Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy...

140
Master Nanoscience and Nanotechnology Thesis Title: Ligand exchange optimization for quantum dot based infrared thin‐film photodetectors Promotor: Paul Heremans Faculty/Research Group: Daily Supervision: Itai Lieberman, Epimitheas Georgitzikis,David Cheyns Type of work: Materials, Devices Number of students:1 Specialisation Option Nanomaterials and nanochemistry x Nanoelectronic design Nanodevices and nanophysics x Bionanotechnology Description: From imaging to sensing. Develop the next technology in machine vision and computed imagery. In recent years, there is a significant increase in the integration of infrared image sensors in many everyday use devices such as smartphones and laptops, driven by the need for biometric sensors such as face recognition and fingerprint scanners. At the same time, a variety of new applications such as self‐driving cars, augmented reality (AR), virtual reality (VR) can take advantage of developments in the infrared imaging technology. Specifically, a growing demand exists for sensing technologies in the short‐wave‐infrared (SWIR), which relates to wavelengths in the range of 1µm‐ 2µm. Nowadays, the available technologies for IR sensors is rather limited. Silicon can only detect in the near‐infrared range (NIR) with a strong cut‐off after 900 nm and the III‐V semiconductors that are used for SWIR spectrum are having constraints in terms of throughput, resolution and high cost. Colloidal quantum dots (QDs) offer an alternative approach in detecting infrared light. Taking advantage of the quantum confinement, QDs can be tuned to detect different spectra from visible up to the NIR and SWIR. Furthermore, they can be deposited from solution over large area with low cost techniques such as spin coating. The main challenge in this technology is surface chemistry of the QDs, governed by interactions between the QD and surface ligands. The student will focus on the investigation of different molecular structures for QD ligands, and their effect on the electrical, optical and morphological properties of QD films. These films will be used for the fabrication of thin‐film photodiode detectors, for which a proper energy‐band alignment design and optical design will be crucial for the achievement of high performance. The student will be involved in the full fabrication and characterization route, from the ligand exchange and film formation up to the photodiode performance. He / She will receive training on the relevant processing and characterization tools.

Transcript of Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy...

Page 1: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Ligand exchange optimization for quantum dot based infrared thin‐film photodetectors 

Promotor: Paul Heremans 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision: Itai Lieberman, Epimitheas Georgitzikis,David Cheyns 

Type of work: Materials, Devices 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry x

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology   

 

Description:  

From imaging to sensing. Develop the next technology in machine vision and computed imagery. 

In recent years, there is a significant increase in the integration of infrared image sensors in many 

everyday use devices such as smartphones and laptops, driven by the need for biometric sensors 

such as face recognition and fingerprint scanners. At the same time, a variety of new applications 

such as self‐driving cars, augmented reality (AR), virtual reality (VR) can take advantage of 

developments in the infrared imaging technology. Specifically, a growing demand exists for sensing 

technologies in the short‐wave‐infrared (SWIR), which relates to wavelengths in the range of 1µm‐

2µm. Nowadays, the available technologies for IR sensors is rather limited. Silicon can only detect in 

the near‐infrared range (NIR) with a strong cut‐off after 900 nm and the III‐V semiconductors that are 

used for SWIR spectrum are having constraints in terms of throughput, resolution and high cost. 

Colloidal quantum dots (QDs) offer an alternative approach in detecting infrared light. Taking 

advantage of the quantum confinement, QDs can be tuned to detect different spectra from visible up 

to the NIR and SWIR. Furthermore, they can be deposited from solution over large area with low cost 

techniques such as spin coating. 

The main challenge in this technology is surface chemistry of the QDs, governed by interactions 

between the QD and surface ligands. The student will focus on the investigation of different 

molecular structures for QD ligands, and their effect on the electrical, optical and morphological 

properties of QD films. These films will be used for the fabrication of thin‐film photodiode detectors, 

for which a proper energy‐band alignment design and optical design will be crucial for the 

achievement of high performance. The student will be involved in the full fabrication and 

characterization route, from the ligand exchange and film formation up to the photodiode 

performance. He / She will receive training on the relevant processing and characterization tools. 

Page 2: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

After a short introduction to the facilities, an independent investigation is expected with the focus on 

short‐term research goals. 

   

Page 3: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Thesis Title:  Optical simulations for perovskite/c‐Si tandem solar module 

Promotor: Jef Poortmans 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision: Filip Duerinckx 

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry  x 

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology   

 

Description:  

Help to improve tandem modules, the PV technology of the future! 

Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The 

cumulative installed capacity of PV has already surpassed 600 GW by the end of 2019 and the annual 

PV production is expected to increase in the years to come, ushering in the global energy transition. 

In such exciting times, the main economic driving force in the PV industry is still the reduction of PV 

module cost per Watt peak. As the crystalline Si (c‐Si) module costs continue to drop, the balance‐of‐

system (BOS) costs become important. Since the BOS costs scale with installation area, higher 

efficiency modules which produce more power per unit area are preferred. Therefore, developing 

high‐efficiency cell concepts for the future is of great interest in the R&D world. 

The PV industry has been transitioning from Al‐BSF solar cells to PERC solar cells in order to increase 

the module efficiencies. The focus of next‐generation solar cell technology development has now 

turned towards reducing contact recombination. For this, solar cells with passivated contacts are 

being widely investigated, with heterojunction contacts based on amorphous Si probably the best‐

known example. Si heterojunction (SHJ) cells with an interdigitated back‐contact (IBC) architecture 

are the most efficient Si solar cells in the world today, with Kaneka breaking the world record 

efficiency with its remarkable 26.7% cell [1], getting quite close to the theoretical and practical limit 

for single‐junction Si solar cells. 

To go beyond the fundamental single‐junction limit, a tandem device architecture, which employs 2 

or more absorber materials of complementary bandgaps in a stack, must be adopted to reduce 

thermalisation losses and use the solar spectrum more effectively. A wide bandgap perovskite top 

cell above a c‐Si bottom cell is one of the emerging tandem solar cell configurations that has 

attracted plenty of recent interest, due to its potential of exceeding 30% while combining the 

attractive properties of perovskites with the well‐understood technologies for c‐Si. The best 

Page 4: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

monolithic implementation of this material combination was achieved by Oxford PV with an 

efficiency of 28% [2]. 

This master thesis will focus on optical simulations of a complete tandem cell structure at module 

level. The aim of the simulations is to maximize the photon absorption in the perovskite and c‐Si 

layers by adapting the individual layers. While different configurations are possible, as an example, 

this simulated module can be made up from bottom‐to‐top of the following layers: a rear backsheet 

(or glass), a rear encapsulant, a rear metallic contact, a transparent conduction oxide (TCO), the Si 

bottom cell with its passivating layers on both sides, an index matching layer in between the 2 cells, 

the perovskite cell with its hole and electron transport layers, another TCO + local metallic contact, 

the front encapsulant layer and finally the top glass. Both 2‐terminal (2T) and 4‐terminal (4T) 

approaches will be compared. While the monolithic 2T concept requires matching currents in both 

sub‐cells (unlike the 4T tandem cell), it has less stringent conduction requirements for the layers in 

between the perovskite layer and Si wafer since there's only vertical current transport. A second 

aspect to be investigated is the surface morphology of the Si bottom cell where different 

configurations are possible for the front/rear surface: flat/flat or flat/textured or textured/textured. 

