as thermal fluctuations on the magnetization dynamics. In this thesis, the student will perform 

micromagnetic simulations to study the magnetoelectric coupling in different geometries and 

different material systems. The goal of the thesis is to develop efficient strategies to excite, control, 

and detect magnetization dynamics (including magnetization switching, interaction with magnetic 

domain walls and spin waves) by the magnetoelectric effect and transfer them to a magnetic 

waveguide. The work will be in close collaboration with experimentalists working on integration of 

magnetoelectrics into spintronic devices for beyond CMOS logic. 

   

Page 66: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Manipulation of magnetic domain wall motion to enable spin logic devices 

Promotor: Bart Soree, Marc Heyns 

Faculty/Research Group: Engineering science/ESAT‐MTM/imec 

Daily Supervision: Van Dai Nguyen, Sebastien Couet 

Type of work: Materials;#Devices 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry x

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  x

Bionanotechnology 

 

Description:  

Exploring advanced spintronic devices for beyond‐CMOS technology 

Experimental demonstration of current‐induced domain wall (DW), i.e., the boundaries between 

regions of uniform magnetization, motion in ferromagnetic nanowires opens a novel way to store 

and to manipulate information for computation. Several DW‐based device concepts have been 

proposed to build the energy‐efficient and scalable devices. Spin logic devices based on DW motion 

are promising candidates to continue scaling down the integrated circuit and circumvent the 

limitation of current CMOS technology related to power dissipation at low dimension.  In such 

devices, the logic information is encoded in the position of a DW while its motion is employed to 

perform the logic function. Therefore, understanding the dynamics behavior of DW motion and 

controlling DW speed are critical as it essentially relates to the operational speed of the logic circuit. 

Recently, the discovery of extremely fast current‐driven DW motion and low threshold current in the 

magnetic materials composed of a very thin ferromagnet sandwiched between a heavy metal and an 

oxide offers a route towards the realization of the spin logic devices. This remarkable feature is 

entirely linked to the presence of the interfacial Dzyaloshinskii–Moriya interaction (DMI) and the spin 

orbit torque (SOT) originating at the interface of heavy metal and ferromagnetic layer. 

The goal of this internship will study the effect of DMI and SOT governing the physical process of DW 

motion in materials with perpendicular magnetic anisotropy in order to achieve fast and reliable 

current‐induced DW motion. The student will fabricate spin logic devices, from micro‐down to the 

nanoscale using cleanroom facilities at IMEC. The DW propagation characteristics in these devices 

will be studied using magneto‐transport measurements and magnetic imaging techniques as Kerr 

microscopy. A part of the experimental works will be performed in close collaboration with the 

laboratory in France. The student should have a strong interest in nanofabrication in a cleanroom 

environment as well as in leading edge research topics on magnetism and magnetic materials. 

Page 67: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Magnetoelectric devices for beyond CMOS applications 

Promotor: Bart Soree, Marc Heyns 

Faculty/Research Group: Engineering science/ESAT‐MTM/imec 

Daily Supervision: Christoph Adelmann, Florin Ciubotaru, Hasnain Ahmad 

Type of work: Materials;#Devices 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry x

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  x

Bionanotechnology 

 

Description:  

Explore and evaluate the efficiency of the magnetoelectric effect in piezoelectric/magnetic devices 

Among the technologies that could potentially represent a paradigm shift with respect to CMOS 

technology, spintronic computation presents several advantages to achieve area and power 

reduction. The possibility to perform multifrequency processing and the non‐volatility of the 

magnetic materials could provide new functionalities to circuit designers for various applications. 

However, a major limitation for the realization of spintronic devices is the lack of a scalable and 

energy efficient transducer. A promising route for both low energy and an efficient control of the 

magnetization is the usage of the magnetoelectric effect, which couples electric fields to the 

magnetization. The magnetoelectric transducer consists of piezoelectric‐magnetostrictive 

compounds (e.g. bilayers), in which the coupling between the electric and the spin domain occurs via 

strain. The strain induced in the piezoelectric layer by the applied electric field is transferred to the 

magnetostrictive film that in turn changes its magnetic state. The application in spintronic devices 

requires a detailed understanding of the coupling mechanism as well as the development of material 

systems to enhance the coupling efficiency. 

Within the thesis, the student will develop magnetoelectric devices based on different 

piezoelectric/magnetic systems and will characterize the magnetoelectric coupling in both static (DC) 

and radio‐frequency regime. The thesis will range from material‐oriented activities, such as the 

deposition and characterization of magnetoelectric compounds, device processing at imec's 

nanofabrication facilities, as well as advanced electrical characterization. This will allow to assess the 

potential of magnetoelectric devices for advanced spintronic applications, such as spin wave logic or 

magnetoelectric memories. The experimental work will be supported by modeling activities 

(materials, devices, circuits) in the spintronics group at imec. The student should have a strong 

interest in nanofabrication in a cleanroom environment as well as in leading edge research topics on 

magnetism and magnetic materials.   

Page 68: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Modeling of magnetization switching in hybrid magnetic tunnel junction 

Promotor: Bart Soree, Marc Heyns 

Faculty/Research Group: Engineering science/ESAT‐MTM/imec 

Daily Supervision: Florin Ciubotaru, Van Dai Nguyen, Sebastien Couet 

Type of work: Devices;#Modeling 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry x

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  x

Bionanotechnology 

 

Description:  

Understanding of the magnetization switching mechanisms and the domain wall propagation in hybrid magnetic tunnel junction 

Spintronic devices are intensively studied to complement and to expand the operability of the CMOS 

transistors since they can provide new functionality as non‐volatility, ultra‐low power operation and 

scalability. The magnetic tunnel junction (MTJ) elements demonstrated the technological impact as a 

new type of magnetic memories, and they also have potential to be integrated in logic devices. An 

MTJ is formed by two magnetic layers (one of fixed magnetization acting as reference, and a layer 

with switchable magnetization called free layer) separated by a thin insulating barrier. The electrical 

resistance of these structures depends on the relative orientation of the magnetization in the two 

magnetic layers and it is used to encode the information. The logic operations are based on the 

magnetization switching and the information transport through domain walls motion. 

The experimental results have shown that using the interfacial perpendicular magnetic anisotropy 

induced by the CoFeB/MgO interface enables the possibility to simultaneously satisfy the 

technological requirements of high TMR ratio for a fast and reliable reading, and low switching 

currents to reduce the power consumption. However, the DW velocities are rather moderate in 

devices based on CoFeB/MgO stacks. Recently, new engineered MTJ stacks that incorporates 

synthetic antiferromagnetic as free layers have been proposed. In this configuration a high domain 

wall velocity is expected, condition required for logic applications. 

The goal of this thesis is the understanding of the magnetization switching mechanisms and the 

domain wall propagation in these novel devices by means of micromagnetic simulations. The study 

will focus on the influence of the material parameters, the thickness of the magnetic/non‐magnetic 

layers and the device geometry on the switching behavior. The results will be used to optimize the 

stack composition for low switching energies and device scaling towards real applications. 

Page 69: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Investigation of Ga dopings behavior during the low temperature epitaxy based on high order silanes and germanes 

Promotor: Marc Heyns, Stefan De Gendt 

Faculty/Research Group: Engineering science/MTM Science/Chemistry/imec 

Daily Supervision: Andriy Hikavyy, Clement Porret 

Type of work: Materials;#Metrology & characterization 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry  x 

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology   

 

Description:  

Investigation of Ga dopings behavior during the low temperature epitaxy based on high order silanes and germanes for p‐type Source/Drain application in the advanced MOS devices. 

Epitaxial growth of group IV materials is a well‐known process and it is used at many different steps 

during the production of a wide range of semiconductor devices ranging from lasers to MOS FETs. 

Epitaxial Si is a base for the production of practically every chip. SiGe is responsible for success of 

both high frequency BICMOS and highly scaled CMOS transistors. 

At present, most of the major semiconductor players produce chips on the fin FET technology at the 

14‐10 nm technology node with 7 nm beeing around the corner. It is also often considered that 

devices at 7 and 5 nm or even smaller nodes will be based on alternative group IV semiconductors 

(SiGe, Ge). SiGe and Ge, contrary to Si allow to improve electrical characteristics of pMOS transistors 

due to higher intrinsic holes mobility. 

Although conventional growth of group IV materials on Si is well known, new device architectures 

(finFETs, gate all around FETs, nanowire FETs, etc) impose very stringent requirements on 

composition, doping, thermal budget, etc. In many cases epitaxial material has to be grown at 

temperatures which are too low for conventional precursors used in the semiconductor industry 

(silane, dichlorosilane, germane) resulting in very low deposition rates. Increase of temperature 

often leads to changed devices geometry and loss of performance. 

In order to solve the problems mentioned above, high order germanes and silanes receive lately 

considerable attention. Non selective processes based on such precursors have been developed and 

are used for the production of  GAA FinFet devices, electro absorption modulators and memory 

devices. The next step is to investigate possibilities for doping and growth selectivity in order to 

develop processes suitable for application on patterned wafers. 

Page 70: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

The aim of this work will be to study the epitaxial growth of SiGe:Ga using advanced precursors for 

epitaxy and Ga as a new doping element. The main focus will concern the growth kinetics, structural 

and electrical properties of the obtained layers. 

The candidate is expected to:focus on the epitaxial growth aspects and study the physics and 

chemistry involved in the CVD of group IV materials using high‐order silanes and 

germanes;investigate epitaxial material properties, characterize defects and study their electrical 

activity;learn and master characterization techniques such as X‐ray diffraction, micro 4‐point probe, 

SEM,SIMS, etc   

Page 71: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Wireless power and communication for smart contact lens 

Promotor: Chris Van Hoof 

Faculty/Research Group: Engineering science/ESAT/imec 

Daily Supervision: Bogdan Raducanu 

Type of work: Circuit Design 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry

Nanoelectronic design  x

Nanodevices and nanophysics 

Bionanotechnology  x

 

Description:  

Design a wireless communication and power transfer circuit for a smart contact lens. 

Healthcare monitoring is expanding into daily products. One such platform which has opened up the 

possibilities for advanced measurement as well as eye prosthetics is the contact lens. Miniature 

circuits and sensors can be embedded into flexible lenses providing information about the user’s 

health. However, powering such circuits for long times as well as providing a way to exchange data 

wirelessly is proving challenging.  

A smart contact lens contains a sealed circuit which requires a rechargeable battery to achieve daily 

operation while measuring biological parameters or providing eye prosthetics. The circuits inside will 

need to communicate to an external platform for data transfer or parameters exchange as well as 

provide a way of recharging the battery.   

The goal of this work is to design a wireless communication and power transfer circuit adhering to 

known (i.e. NFC) or proprietary standards, which can be used as part of a CMOS contact lens ASIC. 

The student will experience the full design process from ideal block modeling to transistor level 

design, layout, and post‐layout verifications.   

   

Page 72: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Phase to digital converter for oscillator‐based neural recording pixels 

Promotor: Chris Van Hoof 

Faculty/Research Group: Engineering science/ESAT/imec 

Daily Supervision: Shiwei Wang 

Type of work: Circuit Design 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry

Nanoelectronic design  x

Nanodevices and nanophysics 

Bionanotechnology  X

 

Description:  

Pave the way to high‐resolution brain machine interface with enhanced digital neural pixels. 

There will be an ever‐increasing demand for high‐resolution brain machine interface devices in 

research, clinical, and also consumer applications. Such devices require advanced ASICs with high‐

density digital neural recording pixels to translate activities of large neuronal populations into '0' and 

'1's that can be precisely understood by computers. Oscillator‐based neural recording circuits have 

become exceedingly popular by virtue of its advanctages in area‐efficient implementation and its 

potentials to benefit from CMOS technology scaling. This project will be carried out on the basis of an 

oscillator‐based neural recording pixel chip developed at imec. The pixel chip encodes neural 

potential signals into phase domain, and a phase‐to‐digital converter is needed next for digitization. 

In the first phase of the project, the student will develop a phase‐to‐digital converter using 

commercial off‐the‐shelf components, and build a complete neural recording channel with the pixel 

chip. In the second phase, the student will design and implement the phase‐to‐digital converter using 

custom CMOS integrated circuits, and to integrate the design with the existing neural pixel circuitry, 

and ultimately develop an ASIC with low power, small‐area, oscillator‐based digital neural recording 

pixel array.  

   

Page 73: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Hardware design for Binary Neural Network 

Promotor: Chris Van Hoof 

Faculty/Research Group: Engineering science/ESAT/imec 

Daily Supervision: Dwaipayan Biswas 

Type of work: Circuit Design 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry

Nanoelectronic design  x

Nanodevices and nanophysics 

Bionanotechnology  x

 

Description:  

Energy efficient architecture and design for resource constrained sensor platforms. 

 

The thesis is intended to explore an architecture and hardware design for binary neural networks for 

resource constrained sensorplatform.The design will target a heart rate monitoring application from 

wrist‐worn photoplethysmography (PPG) signals.  

Wrist‐worn PPG signals provide a pervasive solution towards measuring physiological parameters, 

e.g. heart rate. Due to itsform factor advantages, they have gained popularity over ECG sensing 

modalities. However, data collected through PPG sensors suffer from interference due to motion 

artifacts when used in ambulant environment. CNN, LSTM, are populardeep learning algorithms, 

providing a powerful medium to solve critical problems and has itsadvantages over traditional 

feature‐based machine learning approaches. We use abinaryCNN‐LSTM based approach toestimate 

heart rate from wrist‐worn PPG data, collected in ambulant environment during intense motion.   

For real‐time operations, a hardware design of the framework is required in conjunction with the 

sensor front end. This will require understanding the algorithm, the specific networkoperation and 

develop an optimized architecture and hardware design in terms of area‐power‐accuracy. This will 

require a thorough literature review of existing designs for binary accelerators and implementing one 

for the given application. The candidate is expected to perform verification of the designed hardware 

and explore possibilities for demonstrating real‐time operations on a FPGA or ARM core.The 

candidate is expected to have preliminary knowledge of Python, Matlab, C and sufficient hardware 

design knowledge usingVerilog/VHDL/System Verilog HDL.   

Page 74: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Evaluation of quality metrics for contact and non‐contact physiological signals 

Promotor: Chris Van Hoof 

Faculty/Research Group: Engineering science/ESAT/imec 

Daily Supervision: Neide Simoes Capela, Ivan Dario Castro Miller 

Type of work: Modeling 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry

Nanoelectronic design  x

Nanodevices and nanophysics 

Bionanotechnology  x

 

Description:  

During the previous years, imec has been working on the development of technologies for the acquisition of physiological signals from the human body in every‐day environments. This includes different form factor of electronic designs that allow to monitor 

What is the performance of quality estimation methods for contact‐based physiological signals (ECG 

& BIOZ) when applied to non‐contact based signals and vice‐versa? What features/methods from 

each domain can be used/merged with features from the other domain?  

During the previous years, imec has been working on the development of technologies for the 

acquisition of physiological signals from the human body in every‐day environments. This includes 

different form factor of electronic designs that allow to monitor the electrocardiogram (ECG), 

bioimpedance (BIOZ), among other relevant physiological signals. Since the goal is to allow 

monitoring with minimal obtrusiveness in everyday life, miniaturized devices [i] and even contactless 

devices [ii,iii] have been developed for this purpose.  

 An important challenge when obtaining signals from real‐life environment is the presence of motion 

artefacts that reduce the usability of the signal or completely distorts it. To face this challenge, imec 

has been working on quality indicators for ECG and BIOZ, both for signals obtained with contact and 

contactless [iv] devices.  

 This internship aims to, after an initial literature review, perform an evaluation of imec’s existing 

algorithms for quality indication, based on data that has either been already collected or is expected 

to be collected by the start of the internship. One of the most interesting questions to solve is 

whether the quality indicators that have been shown to be effective in contact‐mode signals are also 

effective in non‐contact mode signals, and vice‐versa.  

After an initial assessment of the available algorithms for quality estimation, and its performance 

when applied to the different modalities (contact ECG, non‐contact ECG, contact BIOZ, non‐contact 

BIOZ) the student is expected to perform a feature and algorithm optimization, suggesting which 

Page 75: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

methods may be effective in each modality but less effective in other, and which may be applicable 

to the different modalities (both across signal type and across acquisition technology), suggesting 

feature/algorithm merging between modalities/technologies when applicable. The internship/thesis 

work may start by a focus on ECG signals (contact & non‐contact) and then move to BIOZ (and 

possibly other physiological) signals, depending on the time and the findings of the first part of the 

internship.  

[1] Imec, accessed: 2018.12.13,http://www.imec‐int.com/drupal/sites/default/files/2017‐

03/HEALTH%20PATCH_1.pdf 

[1] Castro, I. D., Morariu, R., Torfs, T., Van Hoof, C., & Puers, R. (2016, May). Robust wireless 

capacitive ECG system with adaptive signal quality and motion artifact reduction. In Medical 

Measurements and Applications (MeMeA), 2016 IEEE International Symposium on (pp. 1‐6). IEEE. 

[1] Torfs, T., Chen, Y. H., Kim, H., & Yazicioglu, R. F. (2014). Noncontact ECG recording system with 

real time capacitance measurement for motion artifact reduction. IEEE transactions on biomedical 

circuits and systems, 8(5), 617‐625. 

[1] Castro, I. D., Varon, C., Torfs, T., Van Huffel, S., Puers, R., & Van Hoof, C. (2018). Evaluation of a 

Multichannel Non‐Contact ECG System and Signal Quality Algorithms for Sleep Apnea Detection and 

Monitoring. Sensors, 18(2), 577. 

   

Page 76: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Mixed‐signal Frontend Design with Convolutional Neural Network Computational Capacity 

Promotor: Chris Van Hoof 

Faculty/Research Group: Engineering science/ESAT/imec 

Daily Supervision: Shuang Song, Dwaipayan Biswas, Didac Gomez Salinas 

Type of work: Circuit Design 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry   

Nanoelectronic design  x 

Nanodevices and nanophysics   

Bionanotechnology  x 

 

Description:  

Enhancing the performance of data driven deep learning network by exploring the analogue and mixed signal sensor frontend with convolutional neural network computational capacity. 

Recent effort on biomedical signal processing for health monitoring has shown promising results by 

using machine learning (i.e. deep learning) based algorithms. While the training phase can be 

performed offline on optimized hardware, implementing such neural network models on resource 

constrained wrist‐worn platforms incurs research challenges in terms of chip area and power 

consumption. This introduces a new opportunity to design an energy‐efficient sensor frontend within 

a mixed‐signal network to perform part of the neural network related computation, which offloads 

digital processing. The mixed‐signal network provide high power/area efficiency together with good 

reconfigurabilities. The research will involve understanding a) PPG‐applications; b) deep learning 

algorithms, c) hardware architecture (conventional, CIM, time‐domain, mixed‐signal etc.) 

implementing the ML algorithm, d) low power analog and digital circuit design to perform basic 

neural related computation and implementing neural network related computational capabilities.

Page 77: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Driving digital innovation in mental health applications 

Promotor: Chris Van Hoof 

Faculty/Research Group: Engineering science/ESAT/imec 

Daily Supervision: Walter De Raedt 

Type of work: Modeling 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry

Nanoelectronic design  x

Nanodevices and nanophysics 

Bionanotechnology  x

 

Description:  

Explore the potential of wearable sensor data towards understanding mental health 

Can we develop mental health understanding further based on new technologies?  

Over the last 3 years  several datasets on stress and mental health on diverse populations were 

collected at imec. Data types include activity, logs of feelings, stress annotations and physiological 

data from wearables (HR, GSR,…). Additionally to our internal development on algorithms for 

behavior modeling, we are searching novel ways of mining our datasets and uncover new insights 

from the data. 

Depending on the background of the candidate and needs of the project, the work will be focused on 

experimental design (protocol design and collection of data for small pilot studies) or data science 

(analysis of the datasets, propose innovative research questions and mine our dataset to test 

hypothesis). 

These investigations will have as an outcome novel insights in the mental health state and behavior 

of our study populations. 

This work is integrated into the digital phenotyping framework of the imec.iChange research 

program. You will be working in a multi‐skilled team including junior researchers and Senior 

Biomedical Engineers and Data Scientists. 

Tasks:Study the problem & provide state‐of‐the‐art analysis of literaturePropose a research 

hypothesis on the dataset, apply and validate a technical solution – algorithmic technique.Compare 

the proposed solution with other methods.Organize and document dataset.Pre‐process the data and 

apply descriptive statistics to data.Deliver documented code.Write technical documentation and 

conference paper.Present results to the team (intermediate and final). 

  

Profile: 

Page 78: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Biomedical Engineering, Computer Science, Psychology (specialization Psychology: Research, 

Psychology: Theory and Research, Psychology: Behavioral Data Science or a similar track) 

Proficient practical knowledge of one or more of the following languages: Python, Matlab, 

R.Familiarity with data analytics and statistical methods.Analytic and critical thinking. 

   

Page 79: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  ADC design for compute‐in‐memory based Neural Network accelerators 

Promotor: Francky Catthoor 

Faculty/Research Group: Engineering science/ESAT/imec 

Daily Supervision: Stefan Cosemans ,Peter Debacker 

Type of work: Circuit Design  

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry

Nanoelectronic design  x

Nanodevices and nanophysics 

Bionanotechnology 

 

Description:  

Explore the impact of imec’s technology compute‐in‐memory solutions on tomorrow’s Machine Learning and AI circuits. 

Machine learning is transforming our world by increasingly influencing different aspects of our life. 

Some of the most powerful machine learning algorithms, called deep learning algorithms or deep 

neural networks, demonstrate state‐of‐the‐art performance on a range of tasks. Although 

impressive, this high performance comes at a cost: Deep learning algorithms require billions of 

computations during inference and even more during training, they can be hard to train, and require 

high power and performance, as well as large memories to store the trained weights in the networks. 

This makes them hard to use in mobile devices at the edge. 

To enable energy efficient yet high performance inference for neural networks, imec is working on 

dedicate memory and logic devices that can enable in‐memory computation for convolutional neural 

networks (CNN) and long short‐term memory (LSTM) networks. In this case, the trained weights are 

stored in the (possibly non‐volatile) memory and the ubiquitous multiply‐accumulate operation is 

performed in the memory in an analog fashion. The analog sums of products are then converted back 

to digital signals by analog‐to‐digital convertors (ADCs) in the memory periphery. 

This project’s goal is to design the ADCs, starting from the specifications for analog in‐memory 

compute for neural networks. Since the ADCs will be placed in an array in the periphery of the 

memory, there will quite a few physical constraints to match it to the memory arrays. The work will 

cover design, circuit, layout and simulations to quantify the ADC trade‐offs in performance, area, 

energy and precision for deep learning applications 

   

Page 80: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Voltage‐controlled magnetic anisotropy (VCMA) for high‐speed and low‐power memory application 

Promotor: Guido Groeseneken 

Faculty/Research Group: Engineering science/ESAT/imec 

Daily Supervision: Woojin Kim 

Type of work: Materials;#Devices;#Metrology & characterization 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry  x 

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology   

 

Description:  

Voltage‐controlled magnetic anistoropy will enable beyond GHz writing in spintronic devices above STT‐MRAM. 

Magnetic random access memory (MRAM) has multiple advantages to serve as next generation non‐

volatile cache memory. Currently, the magnetic states '1' and '0' are processed by spin transfer 

torque (STT) effect, which requires large current injection and large writing energy. Such energy 

consumption can be potentially reduced by several orders of magnitude with (the assistance of) 

Voltage Control of Magnetic Anisotropy (VCMA) effect, a recent discovered magneto‐electric effect 

[1]. 

In a simple system for research, the stack has a MgO/Ferromagnet(FM)/Metal(M) tri‐layers structure. 

The MgO/FM interface induces interfacial perpendicular magnetic anisotropy (iPMA) through orbitals 

hybridization, which provides the energy barrier for data storage. When a voltage is applied across 

MgO, the electron occupation at the interface is modified and the strength of iPMA is changed, so‐

called VCMA effect. The present VCMA effect is however not sufficient for practical application. To 

achieve VCMA switching while maintaining enough retention, an improvement of VCMA coefficient 

of at least 5 times is required. Improving methods have been widely proposed, but to keep the 

essential stack materials for MTJ, adding dusting layer to the MgO/FM interface is more a practical 

treatment. 