This will be looked at in combination with the angle of incidence of sunlight onto the module. A final 

feature to be looked at in combination with the previous aspects is the effect of 2‐side illumination 

for bifacial tandem cells which at first sight seems better suited for a 4T application where no current 

matching is required. 

The SUNSOLVE simulation package (available from PVLighthouse), the main tool used for this thesis, 

allows the distinction between reflection from different interfaces, transmission through the cell and 

absorption in all the different layers (both useful absorption in the perovskite and Si as well as 

parasitic absorption in the other layers). Besides setting up and executing these simulations, the 

work in this master thesis will focus on interpretation of the simulated data to gain understanding of 

the optics at work in the module and its sub‐cells. In addition, specific experiments in combination 

with optical characterization (spectroscopic ellipsometry, reflection and transmission 

measurements,) will be used to respectively set up and validate the simulations. The acquired insight 

from this work can then be used to drive future experimental work on perovskite/Si tandem cells. 

[1]          K. Yamamoto, K. Yoshikawa, H. Uzu, and D. Adachi, "High‐efficiency heterojunction 

crystalline Si solar cells," Jpn. J. Appl. Phys., vol. 57, pp. 08RB20‐1, 2018. 

[2]         https://www.pv‐magazine.com/2018/12/20/tandems‐at‐28/ 

   

Page 5: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  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:  

Daily Supervision: Emmanuel Chery, Michele Stucchi 

Type of work:  

Number of students:  

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. 

  

Page 6: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

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 

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 7: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Thesis Title:  The physics of light‐tip interaction in laser‐assisted Atom Probe Tomography 

Promotor: André Vantomme 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision: Claudia Fleischmann 

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry  x 

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology   

 

Description:  

Shedding light on the coupling of a laser with a nano‐tip for atomic scale characterization. 

The performance of contemporary and future nanomaterials and ‐devices is now tailored by the 

structure and chemical composition at the atomic level. In other words: just a few misplaced atoms 

can make the difference. Thus, having 3D metrology with close to atomic precision is not only a 

dream ‐ it is a requirement!Atom Probe Tomography (APT) emerged as a very promising solution 

which can deliver a high spatial 3D resolution (down to a fewångström) 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‐colored regions indicate the materials. Right: APT reconstruction of SiGe FIN field‐effect 

transistor [Melkoyan et al., Ultramicroscopy 179, 100 (2017)]. 

In a nutshell, APT is based on the concept of controlled field emission of atoms from a needle‐shaped 

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). To facilitate the atom‐by‐atom field evaporation in a time resolved manner, voltage pulses 

(superimposed on a high standing DC voltage) are used since the conception of the APT in the late 

1960’s. This method only works 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, which attracted great interest from the semiconductor industry. In 

LAPT, the field evaporation is triggered by an ultrashort laser pulse.Notwithstanding the recent 

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

Page 8: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

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 occur normally.It is not excluded that, to some extent, athermal effects play a role as 

well[Kelly et al., Cur. Opin. Solid State Mater. Sci. 18, 81 (2014)]. 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)]. 

Several challenges remain to be surmounted in order to unlock la‐APT’s full potential, in which the 

exact nature of the tip‐light interaction plays a key role. To tackle this topic, the candidate has the 

possibility to explore and extensive playground, includingexperimental work (tip fabrication, APT 

analysis,...), data‐analysis (3D reconstruction and analysis,...) and possibly physical modelling 

(theoretical, simulation,...). 

   

Page 9: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Material screening for UV NanoImprint Lithography 

Promotor: Jan Genoe 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision: Tibor Kuna, Cedric Rolin 

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry x

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  x

Bionanotechnology 

 

Description:  

Join imec's effort to develop the soft UV nanoimprint lithography technology that aims at the nanofabrication of advanced optical devices. 

WorkdescriptionImec's Large‐Area Electronics department is developing thin‐film technologies and 

solutions that involve electronic circuits, MEMS, microfluidics, and optical waveguides integrated on 

various substrates such as glass, silicon and plastic substrates, for integration into tomorrow's 

displays, imagers and biomedical applications. Nano‐Imprint Lithography (NIL) is a patterning 

technology that is particularly attractive for micro‐ and nano‐fabrication of electronic and optical 

devices on large area flexible substrates. Indeed, this low‐cost, high throughput technique is ideally 

suited for the high‐fidelity replication of extremely high‐resolution features with high aspect ratio at 

industrial scale. Little effort, however, has been done so far to integrate NIL with other 

microfabrication techniques that are common in a CMOS photonic platform. Such effort is desirable 

to leverage the potential of NIL for the fabrication of high‐resolution features monolithically 

integrated into large area electronics products. 

 The quality of the NIL process centrally relies on the materials involved: anti‐sticking coatings, 

adhesion promoters, working stamp resins and nanoimprint resins. The nature of the materials as 

well as the optimization of their coating and curing conditions are paramount to the successful 

outcome of the NIL process. As a consequence, the material selection among the wide available array 

as well as the systematic screening for the best coating conditions represent an important task to 

achieve the highest quality NIL imprints. 

 We are looking for a Master Thesis student to strengthen the material research for our NIL activities. 

After a full training to our cleanroom lab and NIL process, she/he will be involved in the material 

screening activities, developing solutions for the high‐resolution imprint of additive resins on Si and 

glass substrates. The work at hand will be very experimental and involve the use of various coating 

methods (gas priming, spin coating, etc.), the working stamp fabrication from a Master template, the 

carrying out of the nanoimprint process (lamination and delamination, UV curing, etc.) and the use of 

various characterization methods (including AFM). The student will also be centrally involved in the 

Page 10: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

definition of Design of Experiment and will report her/his results in team meetings as well as in the 

final Master Thesis report.  

 Objective 

For imec Increase the knowledge base of materials useful for the NIL process.Better understanding of 

the relationship between coating conditions, quality of the nanoimprinted features and stamp 

lifetime. 

For the candidateLearn fabrication techniques that are relevant in microelectronics.Learn the soft 

UV‐NIL patterning process that is a growing technology in nanofabrication.Learn the design of 

experiments.Work as a team in a professional research environment. 

Skills required 

Material science backgroundHandy in the labSelf‐motivated and independent hard worker 

   

Page 11: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Thesis Title:  Nanotextured surfaces for higher‐efficiency solar cells 

Promotor: Jef Poortmans 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision: Valerie Depauw 

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry  x 

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology   

 

Description:  

Going beyond conventional approaches of light management for solar cells with nanoimprint lithography. 

Crystalline‐silicon (c‐Si) wafer‐based solar cells have always been the photovoltaics industry 

workhorse, ensuring most of the PV electricity production worldwide. In 2017, they accounted for 

95% of the total module production. Based on an abundant and non‐toxic material that is very 

familiar to the semiconductor industry, this technology has progressed at a steady pace. From 

around 23% record energy‐conversion efficiency in 1993, to almost 27% in 2019, c‐Si solar cells in the 

lab today are getting very close to their theoretical limit. To reach beyond that limit, the most 

prominent idea is to add a perovskite‐based cell on top of the silicon‐based cell. Working in tandem, 

these two solar cells with complementary bandgaps have the potential to extend and optimize the 

possibilities of sunlight absorption and reach beyond 30% for a limited additional cost, provided the 

two devices are optimised to function in tandem. For the bottom c‐Si cell, one of the tasks is to 

optimize the photon absorption in the Si bottom cell for infrared light, as sunlight is filtered by the 

top perovskite cell. 

This research topic proposes to go beyond the conventional approaches of light management, that 

typically involve random micron‐scale pyramid front‐side textures (left picture) and rear‐side mirrors, 

and to explore the effect of texturing the front or rear side of c‐Si cells with periodic nanotextures 

(right picture). By scaling down the dimension of the surface texture to the photon wavelength (~ 

200–1200 nm), one may play with the now‐accessible photonic effects for greater light absorption in 

c‐Si. However, other solar cell functions will be influenced, such as surface passivation or the 

perovskite cell deposited on top. At imec, such nanotextures have already been integrated in stand‐

alone c‐Si solar cells with nanoimprint lithography, and we propose to further investigate this process 

in view of an integration into tandems, either at the front‐side or rear‐side of the cell, or also the 

glass cover. The reproducibility and uniformity of the texture, the type of pattern and its effect on 

the different layers constituting the cells will be investigated. 

Page 12: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

In this frame, the main tasks will be experimental and performed in the cleanroom lab: 

Fabrication of nanotextures by nano‐imprint lithography and etching on silicon and/or glassCoating 

of nanotextures by depositing passivating and/or antireflective coatings, or perovskite‐top‐cell 

layersCharacterization of the samples (morphological, optical and electrical) to assess their potential. 

   

Page 13: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Thesis Title:  Radio Frequency Readout of Silicon Quantum Dot Spin Qubits Using Superconductor Resonators 

Promotor: Pol Van Dorpe 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision: Roy Li  

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option  

Nanomaterials and nanochemistry   

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology   

 

Description:  

Develop fast readout protocols for measuring silicon spin qubit devices 

Quantum computers are expected to tackle many real‐life problems that are unsolvable by classical 

computers. In the recent years, great progress has been seen. More and more well‐known 

companies, e.g. Microsoft and Intel, have joined this field. Imec is also working on the essential 

building block of quantum computers, the qubit. Qubits are short for quantum bits and are similar to 

classical bits. Meanwhile, they are coherent quantum two‐level systems, so that we can utilize their 

superposition and entanglement to boost computing power. 

One of Imec's research focuses on silicon quantum dot qubits. A single electron can be confined in a 

quantum dot, and the spin state of that electron forms a natural qubit system. The electron spin 

offers long coherence time while the silicon platform could be integrated directly into Imec's industry 

manufacturing process. 

The aim of this project is to develop fast readout protocols to measure the spin states of the isolated 

electrons in quantum dots. The signal of the electron spin is very weak. Therefore, we use a 

technique called spin‐to‐charge conversion to map the spin state to charge occupation for readout. 

In this project, you will use radio frequency (RF) superconductor resonators to further accelerate the 

readout of a single electron charge. You will learn how to operate qubit devices, compare different 

resonator designs, and develop methodologies to quantify sensitivity. Experience in RF circuit and 

Python programming is preferred. 

   

Page 14: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Thesis Title:  Wet processing of high aspect ratio nanostructures 

Promotor: Stefan De Gendt 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision: Guy Vereecke 

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry  x 

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology   

 

Description:  

explore the impact of nano‐confinement on the properties of water and their impact on physical processes and chemical reactions 

In semiconductor manufacturing, new generations of devices have entered the nano‐world, with 

critical dimensions of the order of 10 nm. Moreover, new transistor geometries are vertical, with the 

generation of 1‐D and 2‐D nano‐confined spaces. While many process steps are still performed using 

aqueous chemistries, e.g. wet etching of materials for patterning and wet cleaning of surfaces. 

Recent studies have shown that nano‐confinement is affecting all the steps in a wet process from 

wetting to chemical reactions, rinsing and drying [1‐5]. Evidences were found for water structuring, 

decreased permittivity, modified chemical equilibria and slower diffusivity in nanoconfined volumes. 

The observed phenomena are of interest not only for nanoelectronics but also for nanofluidics.   

Current activities encompass the wetting of deep nanocontacts such as in 3D‐NAND memories and 

advanced logic interconnects, the wet etching of silicon oxide in the insulation module of FinFET, the 

wet etching of SiGe films in the making of Silicon nanosheets for advanced transistors, and the 

rinsing of deep nanocontacts. ATR‐ FTIR (attenuated total reflection Fourier‐transform IR 

spectroscopy) has become a major technique to characterize wetting, chemical reactions and rinsing, 

as well as properties of aqueous solutions such as structuring, permittivity and diffusivity. 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 

characterization of water structuring in the nanostructures and the determination of the surface 

potential by a streaming technique. Progress in the understanding of phenomena are used to 

propose and test solutions to the confinement effects. For etching tests, the etch rates on planar 

films are determined by ellipsometry, while cross‐section‐SEM (scanning electron microscopy) and 

image analysis are used on structures. Here the composition of etch chemistries are modified with 

additives to suppress the confinement effects. The student typically performs the wet etching tests, 

the ellipsometry measurements, the data treatment of the SEM pictures generated by operators in 

Page 15: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

the pilot‐line, and a kinetic analysis comparing planar to patterned etch rates, leading to new 

chemistry proposals. ATR‐FTIR can be used to confirm the impact of additives on water structuring, 

or to pre‐select additives for testing.   

Several students are welcome to participate into this project. It is open for internship and/or master 

thesis.The content of the student project will be adapted depending on the progress of our research.    

[1] K. Mawatari et al., Anal.Chem. 86 (2014) 4068‐4077; [2] A. Okuyama et al., Solid State Phenom. 

219 (2015) 115‐118; [3] N. Vrancken et al., Langmuir33(2016) 3601‐3609; [4] G. Vereecke et al., 

Microelec. Eng. 200 (2018) 56–61; [5] G. Vereecke et al., Solid State Phenom.282 (2018) 182‐189

Page 16: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Ferroelectric devices for memory applications 

Promotor: Jan Van Houdt 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision: Nicolo Ronchi 

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  x

Bionanotechnology 

 

Description:  

Characterize the ferroelectric properties of capacitors and FET for the best memory performances. 

Ferroelectric hafnium oxide (HfO2) attracted a lot of interests since its discovery in 2007. Its 

scalability and CMOS compatibility are two advantages over conventional ferroelectric materials, 

favoring new device integration. Such material could enable the fabrication of low power devices in 

standalone semiconductor manufacturing facilities due to its scalability and CMOS compatibility. 