In this topic, student will:Explore the influence of dusting materials to the magnetic properties and 

seek for the potential dusting materials to enhance the VCMA effect.Characterization of VCMA 

properties with Anomalous Hall Effect through self‐fabricated Hall bar structures.Implement the well 

performed stacks into the state‐of‐the‐art MTJ as final demonstration.  Depending on interest, 

student can also Design new masks for UV lithography and for more reliable AHE measurement 

[1] T. Maruyama et al., “Large voltage‐induced magnetic anisotropy change in a few atomic layers of 

iron.” Nature Nanotechnology, vol 4, 2009.   

Page 81: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Transparent metamaterials made by photolithography for 3D displays 

Promotor: Jan Genoe 

Faculty/Research Group: Engineering science/ESAT/imec 

Daily Supervision: Guillaume Croes 

Type of work: Materials;#Devices;#Metrology & characterization 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry x

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  x

Bionanotechnology 

 

Description:  

Towards 3D video holography ‐ the next generation of display technology 

Holography creates true 3D imaging by illuminating a sub‐wavelength patterned structure. While 

static holograms are established since decades, video rate holography has not been realized due to 

very challenging resolution and bandwidth requirements. However, the ever‐evolving silicon industry 

has made it plausible to target both requirements. The proposed Master thesis topic is making use of 

state‐of‐the‐art semiconductor technology in realizing real 3D video projection. 

In detail, this master thesis topic revolves around a metamaterial cladding to modulate light on a 

subwavelength scale in an attached waveguide. This thesis will form a first step in the experimental 

realization of such a metamaterial by investigating the optical and electrical material parameters in 

dependence of different process conditions and parameters. The work will focus on material growth 

(sputtering and PECVD) of transparent layers such as ITO, IGZO, SiO2 and Si3N4, photolithography 

and characterization of the created structures by AFM and ellipsometry. 

You are going to join an interdisciplinary and multicultural team of highly skilled scientists and 

engineers that make the impossible possible. We offer you the opportunity to make your next career 

step by working in one of the world’s premier research centers in nanotechnology at its headquarters 

in Leuven, Belgium. 

You can expect from us a thorough training at the start of your job. We teach you how to work with 

the advanced algorithms and equipment available at imec. 

We are proud of our open, multicultural, and informal working environment with ample possibilities 

to take initiative and show responsibility. 

   

Page 82: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Finite difference time domain simulations for video‐rate holography 

Promotor: Jan Genoe    

Faculty/Research Group: Engineering science/ESAT/imec 

Daily Supervision: Guillaume Croes 

Type of work: Modeling 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry

Nanoelectronic design  x

Nanodevices and nanophysics  x

Bionanotechnology 

 

Description:  

Visualize the 3D display technology of the future with state‐of‐the‐art optical simulators 

Holography creates true 3D imaging by illuminating a sub‐wavelength patterned structure. While 

static holograms are established since decades, video rate holography has not been realized due to 

very challenging resolution and bandwidth requirements. However, the ever‐evolving silicon industry 

has made it plausible to target both requirements. The proposed Master thesis topic is making use of 

state‐of‐the‐art semiconductor technology in realizing real 3D video projection. 

 This master thesis addresses the underlying principle of a holographic display, namely the light 

propagation in a slab waveguide with a metamaterial cladding. To achieve efficient and precise light 

outcoupling it is essential to understand the modulation requirements of the waveguide. Within this 

thesis, the candidate is performing time‐dependent modelling of light propagation in various device 

designs by finite difference time domain simulations (FDTD) using a commercial software package. 

The target is to determine the experimental boundaries for material and design parameters that are 

used in the practical realization of the project. 

 Knowledge of the MATLAB or Python programming language are beneficial. 

 The candidate is going to join an interdisciplinary and multicultural team of highly skilled scientists 

and engineers that work at the forefront of research. We offer you the opportunity to make your 

next career step by working in one of the world’s premier research centers in nanotechnology at its 

headquarters in Leuven, Belgium. 

You can expect from us a thorough training at the start of your job. We teach you how to work with 

the advanced algorithms and you gain a good inside on the experimental part related to your 

computational work. 

   

Page 83: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Design of a low‐noise amplifier for flexible neural probes based on metal oxide semiconductors 

Promotor: Jan Genoe  

Faculty/Research Group: Engineering science/ESAT/imec 

Daily Supervision: Horacio Londono Ramirez, Jan Genoe 

Type of work: Modeling;#Circuit Design  

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry   

Nanoelectronic design  x 

Nanodevices and nanophysics   

Bionanotechnology   

 

Description:  

Help building novel devices to understand the brain 

Electrical neural recordings are based on the measurement of voltage differences by an electrode 

located in the proximity of neurons. Currently at Neuro‐Electronics Research Flanders (NERF), in 

collaboration with imec, we are working on developing large‐scale, high‐density, flexible neural 

probes that can offer high spatial resolution and spatial sampling coverage of the brain tissue. To 

overcome some limitations of passive neural probes, such as limited electrode count and higher 

noise levels, we have decided to employ active electronic circuits that allow the multiplexation and 

amplification of the neural signals. 

The flexible neural probes we are developing are based on thin‐film transistors (TFTs) that utilize 

metal oxide semiconductors as the channel layer. These devices have attractive characteristics, such 

as high uniformity, high electron mobility (10 – 50 cm2/V‧s), and their fabrication at low 

temperatures on plastic substrates. However, they also present some drawbacks, such as their higher 

intrinsic low‐frequency noise compared to silicon devices. 

For our application, it would be desired to have an amplifier in close proximity to the recording 

electrode in order to increase the signal‐to‐noise ratio. With this project, we would like to explore 

the feasibility of using an amplifier based on metal oxide semiconductors for the measurement of 

low voltage neural signals. The thesis includes the design, simulation and characterization of a low‐

noise amplifier that meets the requirements for neural probes, such as low noise and low area 

footprint. 

Previous experience with analog design is desired but not required. 

   

Page 84: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Experimental characterization of selector for high‐density memory 

Promotor: Jan Van Houdt 

Faculty/Research Group: Engineering science/ESAT/imec 

Daily Supervision: Andrea Fantini, Daniele Garbin 

Type of work: Experimental work (electrical characterization (70%)), and simulation and modeling (~10%), up‐to‐date literature on selectors (~20%) 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry   

Nanoelectronic design  x 

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology   

 

Description:  

Hands‐on experience on solutions for industry's high density memory challenges 

These last years, the demand for high‐density and fast‐access non‐volatile memories has been 

steadily increasing. However, there is no existing product satisfying this need today, between the fast 

but volatile DRAM technology and the high‐density but slow‐access 3D Flash technology. Hence, the 

‘Storage Class Memory’ (SCM) has emerged to fill this speed‐density gap in the memory hierarchy, 

enabling the development of future computing and/or storage systems by providing a fast and cheap 

memory alternative.   

Several emerging memory concepts, like resistive random‐access‐memory (RRAM), phase‐change 

RAM (PCRAM), or Magnetic RAM (MRAM) concepts hold the promise of showing both speed and 

density specifications of SCM. On the other hand, in today’s memory array cross‐point architecture, 

the main factor limiting high‐density integration is the “sneak path” current or capacitive issue during 

read and write programming of the memory device. To overcome this issue a two‐terminal access 

device (selector) in series with the memory element is required to enable addressing individual 

memory cells in an array without disturbing the others. This select device must be scalable, have high 

rectification ability, following the operation mode of the memory cell (typically bipolar) and allow for 

high drive current densities, required to switch the memory element.   

To fulfill these requirements, many selector concepts are currently under investigation. Amongthem, 

imec has recently advanced in the development of the chalcogenide‐based Ovonic Threshold Switch 

(OTS) technology. For high enough voltages, OTS technology relies on the appearance of a negative 

differential resistance (NDR) branch in the selector I‐V characteristic to grand high driving capability 

and large non‐linearity. These performances come at the expense of relatively high voltage and 

voltage spiking across the memory element. Although excellent potential was demonstrated for this 

technology [1,2], the switch mechanism is not well understood. Alternative selector concepts, 

generally based on the rectifying behavior of Schottky contact, are also investigated in view of close 

integration with MRAM technology. Indeed, such selectors, characterized by a diode‐like behavior, 

Page 85: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

generally avoid OTS voltage issue which is critical for a low voltage, low power technology such 

MRAM. Imec has recently started a broad research activity on the topic exploring Mixed Ionic 

Electronic Conductors (MIEC), Metal‐Semiconductor‐Metal (MSM) diode, novel vertical IGZO‐based 

diode.  

The purpose of this MSc is to investigate the electrical performances and reliability properties of the 

above‐mentioned selector devices by studying how composition, material variations, and integration 

processes, impacts critical device parameters in order to identify knobs for device improvement. To 

fulfill these goals state‐of‐the art measurement tools and data analysis software will be adopted. The 

MSc work will be carried out in the frame of the Imec Industrial Affiliation Program (IIAP), thus in 

close relation with industrial partners and within a team consisting of experts in various fields 

(processing, integration, physical characterization, modeling, reliability...).  

References: [1] B. Govoreanu et al., VLSI 2017, [2] S. Clima et al., IEDM 2017. 

 

   

Page 86: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Ferroelectric device characterization for memory applications 

Promotor: Jan Van Houdt 

Faculty/Research Group: Engineering science/ESAT/imec 

Daily Supervision: Nicolo Ronchi, Jan Van Houdt 

Type of work: Devices;#Metrology & characterization 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry x

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  x

Bionanotechnology 

 

Description:  

At imec we are looking at ferroelectric memories based on hafnium oxide, join us in the journey towards the new memory technology. 

Ferroelectricity has attracted the attention of scientists and engineers in the effort of using the 

polarization state of a ferroelectric material to encode and store information. However, it was only in 

recent years that the use of ferroelectricity for non‐volatile memory (NVM) applications got a major 

step forward thanks to the discovery of ferroelectricity in hafnium oxide (HfO2). 

Hafnium oxide has been widely studied as replacement of the silicon oxide for the gate dielectric in 

the MOS stack. On top of that, it has been demonstrated that a small amount of dopant, a capping 

layer and a thermal anneal can induce the transformation of the dominant monoclinic phase of the 

HfO2 lattice structure into a non‐centrosymmetric orthorhombic phase, which is the origin of its 

ferroelectric properties. Therefore, a material like that, which is CMOS compatible and shows 

ferroelectric behaviour, paves the way to a new generation of faster and less power‐demanding 

memories. 

At imec we are working towards the understanding and the optimization of the hafnium oxide for 

memory application. We are looking to the fundamental properties of the material through test 

structures like simple planar capacitors. And we study the electrical behaviour and reliability of fully 

processed Fe‐FET (Ferroelectric FET) with hafnium oxide as gate dielectric. Moreover, at imec we 

proposed and demonstrated for the first time the use of polycrystalline silicon (poly‐Si) as electrodes. 

Such study provides an important input for 3D applications, aiming at disrupting the 3D NAND 

market. 

During your internship you will be member of the memory device team, and your characterization 

work will be helpful for the understanding and development of state‐of‐the‐art ferroelectric 

technology. You will have the chance to work with device characterization, reliability and integration 

engineers. 

Page 87: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

We are looking for candidates with:Excellent communication skills, both oral and writtenAbility to 

independently adapt & learnBackground in solid state physics and electronicsKnowledgeable in 

software tools for data analysis (Python, Matlab/Octave, Excel...) 

Constitute a plus but not a requirement:Experience on measurement tools for semiconductor device 

characterization (e.g. parameter analysers, oscilloscopes, etc.) 