As an intern in memory device team at imec, you will support state‐of‐the‐art ferroelectric 

technology development by characterizing and understanding of semiconductor devices. During your 

internship, you will have the opportunity to work with device characterization, reliability and 

integration engineers. 

The candidate should have excellent communication skills, both oral and written; ability to 

independently adapt and learn, a background in solid state physics and electronics; knowledge in 

software scripting for data elaboration (MATLAB, ...). Previous device characterization experience 

constitutes a plus. 

Type of work: 70% ferroelectric electrical characterization, 30% understanding. 

Position available starting from August/September   

Page 17: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Thesis Title:  An autonomous active microfluidic system with compact off‐the‐shelf components 

Promotor: Paul Heremans 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision: Alexey Podkovskiy, David Cheyns 

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry   

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology  x 

 

Description:  

Building a simple microfluidic set‐up with miniature external pumps, valves, sensors and power supply sources 

Microfluidics has emerged as a versatile technology for numerous applications in different domains 

due to its advantageous features such as a small volume of reagents consumed, shortened reaction 

time, and minimal manual intervention. Although microfluidic chips themselves are significantly 

small, the functioning of the whole microfluidic system often relies on using external components, 

i.e., syringe pumps or pressure controllers, valves, flow sensors, a microscope with high speed 

camera etc. These peripheral instruments are rather bulky and expensive. Such a device should 

rather be called "chip‐in‐a‐lab" instead of "lab‐on‐a‐chip." 

We argue that miniaturization or even in the best case on‐chip integration of these external parts 

would revolutionize many areas of people's life by making, for example, laboratory services 

accessible for a large number of end‐users. 

 This multidisciplinary topic tackles different aspects and includes the following steps:literature study 

to obtain a state‐of‐the‐art overview of the field,comercial available off‐the‐shelf components 

components screeningmicrofluidic circuit design, fabrication and testingfinal device assembly and 

caracterization 

During the project the student will interact with different experts from fields in electronics, 

lifescience and microtechnologies. Hands‐on cleanroom experience and strong proficiency with CAD 

software can be expected. In the end, the student should give a presentation and write a 

report/thesis. 

   

Page 18: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Thesis Title:  Toward the control of 2D material transfer 

Promotor:  Stefan De Gendt, Marc Heyns  

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision: Marie‐Emmanuelle Boulon, Steven Brems 

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry  x 

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology   

 

Description:  

2D materials and their exciting properties will be integrated in innovative electronic devices when their transfer from growth substrate to a target will be fully controlled. 

Two‐dimensional (2D) materials are promising candidates for integration in future electronic, 

(bio)sensing, photonic and even energy applications thanks to their numerous exciting physical 

properties like high thermal conductivity, flexibility, tuneable light absorption, superconductivity, 

high mobility, etc. Some examples of available 2D materials include transition metal dichalcogenides 

(e.g. MoS2, MoSe2, WS2...), graphene, phosphorene, and h‐BN. The ultimate thickness control that 

can be reached with these 2D materials is a key parameter to achieve great performance. A low 

defect density is also required for incorporating them in electronic devices. Currently, the best 

synthetic 2D material quality is achieved with high temperature growth processes (>>700C). 

However, this high growth temperature is not compatible with devices, so the 2D layer cannot be 

directly deposited at the desired location in a device. Hence, the transfer of the 2D material from the 

growth substrate to the target material where to design the devices seems unavoidable. As these 2D 

materials are only van der Waals bonded, it is immediately clear that such a pick and place process is 

already very challenging per se. But it is not the only challenge to overcome: the ultimate thickness 

scaling of these 2D materials also makes them strongly influenced by their surroundings. Not only 

they are sensitive to doping induced by surrounding molecules, but they can also be very vulnerable 

to oxidation. This makes control over both top and bottom interface of the outmost importance. 

Finally, stress/strain need to be carefully controlled due to the flexible nature of these materials. On 

the positive side, one could use the sensitivity of these materials to dope them in a controlled way or 

even to tune their properties by varying the stress over the layer. In order to obtain this level of 

control, we must gain much more fundamental insights in the behaviour of these 2D materials when 

handling and laminating them on different materials, and various challenges lie ahead to achieve the 

perfectly controlled transfer. For example, the adhesion forces that can be optimised to achieve the 

delamination from the growth substrate, but also the lamination on a target, are under investigation. 

Since everything in this process occurs at interfaces, experimental research is challenging, and state‐

Page 19: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

of‐the‐art characterization techniques will have to be used to achieve the necessary level of 

understanding. For example, one way to control these interfaces could be heterogeneous 2D 

material stacking. The focus of the thesis will be the growth of the 2D layers and their transfer. 

Characterization techniques (AFM, SEM, Raman, XRD, XRR...) will be used during the project. 

   

Page 20: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Thesis Title:  Automatic segmentation and classification of objects at the nanoscale 

Promotor: Roel Wuyts 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision: Dimiter Prodanov 

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry   

Nanoelectronic design  x 

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology   

 

Description:  

Learn how to segment and classify nanoparticles using Machine Learning 

Nanostructured objects represent increasingly important products of nanotechnologies having a 

wide range ofindustrialapplications intextiles, medical imaging, automotive, semiconductors etc. 

Such objects contain structures smaller than 100 nm in at least one dimension. Estimation of shape 

and size of such objects is important in the context of safe by design. The project aims to develop 

objective and automatic approaches of image segmentation and classification of nanoparticles. The 

aim of the present project will be twofold: 

 ‐ to train the system classifier using images of nanoparticles 

 ‐ to design a database for metadata storage and retrieval 

The student will benefit from the existing expertise in image and morphological analysis in the group 

and is expected to develop an approach based on a combination of machine learning and image 

analysis approaches. The student will extend an already existing platform developed in collaboration 

with a team in the Zuse Institute Berlin, called Active Segmentation. Theplatformisbased on ImageJ 

andallows researchers,who are not experts in image segmentation, to use advanced filtering and 

machine‐learning techniques for object segmentation and classification. The users train the system 

on examples using only their domain‐specific knowledge of the subject.  

The candidate 

Required skills: Experience with Java 

Desired skills: experience with machine learning platforms 

   

Page 21: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

 

Thesis Title:  Investigation of Ga doping behavior during low temperature epitaxy 

Promotor: Stefan De Gendt, André Vantomme 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision: Clement Porret, Andriy Hikavyy 

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry x

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  x

Bionanotechnology   

 

Description:  

Next MOS devices need an increase in active doping concentration in the Source/Drain layers. Adding Ga to boron doped SiGe might do the job. 

Epitaxial growth of group IV materials is a well‐known process, used at many different steps during 

the production of a wide range of semiconductor devices ranging from lasers to MOSFETs. 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  nanowire 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 22: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  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 23: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Thesis Title: Fabrication and evaluation of advanced tip sensors for scanning probe microscopy  

Promotor: Wilfried Vandervorst 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision: Thomas Hantschel 

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry  x 

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology   

 

Description:  

You fabricate and evaluate a novel type of tip sensor for tomorrow's nanoelectronics chip characterization. 

Scanning probe microscopy (SPM) has become an important asset to measure a wide variety of 

physical properties (e.g. mechanical, electrical, magnetic) of nanoelectronics devices at the 

nanometer scale. A micrometer‐sized tip sensor is a crucial part for an SPM system. Imec pioneered 

the development of dedicated tip sensors consisting of sharp diamond tips integrated into metallic 

beam structures which enable the electrical characterization of device structures with nanometer 

precision and resolution. Recently, we developed a promising new SPM approach which requires 

different kind of tip sensors. Therefore, this internship/master thesis is focused on the fabrication 

and evaluation of novel micrometer‐scale tip sensors.   

For this, the student will design the required lithography masks, perform diamond growth by 

chemical vapor deposition (CVD), carry out the fabrication steps for tips and probes, and assess the 

performance of the fabricated probes by SPM.    

For this topic, the student will work inside a cleanroom and lab environment to carry out the 

required experimental steps. He/She will characterize the fabricated tip sensors using SPM. The 

student will be part of imec’s materials and component and analysis group. 

 

   

u0109301
Cross-Out
Page 24: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Thesis Title:  Epitaxial SiGe source/drain growth studies on different Si surfaces in view of nanosheet devices 

Promotor:  Stefan De Gendt, André Vantomme 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision: Andriy Hikavyy, Roger Loo, Clement Porret 

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option  

Nanomaterials and nanochemistry  x 

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology   

 

Description:  

The new devices for advanced technological nodes set special challenges on the conditions used for the epitaxy of the Source/Drain (S/D) contact layers which will be investigated during this work. 

Nanosheet and nanowire‐based MOSFET devices (also called Gate‐All‐Around or GAA MOSFET) 

provide an optimal electrostatic control of carriers in the channel. They are expected to extend 

transistor scaling beyond the FinFET limits. GAA designs take advantage of a process flow relatively 

comparable to that of FinFETs. Vertical stacking of GAA channels allows to maximize the drive current 

for a given footprint on the wafer. However, these devices do not provide benefits in scaling the cell 

height. As an alternative,novel vertically stacked lateral nanosheet devices such as Complementary 

FET (CFETs) have been proposed. The new devices set special challenges on the conditions used for 

the epitaxy of the Source/Drain (S/D) contact layers. The S/D must be initiated on the nanosheet 

sidewalls. The growth then proceeds laterally instead of the common vertical [001] direction, which 

modifies the growth behaviors and the final layer properties. 

Imec reported breakthroughs in the low temperature epitaxy of various SiGe materials. The epilayers 

are grown by Reduced‐Pressure Chemical Vapor Deposition (RP‐CVD) with novel Si and Ge 

precursors. This enables far‐from‐thermodynamic‐equilibrium epitaxial growth, leading to higher 

active S/D doping concentrations at reduced thermal budgets. High levels of active doping are 

needed to reduce the contact resistance to the devices and improve their performance. In the 

current project, the candidate will study differences in epitaxial growth behaviors linked to modified 

device architectures. The orientation of the starting surface affects the growth rate, the final material 

composition and doping concentration. A special mask is available for this assessment. The final 

process evaluation will be done on real device structures with scaled dimensions. 

   

Page 25: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Thesis Title:  Area‐selective deposition for bottom‐up patterning schemes 

Promotor: : Stefan De Gendt 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision: Silvia Armini 

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry  x 

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology   

 

Description:  

Bridging research with industrially‐relevant challenges 

The research line proposed in this stage proposal is focused on the area‐selective deposition (ASD) 

concept, where the growth of the desired dielectric material is confined to a pre‐patterned area 

while inhibited on the remaining surface. On one hand, Atomic Layer Deposition (ALD) is a method to 

deposit thin films by a self‐limited surface adsorption of gas‐phase precursors and surface reactions 

between adsorbed precursors and reactants molecules, allowing a tight control of the deposited 

material thickness and quality at the atomic scale. On the other hand, the deposition of 

monomolecular organic films (such as self‐assembled monolayers, SAMs) or functionalized polymeric 

layers is a simple and versatile method to control surface design and selectivity. The SAM or 

polymeric films act as ALD inhibition layers that can prevent deposition in certain surface areas, 

enabling area selective deposition. Two SAM deposition methods will be explored, i.e. from organic 

solvents (dip‐coating and spin‐coating) or from vapour phase (in a CVD‐like reactor). The density and 

thermo‐chemical stability of the organic inhibition layer is of paramount importance in order to 

withstand the ALD conditions, such as thermal budget, precursor type and dose, gas flow and 

pulse/purge duration. Two main mechanisms of selectivity loss might be attributed to unwanted 

interaction mechanisms between SAMs and ALD: i) channeling of the ALD precursors through the 

SAM molecular units (if not dense enough), ii) modification of the SAM terminal group exposed to 

the surface. On polymeric films, the loss of selectivity might be attributed to surface energy/polarity 

modification. On the other side, the ALD deposition on the target areas might be "poisoned" by 

unwanted organic residues. The advanced characterization of the nano‐scale organic and inorganic 

films both on blanket areas and in confined dimensions will be part of the generated learning and will 

benefit of the extensive expertise already present in Imec. Defect generation mechanism and 

quantification will be tackled. The final goals of this project are i) to generate the scientific 

understanding needed to design area selective deposition approaches for patterning applications in 

nano‐electronic device fabrication based on both SAM/polymeric films and ALD; ii) to transfer the 

Page 26: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

learning from blanket surfaces to relevant nano‐scale patterns taking into account pattern profile 

and transition regions between growth and no‐growth areas. 

In our research program on area selective deposition we leverage Imec's 300mm pilot line and 

advanced node technologies to gain access to materials and patterned structures with dimensions in 

the sub‐10 nm regime in order to enable industrially relevant innovation   

Page 27: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Thesis Title:  Study on voltage‐controlled magnetic anisotropy (VCMA) for high‐speed and low‐power memory application 

Promotor: Guido Groeseneken 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision: Woojin Kim 

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option  

Nanomaterials and nanochemistry  x 

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology   

 

Description:  

Join the state of the art spintronic memory device research in imec 

Magnetic random access memory (MRAM) has various advantages to serve as next generation non‐

volatile memory application. Currently, information '1' and '0' are stored by changing the magnetic 

states are processed by spin transfer torque (STT) effect. It requires large current injection, hence 

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 thin film stack has a MgO/Ferromagnet(FM)/Heavy Metal(HM) 

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. VCMA coefficient is defined to estimate the amount of 

change in iPMA by the applied electric field through the MgO barrier. It should be improved 

significantly for practical application, to induce VCMA‐induced switching while maintaining the 

sufficient data retention. Material exploration can go in the two different ways; materials adaptable 

to the MgO‐based magnetic tunnel junction (MTJ) practical for application, and those completely 

new and not yet applicable to MTJs. 