   

Page 88: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Selective p+ emitter formation for n‐type silicon solar cells 

Promotor: Jef Poortmans 

Faculty/Research Group: Engineering science/ESAT/imec 

Daily Supervision: Sukhvinder Singh 

Type of work: Devices;#Metrology & characterization 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry x

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  x

Bionanotechnology 

 

Description:  

A one‐step solution for improving the emitter of silicon solar cells 

Presently, the majority of commercially available PV modules  are made using front junction silicon 

solar cells based on p‐type Czochralski (Cz) substrate with full aluminum BSF and more recently with 

local rear contacts (PERC – Passivated Emitter and Rear Contact ‐ cells). This transition is propelled by 

the need to reduce metallization related recombination and optical losses on the rear side of the cell 

thereby improving the efficiency. In order to reduce recombination losses from Ag front 

metallization, various methods to form phosphorus based selective emitter have been implemented 

in p‐type solar cells. These selective emitter technologies feature heavy phosphorus doping under 

screen printed contacts and shallow doping elsewhere. These  offer the advantages of having both a 

low specific contact resistivity and low recombinations for passivated surface and metal contacts 

without compromise. 

The next technology transition towards cells based on  n‐type substrates is starting. Solar cells based 

on n‐type substrates offer advantages such as absence of light induced degradation, higher tolerance 

to many transition metal impurities (including Fe, Ti, V, Cr) and much lower sensitivity  to  the 

presence of the laser induced dislocations. The share of n‐type silicon based solar cells is expected to 

increase in the coming decade according to the International Technology Roadmap for photovoltaics 

(ITRPV). For front junction n‐PERT solar cells, a cost effective and simple selective emitter technology 

for boron doping needs to be developed. A new idea (currently under study for a potential patent 

application) will be investigated to obtain both a highly doped p++ region in the contact area and a 

more lowly doped p+ region in the passivated area in a simple, industrially applicable manner. 

Various parameters of these 2 different regions will be characterized. These include:Sheet resistance 

of highly and lowly doped boron regionsRecombinations of passivated regions characterized by dark 

saturation current density,Contact resistivity to highly doped boron regions Recombinations of 

metallized regions characterized by dark saturation current density 

   

Page 89: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Development of poly silicon based passivating contacts using sputtering 

Promotor: Jef Poortmans 

Faculty/Research Group: Engineering science/ESAT/imec 

Daily Supervision: Sukhvinder Singh 

Type of work: Devices;#Metrology & characterization 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry x

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  x

Bionanotechnology 

 

Description:  

A new simple Si sputtering technology to improve the solar cells of the fut 

Silicon based solar technology has made tremendous improvements in the last decade. In order to 

boost the efficiency of silicon solar cells to come closer to the theoretical efficiency limit, carrier 

recombination specifically at the metal contacts needs to be further reduced. To tackle this 

challenge, contact passivating structures based on polycrystalline silicon (poly‐Si) layers have been 

investigated in recent years. The majority of the poly‐Si based passivating contacts have been 

achieved by chemical vapor deposition techniques like LPCVD or PECVD (Low Pressure or Plasma 

Enhanced Chemical Vapor Deposition). These techniques involve the use of hazardous materials (e.g. 

silane, phosphine etc.) and high temperature processing. Further, these poly‐Si layers have been 

successfully implemented on the rear side of the solar cells, although their implementation on the 

front side of the cells is more challenging. This is due to the significant light absorption by these 

layers, reducing the available light for carrier generation in the active part of the solar cell. In order to 

use these layers on the front side, the patterning of  poly‐Si layers is required, such that these layers 

remain only under the metal contacts. This requires ex‐situ processing of masking and etching of 

unwanted poly‐Si regions. 

Very recently polysilicon layers deposited by  physical vapor deposition methods with similar 

passivation quality (to CVD methods) haven been proposed. These methods include magnetron 

sputtering or electron‐beam evaporation. Using these techniques, poly‐Si layers could be deposited 

at room temperature without the use of any harmful precursor. Doped (n or p‐type) poly‐Si layers 

could be deposited by means of a suitably doped silicon target without the need of 

phosphine/diborane gases or ex‐situ doping. In addition, sputtering allows single‐side poly‐Si 

deposition unlike LPCVD techniques. Magnetron sputtering is especially attractive for various reasons 

including a) the possibility to deposit layers over a large area with very good uniformity, b) conformal 

deposition over rough surfaces, c) maintaining the composition of the target material in the 

deposited layer d) the possibility to use low cost polycrystalline target material, and e) high 

throughput for thin layers. Importantly, the use of room temperature and directional deposition for 

sputtering enables the use of an in situ mask for patterned deposition. This could enable the easy 

Page 90: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

implementation of polysilicon layer at the front side of the solar cell without ex‐situ pattering steps. 

Such patterned deposition of poly‐Si by PVD methods has not been demonstrated yet. 

In order to study the viability of sputtering of poly silicon for the application of passivating contacts, 

the following issues need to investigated in this thesis:Crystalline quality of sputtered layers in terms 

of amorphous content, crystallite size and defects.Doping characterization of polysilicon layers (in‐

situ and ex situ) by means of sheet resistance, SIMS or ECVSurface and contact passivation by doped 

poly‐Si layers.Patterning of the layers by masking and assessment of the contamination coming from 

the deposition process of patterned layers   

Page 91: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Co‐plating of polysilicon‐based passivating contacts in bifacial solar cells 

Promotor: Jef Poortmans 

Faculty/Research Group: Engineering science/ESAT/imec 

Daily Supervision: Maria Recaman Payo 

Type of work: Devices;#Metrology & characterization 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry x

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  x

Bionanotechnology 

 

Description:  

Towards the theoretical efficiency limit in silicon solar cells by means of a novel co‐plated passivating contact approach 

In the last years, PV manufacturing has seen a shift from Al‐BSF (Back Surface Field) to PERC 

(Passivated Emitter and Rear Contact) solar cells to drive down the recombination current at the rear 

surface of the cells. Other shifts, e.g. transition from multicrystalline to monocrystalline material and 

from p‐type to n‐type base doping, are also taking place to minimize recombination currents in the 

bulk of the device. However, today the weakest point of crystalline silicon solar cells is still the 

recombination at the semiconductor/metal contact interface. To maximize the open circuit voltage 

of silicon solar cells and approach the thermodynamic efficiency limit, commonly known as Shockley‐

Queisser limit, a lot of the recent research in the field of crystalline silicon photovoltaics has focused 

on mitigating the recombination losses at that interface. 

In crystalline silicon solar cells, this problem can be effectively tackled with the implementation of 

polysilicon‐based passivating contacts. A polysilicon‐based contact consists of the stack 'interfacial 

oxide/n‐type or p‐type polysilicon thin‐film/metal' at the un‐doped or doped semiconductor surface 

to be contacted. As a passivating contact, this structure must be designed to shield the minority 

carriers from the recombination sites at the metal contact while enabling a good transport and 

collection of the majority carriers to that contact. Thus, the ideal passivating contact would feature 

minimum minority carrier recombination as well as low specific contact resistivity. 

Polysilicon‐based passivating contacts show a lot of potential, but every effort must be taken to 

retain the excellent passivation quality during metallization. The standard metallization technique in 

the industry consists of screen‐printing. However, screen‐printing offers 2 main disadvantages: (a) it 

has a quite high Ag usage, and (b) it is not ideal for maintaining the polysilicon passivation quality in 

the metallized regions due to the etching of the poly‐Si layer during the subsequent firing step of the 

contacts. 

Page 92: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Therefore the main purpose of this research work is the development of a soft plating metallization 

process for polysilicon passivating contacts. On the one hand, the plating would limit the Ag 

consumption. On the other hand, it has the potential to minimize the metallization‐induced damage 

compared to screen‐printing and, therefore, to maintain the passivation quality while enabling the 

use of thinner polysilicon layers. 

The research work realized during this internship will focus on different aspects of the plating of 

polysilicon‐based contacts, among which:Improvement of the first step of the plating sequence, 

immersion plating of nickel, which accounts for the main losses in the passivation quality during the 

metallization process itself.Co‐plating or, in other words, simultaneous plating of both n‐type and p‐

type polysilicon contacts in bifacial solar cell structures.Quantification of the metallization 

performance of plated polysilicon contacts based on: (1) recombination losses by means of PL‐QSSPC 

(Photo‐Luminescence‐Quasi Steady State Photoconductance Decay), (b) specific contact resistivity, 

and (c) metal adhesion.Material characterization (SEM, TEM, ECV, EDS...) of the polysilicon contact 

after metallization   

Page 93: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Understanding and modelling the electronic transport properties of Poly‐Si Passivating Contacts by Low‐Temperature I‐V Characterization 

Promotor: Jef Poortmans 

Faculty/Research Group: Engineering science/ESAT/imec 

Daily Supervision: Meric Firat 

Type of work: Devices;#Metrology & characterization 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry  x 

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology   

 

Description:  

Demystifying the carrier transport through novel passivating contact layers 

With the challenges posed by the global warming and an ever‐increasing energy demand of the 

world’s population, transitioning to energy harvesting from renewable sources is an essential step to 

be taken for a sustainable future. While photovoltaics (PV) show great promise for facilitating this 

transition with its steadily increasing installed power generation capacity and by allowing an already 

low levelized‐cost‐of‐electricity, further price reduction is necessary to raise the share of PV in the 

global energy mix and to replace the fossil fuels. One of the most viable means for such price 

reduction is improving the power conversion efficiency of the state‐of‐the‐art solar cells produced by 

the PV industry. With its expertise in PV and cutting‐edge infrastructure, Imec’s PV department 

works towards developing highly‐efficient solar cells fabricated by methods feasible for the PV 

industry.   

This master’s thesis is concerned with investigating polycrystalline silicon (poly‐Si) passivating 

contacts for solar cells, a contact structure that recently gained a lot of attention and is poised to be 

included in industrial solar cells in the near future. These contacts consisting of a stack of an ultrathin 

silicon oxide (SiOx) and heavily‐doped poly‐Si have been shown to minimize the recombination of 

minority carriers at the metal‐silicon interface after their generation by the absorption of sunlight. 

Simultaneously, these contacts allow uninhibited extraction of the majority carriers to an external 

circuit for electricity generation. Thus, these contacts reduce both the recombination and resistive 

losses, thereby yielding higher solar cell efficiencies.    

Even though very high efficiencies up to 26.1% were demonstrated with cells incorporating poly‐Si 

contacts, the mechanism of the excellent passivation provided by these or specifically of the carrier 

transport through these structures are still disputed. There is, in fact, still no consensus whether 

current flow through the pinholes in the SiOx or tunneling through the SiOx layer is dominant. During 

this thesis, samples with a metal (rear)/c‐Si (substrate)/SiOx/poly‐Si/metal (front) stack will be 

fabricated in Imec’s clean room, the temperature‐dependent dark I‐V characteristics of the samples 

Page 94: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

will be measured at a range of very low to higher temperatures using equipment at Imec. During the 

analysis, the I‐V characteristics will be investigated to find out if features characteristic to tunneling 

are present. A similar study to determine the specific contact resistance as a function of temperature 

will follow, based on temperature‐dependent transfer length measurements, on samples featuring 

contact pads of different areas. All in all, both studies will provide fundamental insight into the 

current flow through poly‐Si passivating contacts.   

The student is required to have a solid background in materials and is expected to be motivated in 

semiconductor device characterization. During this thesis, the student will acquire fundamental 

understanding about silicon solar cells and poly‐Si passivating contacts by a literature study. 

Moreover, the student will gain valuable experiences in device characterization and fabrication and 

thus be well‐positioned for their future endeavors.   

Page 95: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Effect of biological environments and cell cultures on electronic CMOS chips. 

Promotor: Liesbet Lagae 

Faculty/Research Group: Science/Physics/imec 

Daily Supervision: Beatrice Miccoli ;Dries Braeken 

Type of work: Materials;#Devices 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  x

Bionanotechnology  x

 

Description:  

At the frontier between electronics and biology: how cell cultures  and bio‐compatible packaging affect the electronic devices. 

Complex cellular dynamics can be unveiled by the interaction of living cells with electronic devices. 

Nevertheless, biological environments can represent a harsh environment for electronics. During the 

Master Thesis/Internship activity, the candidate will use the high‐throughput CMOS multi‐electrode 

array developed by Imec to characterize the variation of the electrodes impedance after different 

bio‐chemical treatments and packaging. At first, the candidate will characterize how different 

thermal/chemical treatments and materials used to package the chip can affect the electrical 

properties of the electrodes. Afterword, the electrodes impedance will be monitored at different 

time points during multiple biological experiments also involving the culture of living cells on‐chip. 