In this topic, student will:Explore the materials to enhance VCMA coefficientAdaptable within 

MgO\CoFeB MTJ stack ‐ characterization with Hall bar structure (Anomalous Hall Effect) and 

nanoscale patterned MTJ deviceNew dielectric and ferromagnetic materials to form the interface ‐ 

characterization with Hall bar structure (Anomalous Hall Effect)  

[1] T. Maruyama et al., "Large voltage‐induced magnetic anisotropy change in a few atomic layers of 

iron." Nature Nanotechnology, vol 4, 2009.   

Page 28: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Thesis Title:  New sensitive opto‐mechanical technology and ultrasound sensors 

Promotor:  Liesbet Lagae 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision: Wouter Westerveld 

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry   

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology  x 

 

Description:  

We are looking forward to exciting physics and applications of CMOS opto‐mechanical devices! 

Imec is developing an extremely efficient opto‐mechanical photonic chip technology for application 

as ultrasound sensor to enable future photo‐acoustic‐imaging microsystems. The objective of this 

MSc thesis is to develop a physical model for this sensor including photonics, mechanics, acoustics, 

and non‐linear effects. This includes significant theoretical work as well as experiments. It is expected 

to reveal interesting physics as well as potential new applications of this opto‐mechanical 

technology.    

 The candidate is expected to have at knowledge about classical (cavity) opto‐mechanics, 

optics/photonics and mechanics, or the ability to quickly learn and understand these topics. The 

candidate is expected to quickly grasp a complex physical system, model devices using analytical 

equations and/or numerical tools, and work towards the understanding of non‐trivial experimental 

results.    

During this internship, you will work with new opto‐mechanical technology fabricated in CMOS 

technology. Devices are readily fabricated in Imec’s CMOS pilot‐line on 200 mm wafers. Our 

laboratory is equipped with high‐end photonic and micro‐mechanic characterization equipment, 

which you will use for your experiments.    

We are looking forward to exciting physics and applications of CMOS opto‐mechanical devices!   

   

Page 29: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Thesis Title:  Electron yield of photoresist materials for next generation lithography 

Promotor: Stefan De Gendt 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision: Ivan Pollentier, Roberto Fallica 

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry  x 

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology   

 

Description:  

Shedding light on electronic processes occurring in photoresists during exposure to extreme ultraviolet lithography (EUV). 

The electron yield is a key parameter because it quantifies the magnitude of electronic processes 

occurring in photoresists during exposure to extreme ultraviolet (EUV) light. Contrary to previous 

technologies, EUV lithography is triggered by a large cascade of low energy electrons generated by 

few primary photoelectrons. It is believed that photoresists with high electron yield are more 

efficient in generating the secondary electron cascade, which could lead to higher sensitivity, lower 

dose and increased throughput. However, there is not yet enough experimental evidence to confirm 

this hypothesis. For this reason, at imec we are exploring state‐of‐the‐art photoresists using a 

dedicated tool for photoemission in the extreme ultraviolet wavelength (13.5 nm). Our study mainly 

films of << 30 nm thickness to enable the fabrication of next generation integrated circuits at single‐

digit technology nodes (< 10 nm) and meet needs of industry and advance science. The main 

challenge of photoelectron yield measurement lies in the undesired effects introduced by, for 

example, surface conditions and charging, in addition to the chemical modifications induced in the 

material during exposure to the beam itself. On the other hand, this latter feature opens new 

opportunities to track the chemical changes happening in the photoresist during exposure to the EUV 

beam “in situ”. In the framework of this project, the trainee will develop the instrumentation needed 

to measure electron yield and understand how secondary electron cascade evolves in photoresists of 

different composition and chemistry. She/he will also interpret the experimental data using physical 

modeling of the electronic structure of the materials involved in the conduction‐emission from the 

surface of the thin film. The outcome of this work is relevant not only for EUV but for all next 

generation nano‐fabrication methods which will be based on electron‐mediated exposure, such as 

electron‐beam lithography. 

   

Page 30: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Optical spectroscopy of 2D materials at the nanoscale using Tip‐Enhanced Raman 

Spectroscopy 

Promotor: Stefan De Gendt 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision: Thomas Nuytten 

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry  x 

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology   

 

Description:  

Deep‐dive into the nanoscale chemical properties of 2D materials with this unique nano‐version of vibrational spectroscopy. 

Thanks to unique physical and electrical properties (atomically thin, stretchable and strong with 

configurable electronic bandgap,...) there is great interest in the development of two‐dimensional 

(2D) transition metal dichalcogenides (MX2) such as MoS2, WS2, MoSe2, and WSe2. These promising 

materials consist of van der Waals‐bonded nanosheets much like graphene, and their properties 

depend greatly on the material quality and thickness (number of layers). At imec, a variety of routes 

is explored to reliably fabricate MX2 devices on a large scale, and this research requires fast and high‐

quality metrology to support and improve the processing, with Raman spectroscopy being one of the 

essential techniques. This non‐destructive microscopy technique relies on the excitation and 

detection of vibrational energy modes at characteristic frequencies enabling immediate identification 

and assessment of the sample under study, as all MX2 materials have signature Raman spectra that 

are well documented. At the same time, the dimensions of these devices and the length scales 

related to the phenomena of interest are usually incompatible with the relatively large, diffraction‐

limited, probe area of micro‐Raman spectroscopy. This challenge can be tackled by using Tip‐

Enhanced Raman Spectroscopy (TERS) which is a clever coupling between Raman and Scanning Probe 

Microscopy to translate the versatility of Raman spectroscopy into nanometer‐sized spatial 

resolutions. 

In this internship, we start off by familiarizing ourselves with the material and field of research, 

including hands‐on training on imec's fully equipped TERS instrument. Next, the student will actively 

participate in the characterization of state‐of‐the‐art MX2 devices, and the systematic interpretation 

of the resulting nano‐Raman spectra. Eventually, crucial insight will be obtained into the parameters 

that determine ultimate device performance like local defects, charge carrier distributions, doping, 

material (in)homogeneity and many more. 

   

Page 31: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Photo‐acoustic imaging algorithm for new ultra‐sensitive opto‐mechanical ultrasound 

sensor 

Promotor: Liesbet Lagae  

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision: Wouter Westerveld 

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry   

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology  x 

 

Description:  

We are looking forward to accurate and beautiful images! 

Imec is developing an extremely efficient opto‐mechanical photonic chip technology for application 

as ultrasound sensor to enable future photo‐acoustic‐imaging microsystems. The objective of this 

MSc Thesis is to develop new photo‐acoustic imaging algorithms tailored to this sensor.     

Photo‐acoustic imaging (also called opto‐acoustic imaging) is the youngest and the most rapidly 

advancing modality in medical imaging (see e.g. L.V. Wang, and J. Yao, ‘A practical guide to 

photoacoustic tomography in the life sciences’, Nature Methods, 13(8), pp. 627–638, 2016; or 

https://youtu.be/Y3IU9‐Q8qaY). This hybrid technology combines rich optical contrast with 

ultrasonic resolution deep in body tissue. To create a photo‐acoustic image, pulses of laser light are 

shone onto body tissue where the photons are absorbed by tissue and partially converted into heat. 

The harmless heat‐induced expansion emits an ultrasonic pressure wave that is picked up at the skull 

by ultrasound sensors. Like optical microscopy, chromophores absorb specific optical frequencies so 

that different types of molecule can be distinguished. Unlike optical microscopy, photo‐acoustic 

imaging depth is not limited by optical diffusion because the ultrasonic waves are much less distorted 

by tissue.     

At Imec we developed new ultra‐sensitive opto‐mechanical ultrasound sensors with ultrasound 

characteristics (e.g. bandwidth) different from the traditional piezo‐electric ultrasound sensors. 

Therefore, imaging algorithms need to be developed especially for this new sensor. In this MSc 

thesis, you will study existing ultrasonic / photo‐acoustic imaging algorithms, study the behavior of 

this new ultrasound sensor, and develop imaging algorithms especially for these new sensors. You 

will work with an experimental researcher who will provide you with measured data to directly test 

your algorithm on experimental results. We are looking forward to accurate and beautiful images!   

(Canon)   

    

Page 32: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

References:    

Wang, L. V. and Yao, J. (2016) ‘A practical guide to photoacoustic tomography in the life sciences’, 

Nature Methods, 13(8), pp. 627–638.    

Leinders, S. M. et al.(2015) ‘A sensitive optical micro‐machined ultrasound sensor (OMUS) based on a 

silicon photonic ring resonator on an acoustical membrane’, Scientific Reports, 5(c), p. 1417744.   

M. Matsumoto et. al. (2018), Label‐free photoacoustic imaging of human palmar vessels: a structural 

morphological analysis, Scientific Reports 8, article number 786 (2018). 

   

Page 33: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Thesis Title:  Characterization of an Optical Microphone 

Promotor: Liesbet Lagae 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision: Wouter Westerveld, Veronique Rochus, Roelof Jansen 

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry   

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology  x 

 

Description:  

Characterize new generation of ultra sensitive optical microphones 

Microphones have been present in a wide range of applications in the past decades. They are present 

in all consumer electronics such as mobile phones and laptops but are also important for other 

applications like hearing aids, the automotive industry and aerospace technologies. On‐chip micro‐

electro‐mechanical systems (MEMS) offer extremely small and cost‐effective devices. 

Simultaneously, optical sensors have demonstrated high sensitivity and offer remote readout, but for 

a less integrated system. Micro‐opto‐mechanical sensors offer the advantages of both worlds, with 

prospects of high sensitivity, small footprint, and on‐chip passive optical multiplexing.    

Recently Imec developed a novel integrated Micro‐Opto‐Mechanical Pressure Sensor that exhibits an 

excellent measurement precision in a large pressure range. This sensor combines a mechanical 

micro‐membrane with silicon photonics technology. The sensor uses integrated photonic (on‐chip) 

interferometers to measure real‐time the deflection of the membrane. In fact, a innovative 

combination of multiple interferometers is used to achieve both a large measurement range as well 

as a high sensitivity. First experimental evidence shows that a similar could be used as sensitive 

microphone (Figure 2). However, the full acoustic performance was never evaluated, and the read‐

out system was not optimal.    

The goal of this master thesis is to characterize new optical microphones. The sensitivity, frequency 

bandwidth and the SNR will be carefully characterized. This includes designing a building a new setup 

in our laboratory, including state‐of‐the‐art lasers and read‐out electronics for the optical sensor 

interrogation. 

   

Page 34: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Spintronic devices based on spin waves for beyond CMOS applications 

Promotor: Marc Heyns, Bart Soree 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision: Florin Ciubotaru, Christoph Adelmann 

Type of work:  

Number of students:  

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 waves have 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 studentwill participate to the fabrication of 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 35: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Thesis Title:  Modeling of magnetoelectric effect for advanced spintronic applications 

Promotor: Marc Heyns, Bart Soree 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision: Florin Ciubotaru, Christoph Adelmann 

Type of work:  

Number of students:  

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 36: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Thesis Title:  Magnetoelectric devices for beyond CMOS applications 

Promotor: Marc Heyns, Bart Soree 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision: Florin Ciubotaru, Christoph Adelmann 

Type of work:  

Number of students:  

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 37: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Thesis Title:  High resolution fluorescence imaging using photonic integrated circuits 

Promotor: Pol Van Dorpe 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision: Niels Verellen, Qingzhong Deng 

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry  x 

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology   

 

Description:  

Fluorescent microscopy is an indispensable tool in biology and medicine that has fueled many 

breakthroughs in a wide set of sub‐domains.  Recently the world of microscopy has witnessed a true 

revolution in terms of increased resolution of fluorescent imaging techniques, even resulting a Nobel 

Prize in 2014. High resolution microscopy is also responsible for the spectacular cost reduction of 

DNA sequencing during the last decade.   The next big push in microscopy with a large societal 

impact will come from extremely compact and robust optical systems that will make high‐resolution 

(fluorescence) microscopy highly accessible, enabling both cellular diagnostics at the point of care 

and the development of compact, cost‐effective DNA sequencing instruments, facilitating early 

diagnosis of cancer and other genomic disorders.   Our team is developing a novel high‐resolution 

imaging platform, based on only a single chip, that will completely eliminate the necessity of 

standard free‐space optical components. This new concept will provide imaging beyond the 

resolution limit set by the sensor pixel size and the point spread function of an extremely compact 

microscopy system.   In this master thesis topic, the student will contribute to the study of a novel 

high‐resolution imaging concept based entirely on an intimate marriage of active on‐chip photonics 

and CMOS image sensors.  A suitable candidate has a keen interest in experimental work, data 

analysis, and simulations. The main research objectives are: ‐ Super‐resolution microscopy of 

structured illumination patterns generated by the new microscopy chips ‐ Experimentally reveal the 

achievable resolution of the full system and the interdependencies with e.g. speed and field of view 

size  ‐ Reproduce and validate experimental results with a system model and simulations 

   

Page 38: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  From electrochemical DNA synthesis towards its application in biomedical diagnostics 

– DNA chips for spatial transcriptomics 

Promotor: Liesbet Lagae 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision: Kathrin Hoelz, Karolien Jans, Tim Stakenborg 

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry   

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology  x 

 

Description:  

DNA chips for spatial transcriptomics 

Understanding the organization of cells in tissues, being able to differentiate between certain cell 

types as well as getting insights into their health status are key elements in biomedical research. 

While conventional procedures for analyzing tissue samples are solely based on visual examinations, 

leading therefore potentially to false conclusions due to morphological artifacts, spatial 

transcriptomics analysis allows to obtain genomic information of the cells together with their spatial 

origin.    

Spatial transcriptomics analysis relies on the use of DNA microarrays of spatially barcoded reverse 

transcription primers to capture cellular mRNA from tissue slices placed on top of the DNA 

microarray. Even though various techniques exist to fabricate DNA microarrays, electrochemical DNA 

synthesis allows for exceptionally high feature density, resolution and throughput. 