Page 96: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  CMOS‐based spatially single‐cell gene editing and monitoring 

Promotor: Liesbet Lagae 

Faculty/Research Group: Science/Physics/imec 

Daily Supervision: Bastien Duckert 

Type of work:  

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry

Nanoelectronic design  x

Nanodevices and nanophysics  x

Bionanotechnology  x

 

Description:  

Single‐cell sensing and transfection with non‐viral vectors could be a key enabler of scalable techniques for cell therapy manufacturing, one of the hottest focus areas in pharma. In this project, A CMOS‐based multielectrode array will  be used to selectiv 

This project is centred around a CMOS chip design featuring densely spaced, individually addressable, 

subcellular‐sized electrodes for cell electrical analysis and for the delivery of molecules in adherent 

cell lines using electrical pulses (electroporation). A wide set of electrical pulse parameters will be 

screened to optimize cell survival and the efficiency of delivery of fluorescent molecules as measured 

by confocal microscopy combined with image processing. After successful delivery of plasmids into 

cells, the project will focus on the delivery of gene‐editing molecules. 

   

Page 97: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Study of the kinetics of chemical reactions in nano‐confined volumes 

Promotor: Stefan De Gendt 

Faculty/Research Group: Science/Chemistry/imec 

Daily Supervision: Guy Vereecke 

Type of work: Materials;#Metrology & characterization 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry x

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  x

Bionanotechnology 

Description:  

Discover a different aspect of nanochemistry. 

In semiconductor manufacturing, new generations of devices have entered the nano‐world, with 

critical dimensions of the order of 10 nm. Many process steps are still performed using aqueous 

chemistries, e.g. wet etching of materials for patterning and wet cleaning of surfaces. New transistor 

geometries are vertical, with the generation of 1‐D and 2‐D nano‐confined spaces (Fig. 1). The 

physico‐chemical phenomena affecting the kinetics of chemical reactions in nano‐confined volumes 

are not well understood. The only well‐documented mechanism implies variations in concentrations 

of ions caused by surface charges and the overlap of electrostatic double layers (EDL). Differences in 

etch rates observed by Okuyama et al. [1] and Vereecke et al. [2] could be qualitatively understood 

within that frame. However, changes in water properties, such as the increase in proton mobility, call 

for other mechanisms [3]. A recent study performed at imec has shown that chemical equilibria in 

nanochannels were affected by water structuring [4]. In this project, we investigate the kinetics of 

chemical reactions in nano‐channels/‐holes with 1‐D/2‐D confinement. A first reaction is the etching 

of SiO2 by dilute HF solutions that still finds many uses in semiconductor manufacturing. The student 

typically performs the wet etching tests, the data treatment of SEM (scanning electron microscopy) 

pictures generated by operators in the pilot‐line, and a kinetic analysis. Results are compared to etch 

rates obtained on planar films with film thickness measured by ellipsometry. A second reaction is a 

click‐reaction involving a SAM (self‐assembled monolayer) deposited on the structures, which is used 

in the functionalization of biosensors. Here the kinetics are studied using ATR‐FTIR (attenuated total 

reflection Fourier‐transform IR spectroscopy). The method has already been developed and tested 

on nano‐channels. Typically, the student prepares the ATR crystals (polishing), performs the FTIR 

tests using a home‐build liquid cell, as well as the data treatment and interpretation. Kinetic studies 

are complemented by the determination of the pH and water structuring in the nano‐structures by 

ATR‐FTIR and of the surface potential by a streaming technique. The content of the student project 

will be adapted depending on the progress of our research. [1] A. Okuyama et al., Solid State 

Phenom. 219 (2015) 115‐118; [2] G. Vereecke et al., Microelec. Eng. 200 (2018) 56–61; [3] K. 

Mawatari et al., Anal. Chem. 86 (2014) 4068‐4077; [4] G. Vereecke et al., Solid State Phenom. 282 

(2018) 182‐189. 

Page 98: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Understanding the light‐matter interaction of photoresist for EUV lithography 

Promotor: Stefan De Gendt 

Faculty/Research Group: Science/Chemistry/imec 

Daily Supervision: Danilo De Simone 

Type of work: Materials;#Metrology & characterization 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry x

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  x

Bionanotechnology 

 

Description:  

You will work together with a team of lithography specialists within an international environment in a modern 300 mm semiconductor cleanroom using advanced tools at the leading‐edge technology.  You will be trained in commercial and entrepreneurial skills 

In the past few decades, photolithography has been a key industrial process to scale down and 

fabricate integrated circuits. The process of scaling down has been mainly through continuous 

shortening of wavelength of the exposure tools and development in photoresists chemistry. 

However, as the current process has reached its limits, further improvements are necessary to 

continue the miniaturization trend. This can be done by reducing the source wavelength from 

current 193 nm (Deep UV) to 13.5 nm (Extreme UV), to print features of sub‐5 nm with the process 

called Extreme ultraviolet (EUV) lithography.   

 EUV lithography, which is still in research phase, is deemed to be the future of semiconductor 

industry. But in order to push this to high‐volume‐manufacturing (HVM), better performing 

photoresists are needed. Current EUV photoresist platforms have suboptimal performance with 

problems like low resolution, low sensitivity and high line‐edge‐roughness. And to optimize and 

synthesize better EUV photoresist platforms, improved understanding of the light‐matter 

interactions is needed. This can be achieved by exposing simple chemical platforms with EUV 

radiation and analyzing the change in the chemistry.   

In the frame of this project, student will expose different lithography‐based chemical platforms (such 

as simple polymers, monomers of resist materials, etc.) in EUV full field scanner, and analyze the 

change in chemistry using different characterization tools (such as Infrared (IR) spectroscopy, gel 

permeation chromatography (GPC), Raman spectroscopy and Elastic Recoil Detection (ERD)). This will 

improve his/her understanding of the lithographic process and various chemical characterization 

techniques. The student will work in an international environment with state‐of‐the‐art tools and 

interact with multiple partners present at imec.   

Page 99: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

To effectively complete the research, student should have prior knowledge about different chemical 

characterization techniques, and basic knowledge about radiation chemistry. He/she should be able 

to plan design of experiments and work effectively on imec's state‐of‐the‐art tools.   

   

Page 100: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Ultra‐thin film resist characterization for high‐NA EUV lithography 

Promotor: Stefan De Gendt 

Faculty/Research Group: Science/Chemistry/imec 

Daily Supervision: Danilo De Simone 

Type of work: Materials;#Metrology & characterization 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry x

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  x

Bionanotechnology 

 

Description:  

You will work together with a team of lithography specialists within an international environment in a modern 300 mm semiconductor cleanroom using advanced tools at the leading‐edge technology. You will be trained in commercial and entrepreneurial skills 

Electronics offer innovative ways to communication, work and live and integrated circuits (ICs) 

appear in various applications in our daily lives. Over the past five decades, the ICs have seen a 

continuous increase of computing power while at the same time increasing performance. To achieve 

this, the number of transistors on the ICs must increase per unit area. This trend, known as Moore's 

law, predicts that the number of transistors on an IC doubles every two years. In lithography, the 

smallest feature size, or critical dimension (CD), possible depends on the wavelength   of the source, 

the numerical aperture (NA) of the optical system and a correction factor  1 that accounts for non‐

ideal behavior. The miniaturization of feature sizes has been achieved mainly by shortening the 

wavelength of exposure tools. Currently, extreme ultraviolet light (EUV), with a wavelength of 13.5 

nm, is a route to become the source of the next generation lithography that enables more powerful 

chips. The further development of EUV lithography (EUVL) is heavily based on implementing the so‐

called high‐NA EUVL, in which the current NA‐value of 0.33 is increased to 0.55 to get even better 

resolution. In anticipation of the high‐NA technology, the focus is now shifted towards resist 

development. 

The resist has an important part to play in every lithography process by transferring the information 

present on the mask (e.g. all the patterns) to the substrate when irradiated with light. Throughout 

the optimization of lithographic technologies, a first challenge is the continuous downscaling of the 

film thickness of the lithography materials (resist and underlayers). The reason for this is twofold in 

that going to smaller wavelengths (i.e. higher energy electrons) means that the absorption of the 

radiation can only be kept homogeneous by reducing the film thickness. Therefore, because of the 

continuous downscaling envisioned for high‐NA technology, both photoresist film thicknesses (10 – 

35 nm) and underlying film thicknesses (3 – 20 nm) are approaching the ultra‐thin film regime, at and 

beyond the physical limits of bulk‐phase behavior. Because of this, the interface interactions 

Page 101: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

between the different layers (e.g. resist and underlayer) become increasingly dominant in ultra‐thin 

films. Therefore, a second challenge appears to be related to the inherent material characteristics 

that change in function of the film thickness. 

This project will explore the limitations of resists with respect to film thickness and focus on the 

characterization of changes that happen with going to the ultra‐thin film regime necessary for high‐

NA. This work will significantly contribute to the understanding of resist interaction and changes with 

respect to film thickness and will lead to help the design of new photoresists for EUV lithography. 

The student will work in the international research facility of imec interacting with multiple 

equipment and material partners. To accomplish this task, the student must have a chemistry, nano‐

technology or materials science background, basic knowledge on statistics and a liking for the design 

of experiments, their execution and data analysis. 

   

Page 102: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Defect reduction in directed self‐assembly processes 

Promotor: Stefan De Gendt 

Faculty/Research Group: Science/Chemistry/imec 

Daily Supervision: Hyo Seon Suh 

Type of work: Materials;#Metrology & characterization 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry x

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  x

Bionanotechnology 

 

Description:  

Advanced lithography using self‐assembling materials enables to print smaller pattern with reduced cost ‐ one of scaling booster! 

With scaling of electronic devices, printing smaller structures on the chip has become more and more 

complex and costly. For a few years, directed self‐assembly (DSA) has been considered as a viable 

and low‐cost alternative and complementary patterning option for keeping the down‐scaling alive in 

the coming years, while ensuring an economic benefit to the silicon industry. Instead of upgrading 

lithography tools and imaging materials, DSA process uses block copolymers that can spontaneously 

form 5 ‐ 30 nm features to print fine pattern. Several figures of merit have been identified and put 

forward as major checkpoints to assess the relevance of DSA processes for high‐volume 

manufacturing environment; defectivity, roughness, placement accuracy, repeatability, and cost of 

development. Your project will focus on one of the main factors that would make or break the show 

for DSA to be adopted by the IC manufacturers/production fabs – reducing the number of defects on 

the wafer after DSA and to be able to identify their root causes. The main goal of your Masters’ 

thesis/internship is to support and enable the defect reduction strategies of the DSA program at 

imec. From this project, you will first get accustomed to advanced lithography tools in our 300 mm 

wafer production line environment. As you get familiar with the DSA process and defect inspection 

techniques, the focus of your study will shift more towards automated defect review/classification 

capabilities using a 300 mm in‐line review SEM and a dedicated software. A big part of your tasks will 

also include running the weekly defectivity monitor flow and analyzing the data from it, which acts as 

the baseline to assess the impact of the various defect reduction approaches we adopt. 

[Generic DSA literature] 

1) P. Delgadillo et al., Defect source analysis of directed self‐assembly process (DSA of DSA), Proc. of 

SPIE Vol. 8680, 86800L, 2013. doi: 10.1117/12.2011674 

2) P. Delgadillo et al., All track directed self‐assembly of block copolymers: process flow and origin of 

defects, Proc. of SPIE Vol. 8323, 83230D, 2012. doi: 10.1117/12.916410   

Page 103: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Integrated microfluidic valves for Lab‐on‐chip applicaiton 

Promotor: Paul Heremans 

Faculty/Research Group: Engineering Science/ESAT/imec 

Daily Supervision: David Cheyns, Boshen Liang 

Type of work: Materials;#Devices;#Modeling 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  x

Bionanotechnology  x

 

Description:  

This research aims to address one of the open research domains in microfluidics – fluid isolation – by developing an integrated and efficient microvalve on Imec’s microfluidic platform. 

First developed in 1970s,  Lab‐On‐Chip (LOC) devices have gained both academical and commercial  

interests. With multiple laboratory functions integrated on a single chip, LOC  has provided a 

promising way to reshape the global health system by supplying  cheap and reliable medical 

diagnosis apparatus whenever and wherever they are  needed.However, compared to fast‐

developing CMOS industry where memory and  logic components are scaled towards smaller and 

smaller dimensions, few  progresses have been made in scaling medical diagnosis devices into 

portable  manners. One of the main obstacles is that current techniques for fluid  pumping, isolation 

and analysis require components based on different physics,  made on different platforms and 

packaged in different formats. This research  aims to address one of the above challenges – fluid 

isolation – by developing  an integrated and efficient microvalve on Imec’s microfluidic platform. The  

developed microvalve should be leakage tight and have fast switching speed. It  needs to be 

compatible with rest parts of the system and should show its  upscaling potential for mass 

production.This multidisciplinary topic tackles  different aspects and includes the following steps: 

literature study to obtain  a state‐of‐the‐art overview of the field, material screening, device  

fabrication and characterization. During the project the student will interact  with different experts 

from fields in electronics, biology and materials.  Hands‐on cleanroom experience and simulations 

(COMSOL Multiphysics®/ANSYS®)  knowledge can be expected. In the end, the student should give a 

presentation  and write a report/thesis. Depending on the results a journal publication  should be 

prepared.   

Page 104: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Optical design of infrared thin‐film photodetectors 

Promotor: Paul Heremans 

Faculty/Research Group: Engineering Science/ESAT/imec 

Daily Supervision: David Cheyns , Epimitheas Georgitzikis 

Type of work: Materials;#Devices;#Modeling;#Metrology & characterization 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry x

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  x

Bionanotechnology 

 

Description:  

Boosting the performance of colloidal quantum dot based infrared sensors using the combination of experiments (metrology) and simulations (python). 

 

Most modern infrared photodiode arrays combine a silicon  based backplane with an infrared 

absorbing material. These thick substrates  are flip‐bonded to the backplanes, which limits the pixel 

resolution.  Processing directly on top of a silicone backplane will increase the pixel  density and 

decreases the production cost. At the same time, this solution  will create options to fabricate 

flexible photodetectors, processing the  infrared materials on sheets in combination with flexible 

electronics. In the  recent years, colloidal quantum dots received an increasing amount of  attention 

due to their opto‐electronic properties, with applications in  light‐emitting diodes and photovoltaics. 

Once the size of a nanoparticle  reaches the exciton Bohr radius, quantum confinement effects will 

affect both  the light absorption and emission spectrum of the material. By starting from a  bulk 

material with infrared absorbing properties, one can obtain visible or  infrared absorbing quantum 

dots. The quantum dots are typically surrounded by  organic ligands that stabilize the material. The 

material can be made soluble  by selecting the correct ligand. Moreover, these ligands can limit the 

large  surface recombination inherent to the small quantum dots. The focus of this  internship will be 

on the optical aspects of such an IR absorbing stack. The  involved layers will be measured using 

ellipsometry to obtain the complex  index of refraction, depending on the ligand termination. Using a 

custom build  transfer matrix based optical simulator, you will determine the best stack  layout for 

the highest performance. These stacks will be matched with  experimental values. If applicable, the 

student will receive training on the  relevant processing and characterization tools. After a short 

introduction to  the facilities, an independent investigation is expected with the focus on short‐term  

research goals.   

Page 105: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Reliability assessment of MEMs device for wearable / flexible electronics 

Promotor: Paul Heremans 

Faculty/Research Group: Engineering Science/ESAT/imec 

Daily Supervision: David Cheyns, Yongbin Jeong 

Type of work: Materials;#Devices;#Metrology & characterization 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  x

Bionanotechnology 

 

Description:  

Investigate the electrical /mechanical reliability of cutting‐edge PMUT (Piezoelectric Micromachined Ultrasound Transducer) devices for large‐area electronics applications 

Traditional microphone units focus on human perceptible sound waves (between 20 Hz and 20 kHz). 

Acoustic development also focuses on ultrasound, compromising the frequencies above the 

detection limit of the human ear (from 20 kHz to several GHz). These sound waves can be used for a 

wide variety of applications, including medical imaging, therapeutic treatment, non‐destructive 

testing and position localization of objects. 

In the past years, imec has led the development of novel technologies that promise to meet all 

requirements of future micro‐sound systems. This internship will focus on the electrical /mechanical 

characterization and reliability assessment of cutting‐edge PMUT (Piezoelectric Micromachined 

Ultrasound Transducer) devices for large‐area electronics applications, to outline the impact of 

materials and integration schemes on the actuation performance and to identify the root causes of 

reliability failures for proposing further improvement of the stacks. You will be trained in the use of 

advanced electrical / mechanical characterization tools and you will carry out reliability assessment 

by using state‐of‐the‐art characterization techniques, benchmarking different PMUT technologies. 

Careful and critical data analysis will be an essential part of the task, as well as proposing alternative 

characterization strategies for effective reliability assessment. You will work in a dynamic R&D 

environment and you will be expected to regularly present and discuss your results with a team of 

experts in the field. Therefore, a proficient use of English is also required. A good command of data 

analysis software (Matlab, Origin, Python, etc.) will be considered a strong plus. 

   

Page 106: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  High brightness perovskite light emitting diodes 

Promotor: : Paul Heremans 

Faculty/Research Group: Engineering Science/ESAT/imec 

Daily Supervision: Azhar Fakhar Uddin, Weiming Qiu 

Type of work: Materials;#Devices 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry x

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  x

Bionanotechnology 

 

Description:  

Work on the next generation of high‐efficiency and high‐brightness thin film light sources. 

Over the past years, light emitting diodes (LEDs) have become highly efficient and economic light 

sources, replacing established technologies in lighting and display technology. LEDs based on hybrid 

perovskites can be part of the next generation of solid state light sources. Nowadays, they 

demonstrate external quantum efficiencies at par with well‐established organic LEDs or quantum‐dot 

LEDs. However, at high current densities their efficiency drops which is partly due to the electrical 

characteristics (conductivity, energetics etc.) of the charge transport/injection layers. This project 

aims to explore metal oxide based inorganic charge transport/injection layers for our in‐house 

developed hybrid perovskites and characterize their performance via a series of electrical and 

physical techniques. The project will particularly focus on attempts to push high electrical current 

densities in the order of several 100 A/cm2 into the perovskite LEDs and analyze its influence on the 

performance parameters. A success of this project is realizing the next step towards low‐cost, high‐

efficient and high‐brightness thin film light sources, opening the window for a range of new 

miniaturized applications in medicine, analytics, sensors, displays and many more. 

You are becoming a member of an interdisciplinary and multicultural team of highly skilled scientists 

and engineers that work towards the next generation of technology. At imec’s headquarters in 

Leuven, Belgium, we offer you the opportunity to make your next career step by working in one of 

the world’s premier research centers in nanotechnology. 

You can expect from us a thorough training at the start of your job. We teach you how to work with 

the advanced algorithms and equipment available at imec. 

 We are proud of our open, multicultural, and informal working environment with ample possibilities 

to take initiative and show responsibility. 

   

Page 107: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Engineering of battery interfaces using thin‐film model systems 

Promotor: Philippe Vereecken 

Faculty/Research Group: Bioengineering Science/imec 

Daily Supervision: Louis De Taeye 

Type of work: Materials;#Devices 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry x

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  x

Bionanotechnology 

 

Description:  

Most battery performance issues trace back to poor interfaces 

Li‐ion batteries will be the energy storage system of choice for both small ‐and large scale 

applications in the foreseeable future. While the technology has been around since 1991, there is still 

a lot of improvement to be made before the systems reach their full potential. Today, most 

improvement is found at the interface between the electrolyte and the electrode. In Imec, these 

interfaces are studied using thin‐film model systems. These Thin‐film batteries (1) can be integrated 

into 3D structures to create high power and high capacity microbatteries and (2) serve as a model 

system used to characterize interfaces in the battery. In this thesis, dual conductive materials are 

characterized using model systems. In a first phase, these materials will be deposited on top of inert 

current collector substrates to measure their electronic and ionic properties. In a second phase, they 

will be deposited on Li‐ion battery electrodes to characterize the effect of these coatings on battery 

performance. Optionally, Finite element modeling can be done for analysis of Lithium dynamics in 

the dual conductive materials   

Page 108: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Heterogeneous conductivity enhancement in solid state electrolytes for all‐solid‐state lithium ion batteries 

Promotor: Philippe Vereecken 

Faculty/Research Group: Bioengineering Science/imec 

Daily Supervision: Simon Hollevoet 

Type of work: Materials 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry  x 

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology   

 

Description:  

Making Li‐ions move faster at interfaces for novel solid electrolytes 

Lithium‐ion batteries (LIBs) with a solid‐state electrolyte can potentially solve two key limitations of 

today's LIBs with liquid electrolytes, namely, safety issues due to the flammability of the electrolyte 

solution and cycle life time issues due to unwanted side‐reactions at the solid/liquid interface. The 

improved safety and potentially extended lifetime of solid‐state LIBs makes them highly desired, 

however, finding a solid‐state electrolyte with Li+ conductivity comparable to the existing liquid 

electrolytes (1‐10 mS/cm) that also exhibits good electrochemical stability turns out to be extremely 

challenging. Utilizing heterogeneous doping in composite electrolytes is one promising concept for 

solving these challenges. Heterogeneous doping refers to the significantly enhanced ion transport 

that occurs at the interface between an oxide insulator and a Li‐ion conductor. Through 

combinations of oxides, surface functionalization and Li‐ion conductors the conductivity of the 

interface region can be further optimized. 

This thesis project focuses on gaining fundamental insights in the interface conductivity between 

oxides and Li‐ion conductors. The interface conductivity will be benchmarked to bulk conductivities 

using a thin‐film platform with emphasis on interface control and functionalization, both through 

gas‐phase deposition and sputter deposition. Controlled deposition of thin film electrolyte layers 

using sputter deposition or atomic layer deposition will be a big part of the project. Next to the 

process optimization and physical characterization, large effort will go into the electrical and 

electrochemical characterization of the bulk electrolyte and the interface region. The experimental 

work of the project is carried out at imec facilities. Next to the fully equipped battery lab and thin‐

film deposition facilities, the imec state‐of‐the‐art nanofabrication and characterization facilities will 

be available to carry out the research.   

Page 109: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Photoelectrochemical processes at solar cells 

Promotor: Philippe Vereecken 

Faculty/Research Group: Bioengineering Science/imec 

Daily Supervision: Philippe Vereecken 

Type of work: Materials;#Devices 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry x

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  x

Bionanotechnology 

 

Description:  

Converting solar energy to valuable fuels 

Photoelectrochemical processes at metalized semiconductor and semiconductor junctions can be 

engineered for efficient production of hydrogen by eletrolysis of water. In this thesis, we will explore 

the use of photovoltaic cells for the fabrication of photo‐electrochemical cells. 

 

   

Page 110: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Electrochemical stability of Li‐ion cathodes in water 

Promotor: Philippe Vereecken  

Faculty/Research Group: Bioengineering Science/imec 

Daily Supervision: Fanny Barde 

Type of work: Materials 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry x

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  x

Bionanotechnology 

 

Description:  

Help make the next generation Li‐ion batteries happen 

Li‐ion batteries are currently fabricated withN‐Methylpyrrolidone (NMP) as a solvent in electrode 

slurries. As NMP is a restricted chemical, it needs careful monitoring and controlled disposal which is 

essential for the enironment, health and safety, but imposes a large cost to the manufacturing 

process. Therefore, enviromentally friendly aqueous alternative are being pursued. However, water 

is a comtaminant in Li‐ion batteries seriously affecting cell performance and life time. In this thesis, 

you will use electrochemical techniques to study the reaction of water at Li‐ion cathodes and 

evaluate buffer layers to prevent exchange of Li‐ions of the electrode with protons from the water, 

one of the most common degradation processes. 

 

   

Page 111: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Modeling ALD thin‐film growth in Li‐ion electrodes 

Promotor: Philippe Vereecken 

Faculty/Research Group: Bioengineering Science/imec 

Daily Supervision: Philippe Vereecken, Maarten Mees 

Type of work: Modeling 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry x

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  x

Bionanotechnology 

 

Description:  

Enabling imec's next‐generation Li‐ion cell technology for a green and sustainable society 

Energy storage is essential for a green and sustainable society. In this respect, Li‐ion battery 

technology is becoming a key technology to e.g. buffer the energy coming from wind miles or solar 

cells, or to power non‐CO2 polluting electrical vehicles. The energy density, life‐time and charging 

rates of today's batteries, however, needs to further increase to cope with the future demands. In 

this regard, ALD technology is gaining more and more interest from academics and industry, as it can 

apply a protective or functional coating in the electrodes of a Li‐ion battery. These thin‐film coatings 

will accelerate and control the charge transport at the different interfaces (e.g. the electrode‐

electrolyte interface). The challenge is to deposit a uniform and closed thin‐film in the high‐aspect 

ratio structure of the Li‐ion electrode, which requires an in‐depth know‐how on the ALD precursor 

diffusion and consumption in that electrode. This project is about simulating the precursor gas flow 

and ALD thin‐film growth to guide the experimentalists that deposit these ALD films in electrode 

coatings needed to fabricate state‐of‐the‐art (solid‐state) Li‐ion cells. 

 

   

Page 112: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Characterization of lateral nanostructures using Rutherford backscattering spectrometry 

Promotor: Wilfried Vandervorst 

Faculty/Research Group: Science/Physics/imec 

Daily Supervision: Johan Meersschaut 

Type of work: Metrology & characterization 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry  x 

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology   

 

Description:  

Develop a characterization method for periodic nanowires from advanced patterning with critical dimensions below 10 nm 

At imec a wide variety of front edge nano‐electronic  devices and applications (transistors, memories, 

solar cells,...) are being investigated  and developed. For this, more powerful characterization 

techniques are  necessary to assist in the development of the extremely challenging new  devices ( 9 

nm technology). High‐energy ion beam based materials  characterization (a.o. known as Rutherford 

backscattering spectrometry ‐ RBS)  is a powerful approach to study nanostructures. For this, imec 

operates a 2  million Volt ion accelerator connected to high‐vacuum detection end‐stations  and 

unique data‐acquisition electronics. Using advanced technology originally  developed for high‐energy 

physics and recently first applied to ion beam  analysis at imec, we are able to configure a multi‐

detector configuration  strategically tailored to a specific problem. 

A main challenge towards the future developments is  to identify suitable techniques to 

quantitatively characterize metallic  nanowires with critical dimensions (CD) of a few nanometer. It is 

recognized  that Rutherford backscattering holds promise to meet the requirements. Therefore,  the 

project aims to employ the newest data‐acquisition infrastructure and  multi‐detector systems to 

develop High‐Sensitivity RBS and RBS‐tomography as novel  characterization methods for nanowires 

and even for 3D nanostructures.  

You  will be involved in the geometric design of the detector configuration. You  will optimize the 

detector configuration based on fundamental understanding  and simulations. You will participate in 

the practical implementation of the  detector system and in the execution of the experiments at the 

accelerator. 

Using  state‐of‐the art analysis software you will analyze the acquired spectra to  extract properties 

of the nanostructures, and even propose further  improvements to the experimental approach as 

well as to the modelling. 

Page 113: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

This project will give you  in‐depth experience in state‐of‐the art materials characterization, using a  

high‐energy accelerator and applied to area‐selective ALD and confined 2D and  3D nanostructures. 

You will familiarize yourself with technologies that are  key in future nano‐electronics nodes. The 

project is especially interesting if  you further on wish specialize (e.g. through a PhD) in materials  

characterization, materials engineering, as well as in device integration  engineering.  

 

   

Page 114: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Adaptive control of a high‐energy accelerator based measurement system 

Promotor: Wilfried Vandervorst 

Faculty/Research Group: Science/Physics/imec 

Daily Supervision: Johan Meersschaut 

Type of work: Metrology & characterization 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry x

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  x

Bionanotechnology 

 

Description:  

Control and automate a large hardware and data acquisition system 

A wide variety of front edge nano‐electronic  devices and applications (transistors, memories, solar 

cells,...) are  investigated at imec. To verify the properties of the extremely challenging  new devices 

(sub‐22 nm technology) high‐end characterization tools are  essential. In this framework accelerator 

based characterization is one of the  approaches that is pursued. For this, imec operates a 2 million 

Volt tandem  particle accelerator, connected to multiple beam‐lines and high‐vacuum  detection end‐

stations. Continuous investments in hardware and detection  systems allow us to be internationally 

at the forefront in terms of ion‐beam  based characterization of nano‐electronic devices. 

This project aims to  further develop the control concept and application (WASP) originally  

developed at imec. The project enables to control a medium‐large dynamic  constellation of 

instruments in a modular and naturally multi‐threaded way. Devices  and instruments can be added 

or deleted dynamically during the proces. The  software concept allows to communicate with single 

devices through Ethernet  (TCP/IP) and RS232/RS485 (via Serial‐Ethernet gateways) and with the user  

through a user‐friendly graphical interface (GUI) as well as support for a flexible  scripting language 

capability. The  signals from various virtual instruments are accessible to both the GUI as  well as to 

scripts that can be run in a command‐like environment. 

The aim is now to develop adaptive control, i.e. to  use readout signals from the tool to optimize the 

operation.    

The main tasks will be:  

(i)              To  implement a communication driver, so‐called daemon or service, to read out  analog 

values from the tool, and to implement a corresponding graphical user  interface to run with 

Windows’ Hypertext Application environment (HTA). 

(ii)            Similarly  to implement a communication driver to digitally control an analog parameter  of 

the tool (set‐parameter). 

Page 115: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

(iii)          To  design and implement adaptive control of the set‐parameter based on the value  of one 

or more read‐parameters, using for example PID or fuzzy logic. It  includes the design of the feed‐

back mechanism using C/C++ and/or Python. 

The project covers  aspects of human‐machine interfacing, IOT, automation and smart systems.  

   

Page 116: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Advanced characterization of III‐V nanostructures using Raman spectroscopy  

Promotor: Wilfried Vandervorst 

Faculty/Research Group: Science/Physics/imec 

Daily Supervision: Thomas Nuytten 

Type of work: Metrology & characterization 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry x

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  x

Bionanotechnology 

 

Description:  

Nanofocused Raman spectroscopy enables the optical characterization of state‐of‐the‐art III‐V semiconductor devices, allowing the exploration of nanoscale, non‐desctructive metrology of doping, composition and stress. 

 

One of the strategies  to overcome the limits of classical dimensional scaling in semiconductor  

technology is the use of III‐V compound semiconductors as a high‐mobility  channel material for 

performance optimization of the eventual device. The  growth of these alloys on industry‐standard Si 

wafers is challenging and may  lead to the introduction of defects and compositional fluctuations. At 

the  same time, engineering of the charge transport requires control over doping  concentrations and 

distributions. Accurate measurements of these properties  are particularly difficult given the high 

surface‐to‐volume ratio of the  structures and the large lattice mismatches with the substrate. In this 

topic,  the use and optimization of micro‐Raman spectroscopy is investigated for  measuring the local 

properties in next‐generation semiconductor architectures.  Raman spectra for III‐V materials are in 

general quite complex and the small  dimensions of the region of interest further complicate the 

measurement.  However, it was recently found that a nano‐focusing phenomenon enables the  

confinement of the excitation light inside the structures, leading to  considerable enhancement of 

the Raman response. The internship will involve  experimental work on state‐of‐the‐art transistor 

structures combined with the  development of a thorough understanding of the III‐V Raman coupled 

modes. The  resulting measurements will be correlated with complementary metrology but the  

experimental work focuses on the Raman spectroscopy. The student will learn to  work with a micro‐

Raman system using different laser wavelengths. A strong  physics background is required. The 

student will be trained in working with a  Raman system and characterize advanced semiconductor 

device structures. He/she  will be part of the materials and component analysis (MCA) department.  

Page 117: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Event‐driven delta‐sigma ADC with non‐linear quantizer for high‐performance CMOS image sensors 

Promotor: Prof. dr. ir. G. Gielen   

Faculty/Research Group: Electrical Engineering Dept. (ESAT‐MICAS) 

Daily Supervision: Nicolas Callens/Jonah Van Assche 

Type of work: System modelling and circuit design 

Number of students: 2 

Specialisation Option  

Nanomaterials and nanochemistry

Nanoelectronic design  x

Nanodevices and nanophysics 

Bionanotechnology 

 

Description:  

CMOS  image  sensors  are  becoming  crucial  for  eye  detection  and  hand  tracking  in  mobile 

virtual/augmented reality. However, in order to detect rapid movements of the eye (also known as 

saccades)  or  rapid  gesture  movements,  frame‐rates  above  ~240fps  and  ~100fps  are  respectively 

necessary.  This  high  frame‐rate  should  be  achieved  simultaneously  with  low  power  consumption  

and  low noise.  The main  bottleneck  in  obtaining  these  requirements  is mainly  determined  by  the 

analog‐to‐digital converter (ADC) of the imager.  

In  order  to  achieve  low  noise,  an  incremental  delta‐sigma  with  one‐bit  quantizer  can  be  used. 

However,  incremental  delta‐sigma with one‐bit  quantizer  are  quite  slow  and  therefore  choosing  a 

multi‐bit quantizer  is more appropriate  in order to obtain the speed requirement. To achieve even 

more speed, a non‐linear quantizer can be opted. This non‐linear quantizer will have a fine LSB step 

in the low‐light region where the noise performance is not dominated by the photon shot noise (see 

Figure 1).  In  the high‐light  region, where the photon shot noise  is more dominant,  larger  (coarser) 

LSB  steps  can  be  used.  On  the  other  hand,  low  power  can  be  obtained  by  using  event‐driven 

techniques for the ADC. By exploiting the fact that at a certain time interval the eye or hand wil not 

move rapidly, the sampling speed can be decreased, and thus decreases the power. In this thesis, you 

will  research,  model  and  design  this  type  of  novel  ADC  to  prove  the  proof‐of‐concept. 

 

Workload 

15% Literature 

30% System Modelling 

40% Circuit Design 

15% Writing report 

Page 118: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Figure 1:Input vs. Output Curve of a CMOS Image Sensor 

References 

P.  Lichtsteiner  et  al.,  “A  128  x  128  120  dB  15 µs  Latency  Asynchronous  Temporal  Contrast  Vision 

Sensor”, in IEEE Journal of Solid‐State Circuits, Vol. 43, No. 2, February 2008. 

A.  Xhakoni  et  al.,  “A  Low‐Noise  High‐Frame‐Rate  1‐D  Decoding  Readout  Architecture  for  Stacked 

Image Sensors,” in IEEE Sensors Journal, Vol.14, no.6, pp. 1966‐1973, June 2014. 

 

Page 119: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Topological effects in 2D strongly correlated electron systems 

Promotor: Locquet Jean‐Pierre 

Faculty/Research Group: Functional Nanosystems 

Daily Supervision: Dr. Pia Homm Jara 

Type of work: Experimental thin film growth and characterization   

Number of students: 2 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry   

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics  X 

Bionanotechnology   

 

Description:  

Systems with strong electron correlations– related to Coulomb repulsion – display a vast variety of properties such as high temperature superconductivity, colossal magnetoresistance, quantum phase transitions and metal-insulator transitions. Intriguing examples of the latter case are Mott transitions in vanadium oxides (V2O3 and VO2) where resistivity changes of up to 7 orders of magnitude have been reported [1,2]. On the other hand, when dimensions are reduced such as in ultrathin two-dimensional (2D) layers, additional superior electric and magnetic properties can appear, such as the remarkably high electron mobility in graphene monolayers related to the Dirac peaks in the 2D band structure. Another recent example of 2D materials is that of topological insulators that are materials with symmetry protected topological order and behave as an insulator in its interior but as a conductor on its surface. So, the question to be answered during this master thesis is whether Mott insulators such as the vanadium oxides with their stable 3D metallic and insulator states can behave as topological insulators when reduced to a 2D form? This question will be addressed experimentally through the growth of thin films using molecular beam epitaxy and their structural (x-ray diffraction), electronic (resistivity, angle resolved photo electron spectroscopy), optical (transmission & reflection) and magnetic (Hall effect) characterization. Specifically, such thin films with a range of thicknesses will be studied [3]. This study will be carried against the background of the first theoretical predictions reporting a high temperature quantum anomalous Hall effect with a magnetic critical temperature of 900K in 2D V2O3 layers [4].

[1] Opportunities in vanadium based strongly correlated electron systems M. Brahlek et al., MRS Communications, 7, 27-52 (2017)

[2] Collapse of the low temperature insulating state in Cr-doped V2O3thin films P. Homm et al., Applied Physics Letters, 107, 111904 (2015)

[3] Evidence of the metal-insulator transition in ultrathin unstrained V2O3thin films L. Dillemans et al., Applied Physics Letters, 104, 071902 (2014)

[4] Prediction of high-temperature quantum anomalous Hall effect in two-dimensional transition-metal oxide, H.P. Wang et al., Physical Review B95, 125430 (2017)

Page 120: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Secure IoT for the future 

Promoter: Prof. Dr. Ingrid Verbauwhede 

Faculty/Research Group: ESAT/COSIC 

Daily Supervision: Angshuman Karmakar, Jose Maria Bermudo Mera 

Type of work: 10% literature, 10% Theoretical, 80% Hardware/Software 

Number of students: 1 or 2 

Specialisation Option    

Nanoelectronice design  * 

 

Description: There are approximately 7 billion of IoT devices in the world today and their number is 

supposed to grow aggressively in the subsequent years. With their large level of deployment comes 

the responsibility of protecting these devices from malicious use. For example, it will be a 

catastrophe for a person with a pacemaker if a person with harmful intention gains control over the 

device. 

The most obvious way to prevent attacks is to secure all the communication between IoT enabled 

devices using strong cryptography. However, almost all the known classical cryptosystems will be 

unable to provide security of such devices as all of them can be broken by a quantum computer. 

Thankfully we have post‐quantum cryptosystems which can not be broken even by a very powerful 

quantum computer. 

However, these post‐quantum cryptosystems often uses more power and bandwidth than their 

classical counterparts. In this project, we will show that post‐quantum cryptography is perfectly 

capable of providing security to IoT devices. We will evaluate different candidate submissions of 

NIST’s post‐quantum standardization procedure 1 to choose one or more candidates to optimize for 

efficient low power implementation. There is high‐level C source codes available for all the 

candidates. Starting from this reference code, the student(s) will carry out platform specific 

optimizations. This will also contribute to the public scrutiny of algorithms, since NIST will consider 

not only the security of the schemes but their performance in different platforms. 

The preferred platforms will be low power processors or platforms used in IoT devices, e.g., ARM 

Cortex M0 or AVR processors as in very resource constrained devices, ARM processors with NEON 

support as in more widespread devices, or a ZYBO board which has an FPGA‐ARM SoC to explore 

HW/SW codesign strategies. The choice of the device can be specified later according to the 

background and preferences of the student. Students who have already taken the Design of Digital 

Platforms course will find the work methodology of this project familiar. Finally, we would like to 

encourage students who are interested in embedded systems, security and the cryptography that 

will be deployed in the coming decades. It is important to note that this project does not require any 

knowledge of quantum computing or quantum physics. The student(s) should have a good basic 

mathematical knowledge for understanding the algorithms and good coding skills. 

Page 121: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Contact : [email protected] 

Page 122: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

Master Nanoscience and Nanotechnology

Thesis Title: Molecular self-assembly under nanoconfinement conditions: a top-down approach

Promoter: Steven De Feyter

Faculty/Research Group: Faculty of Science / Division of Molecular Imaging and Photonics

Daily Supervision: Lander Verstraete

Type of work: experimental

Number of students: 1

Specialisation Option Nanomaterials and nanochemistry x Nanoelectronice design Nanodevices and nanophysics x Bionanotechnology

Description:

Molecular self-assembly of organic building blocks has often been used for fabricating complex functional surfaces. A sizeable part of this discipline consists of understanding the complexity of molecular recognition processes transpiring during the assembly process which occurs at the interface between an organic liquid and a crystalline solid.

Analogous to crystallization in bulk, the self-assembly of molecules at the liquid-solid interface is believed to proceed in discrete stages namely, nucleation, growth and ripening. Nucleation is a dynamic process in which small clusters of molecules are formed and dissolved. When the rate of addition of molecules to the preformed surface cluster exceeds the rate of desorption then a nucleus is stable and the growth process starts. Once the entire surface is covered with molecules, ripening of domains starts wherein large domains grow at the expense of smaller ones. It is generally assumed that slow nucleation is followed by rapid growth and then slow domain ripening. Several of these processes are too fast to follow in real time. An approach to overcome this problem is self-assembly in confined space.

You will investigate self-assembly phenomena in nanosized “corrals” on graphite, graphene or other 2D materials using state-of-the-art techniques such as scanning tunneling microscopy (STM), atomic force microscopy (AFM), Raman microscopy and spectroscopy. In a recently developed protocol in the De Feyter group, such corrals are made by covalent grafting of molecules on graphite, followed by their local removal using STM or AFM (like removing stuff with a broom, but then on a very small scale). Well-defined areas (size and shape) are formed with dimensions in the nanometer range. You will investigate how these nanocontainers have an impact on the self-assembly of molecules. How does it affect nucleation and monolayer growth. Does corral size and shape have an impact on the patterns that are formed? Can you force molecules to organize in a certain pattern based on the dimensions and shape of the corrals? Can you make electronic circuits using this approach?

www.defeytergroup.org

Page 123: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

Master Nanoscience and Nanotechnology

Page 124: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

Master Nanoscience and Nanotechnology

Thesis Title: Using covalent chemistry to nanostructure 2D materials based on bottom-up strategies: in control of properties of 2D materials

Promoter: Steven De Feyter

Faculty/Research Group: Faculty of Science / Division of Molecular Imaging and Photonics

Daily Supervision: Lakshya Daukiya

Type of work: experimental

Number of students: 1

Specialisation Option Nanomaterials and nanochemistry X Nanoelectronice design Nanodevices and nanophysics X Bionanotechnology

Description:

Graphene is a material that consists of a single layer of graphite. Graphene can be considered as a two-dimensional polymer, with special electronic properties. It is a very popular material as it is for instance a promising candidate for carbon-based electronics or sensing, and its discovery led to the Nobel prize in 2010. Opening the electronic bandgap of graphene requires strong interactions. Covalent modification of graphene is a promising approach. Covalent modification of other 2D materials can also change their optical and spectroscopic properties.

Recently, our group developed a protocol to functionalize surfaces by covalent grafting of molecules on 2D materials. The density of grafted molecules can be controlled.

It will be your task to develop new protocols to form nanostructured grafted surfaces (graphite, graphene, and also other 2D materials) via a variety of bottom-up strategies. The result of this approach should be that you form regular (de)grafted arrays. It is predicted that this will have an important impact on the bandgap engineering of graphene, and will modify the properties of other 2D materials too. Furthermore, you will investigate the structural and spectroscopic properties of these functionalized surfaces by scanning probe microscopy and Raman spectroscopy, respectively. In addition, it is the aim to investigate and compare the electronic properties of the various nanostructured surfaces.

(see next page for additional info)

www.defeytergroup.org

Page 125: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

Master Nanoscience and Nanotechnology

Page 126: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

Master Nanoscience and Nanotechnology

Thesis Title: Nanostructuring graphene or other 2D materials via non-covalent chemistry: a new approach for functionalizing 2D materials

Promoter: Steven De Feyter

Faculty/Research Group: Faculty of Science / Division of Molecular Imaging and Photonics

Daily Supervision: Kunal Mali

Type of work: experimental

Number of students: 1

Specialisation Option Nanomaterials and nanochemistry x Nanoelectronice design Nanodevices and nanophysics x Bionanotechnology

Description

Graphene is a material that consists of a single layer of graphite. Graphene can be considered as a two-dimensional polymer, with special electronic properties. It is a very popular material as it is for instance a promising candidate for carbon-based electronics or sensing, and its research led to the Nobel prize in 2010. Recently, also research in other promising 2D materials started.

The ultimate goal of this project is to modify the electronic and optical properties of 2D materials such as MoS2 by self-assembly of molecules, in view of a range of potential applications.

The first objective is to carry out the molecular self-assembly of mono- and bicomponent mixtures at the interface between a liquid and 2D material and to visualize the molecular ordering by non-optical microscopy techniques such as scanning tunneling microscopy or atomic force microscopy. These techniques allow visualization of individual molecules. A key question is to what extent the interaction strength and interaction mode of molecules on 2D materials differ from standard substrates. A second objective is the spectroscopic characterisation of the interaction of these molecular nanopatterns with the 2D materials with Raman spectroscopy. A third objective is the characterisation of molecule covered 2D material-based devices to probe the effect of molecule – 2D material interactions on the electrical or optical properties.

You will investigate the self-assembly of molecules on top of 2D materials by state-of-the-art microscopy tools such as scanning probe microscopy. You will probe how the adsorption of molecular nanopatterns on 2D materials affects the electronic and/or optical properties of the 2D materials. (see next page for additional info). http://www.defeytergroup.org

Page 127: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

Master Nanoscience and Nanotechnology

Page 128: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Nonreciprocal beating microcilia for microfluidic propulsion 

Promotor: Prof. Michael Kraft, prof. Dominiek Reynaerts 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision: Frederik Ceyssens, Edoardo Milana 

Type of work: Design, Simulation, Microfabrication 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry   

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology   

 

Description:  

Arrays of beating cilia covering the body of microorganisms emerged as natural solution for 

microscale fluidic propulsion. In low Reynolds environments, where viscous forces are 

predominant, nonreciprocal motions (quantified by the area enclosed by the tip trajectory) 

are necessary to swim or to induce net fluid flows. 

Pneumatic actuated  microcilia are a biomimetic solution for the design of microfluidics 

devices such as micropumps and micromixers and are foreseen as possible locomotion 

systems for microrobots. 

However, it is challenging to build cilia that show nonreciprocal motions without increasing 

the complexity of the structure and the number of degrees of freedom to be compatible 

with fabrication processes at the microscale.  

In this thesis the objective is to develop a ciliated surfaces, where each cilium is actuated 

with a single pressure input and its tip trajectory encloses a certain area. The main goal is to 

use bistable elastic membranes with PDMS micropillars on top to create a ciliated surface. 

Spatial asymmetry is guaranteed by not following the same path in inflation an deflation of a 

single bistable membrane.  

 

 

Page 129: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Figure 1: elastic membranes with PDMS pillars on top: due to the elastic instability of the membranes the tip of the cilia follows a different trajectory between inflation and deflation. 

Page 130: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: A THz Plasmonic Mixing‐Based Power Detector 

Promotor: Prof. Patrick Reynaert 

Faculty/Research Group: Faculty of Engineering Science/ESAT/MICAS 

Daily Supervision: Kristof Dens 

Type of work: 25% Literature / 75% Circuit Design 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry   

Nanoelectronic design  X 

Nanodevices and nanophysics  X 

Bionanotechnology   

 

Description:  

THz electronics has a large amount of potential applications, such as biomedical imaging (THz waves 

are non‐ionizing) and high‐speed (albeit short‐distance) data communication links. However, 

commercialization of these applications has been virtually absent due to the lack of high‐

performance, affordable signal sources and receivers for THz frequencies. In literature, some THz 

detectors have been published which are fabricated in larger, relatively cheap CMOS nodes (e.g. 

0.25um). These detectors are based on plasmonic mixing, which allows operation above the 

transistor cut‐off frequency. 

The aim of this thesis is to improve our understanding of the plasmonic mixing effect and study its 

potential 

application 

in THz 

power 

detectors 

through a 

full circuit 

design, 

including 

on‐chip 

antenna. 

 

 

 

Page 131: Master Nanoscience and Nanotechnology...Master Nanoscience and Nanotechnology The field evaporation occurs in a substantial electric field (~10V/nm) which can ionize the surface atoms

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

 

 

Schematic of a single pixel of a THz imager [1] 

[1] Ojefors, Erik, et al. "A 0.65 THz focal‐plane array in a quarter‐micron CMOS process technology." 

IEEE Journal of Solid‐State Circuits 44.7 (2009): 1968‐1976.