The proposed master’s thesis topic focusses on the electrochemical DNA synthesis and 

characterization for spatial transcriptomic analysis. The candidate will encounter a wide range of 

experimental techniques, including electrochemistry, surface functionalization, fluorescence 

microscopy and reverse transcription assays.   

We are looking for a highly motivated candidate that has an excellent knowledge of biochemistry, 

and a strong interest in nanotechnology. As the student will be working in a highly international 

environment, a good command of the English language (spoken and written) is recommended. Due 

to the topic's highly interdisciplinary nature, we strongly advise the student to discuss the project 

with the  supervisors prior to their application.   

For further information and application, please contact Kathrin Hölz ([email protected]), 

Karolien Jans ([email protected]) and Tim Stakenborg ([email protected]). 

 

Page 39: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Electrical characterization and reliability of Si Photonics devices 

Promotor: Ingrid De Wolf 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision: Artemisia Tsiara 

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry x

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  x

Bionanotechnology 

 

Description:  

Step into the new era of optical interconnection devices, the disruptive technology that enables future‐generation data communications. 

The industry’s need to continue the scaling of commercial electronics and, also, increase the data 

transmission rates has led the research towards Silicon Photonics. This disruptive technology aims to 

revolutionize many application areas such as data centers, imaging and sensing using the, already 

acquired, CMOS Si knowledge.  

The above figure [1] shows the building blocks that are included on a silicon photonics chip. First, an 

on‐chip laser source is necessary to provide the pumping mechanism. Recently, the research interest 

has turned into the III‐V group of materials that has been widely used in commercial laser devices. 

Then, to transfer the data in the form of optical signals we need a modulator: Si ring, Si Mach‐

Zehnder and GeSi electro‐absorption modulators. At the receiver end, in order to detect light and 

convert it back into electronic signals, Ge p‐i‐n photodetectors and Ge avalanche photodetectors are 

in charge.  

However, along with the advancements in the semiconductor industry, additional reliability issues 

have emerged. Defects induced by the fabrication process or the ageing of the device under stress, 

can lead to the degradation of the device’s characteristics.  

The objective of this work is to contribute on the electrical characterization and the ongoing 

reliability studies on wafer and package level, of the aforementioned components developed at 

imec’s Si Photonics platform, towards the design and fabrication of a more robust and reliable 

technology. 

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

and interpretation 

[1] Ali Okey, Thesis, SI‐GE Photodetection Technologies for integrated optoelectronics, Stanford 

University, 2007   

Page 40: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Thesis Title:  How to reliably asses the reliability of interconnects? 

Promotor: Ingrid De Wolf   

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision: Kristof Croes 

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry  x 

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology   

 

Description:  

Challenging the good marriage between classical and new electromigration test methodologies. 

Electromigration is a key reliability concern for advanced on‐chip interconnects. Industry spends a lot 

of time and money to measure the impact of process variations on electromigration and to 

guarantee electromigration lifetime requirements. In recent years, imec and KUL developed a fast 

electromigration characterization method using low‐frequency noise measurements and managed to 

establish a good link between the classical measurement methods and the newly developed one. 

This topic will built further on this work by extending our data base to a broader set of devices and 

test structures. This will allow to understand the application/limitation of the developed 

methodology which makes the visibility of this topic high both for academia and industry. 

 

   

Page 41: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Thesis Title:  Transparent conductive oxide (TCO) and nc‐Si thin film development for use in 2‐terminal Si heterojunction‐perovskite tandem solar cells 

Promotor: Jef Poortmans 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision: Hariharsudan Sivaramakrishnan Radhakrishnan 

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option  

Nanomaterials and nanochemistry  x 

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology   

 

Description:  

Developing a "skin" that "sweats" charge carriers for high‐efficiency solar cells 

Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world and has 

indeed a “bright” future. The cumulative installed capacity of PV in the world has already surpassed 

600 GW by 2019. The main driving forces in the PV world have always been the reduction in module 

cost and the increase in the module efficiencies. Continued development of high‐efficiency cell 

concepts for the future is of great interest in the R&D world.  The PV industry has been transitioning 

from Al‐BSF solar cells to PERC solar cells in order to increase the module efficiencies. The focus of 

next‐generation solar cell technology development has turned towards reducing contact 

recombination. For this, solar cells with passivated contacts are being widely investigated, with 

heterojunction contacts based on amorphous Si (a‐Si) probably the best known example. With this 

technology and a back‐contacted cell architecture, Kaneka broke the world record efficiency for 

single junction Si solar cells with its remarkable 26.7% cell [1], getting quite close to the theoretical 

and practical limit for single‐junction Si solar cells.  To go beyond the fundamental single‐junction 

limit, a tandem device architecture, which employs 2 or more absorber materials of complementary 

bandgaps in a stack, must be adopted to reduce thermalisation losses and use the solar spectrum 

more effectively. A wide bandgap perovskite top cell above a c‐Si bottom cell is one of the emerging 

tandem solar cell configurations that has attracted plenty of recent interest, due to its potential of 

exceeding 30% while combining the attractive properties of perovskites with the well‐understood 

technologies for c‐Si. The best monolithic implementation of this material combination was very 

recently achieved this year by HZB with an efficiency of 29.15% [2].  Imec is also involved in the 

development of such 2 terminal tandem cells with a Si heterojunction (SHJ) bottom cell and a 

perovskite top cell. For the SHJ bottom cells, a thin film stack consisting of (1) intrinsic a‐Si, (2) doped 

a‐Si or nano‐crystalline silicon (nc‐Si) and (3) TCO forms the “skin” that not only passivates the solar 

wafer surfaces but is also responsible for efficient charge carrier transport, which are both crucial 

towards achieving high efficiencies. In addition, a recombination layer or tunnel junction is needed in 

Page 42: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

between the two tandem cells. This is usually achieved by using a TCO layer or n+/p+ nc‐Si junction. 

Thus, as part of this thesis, the student will focus on developing TCO layers (such as ITO, AZO, IZO) 

and n‐ and p‐doped nc‐Si films for use in the SHJ cell “skin” and as the intermediate recombination 

layer or the tunnel junction between the tandem cells. The student will characterise the developed 

layers structurally, optically and electrically using different characterisation methods such as 

ellipsometry, XRD, Raman, sheet resistance mapping and Hall measurements. The passivation 

properties of the developed films as part of the SHJ “skin” will also be assessed using carrier lifetime 

measurements. Finally, the charge transport through the developed material stack will be evaluated 

using contact resistivity measurements. These layers will subsequently be implemented in single‐

junction Si heterojunction solar cells to assess their performance at device level. The main location 

for this thesis is imec Leuven.   Type of work: 10% literature study + 10% modeling + 80% 

experimental  Daily supervisor: Hariharsudan Sivaramakrishnan Radhakrishnan    [1] K. Yamamoto, K. 

Yoshikawa, H. Uzu, and D. Adachi, “High‐efficiency heterojunction crystalline Si solar cells,” Jpn. J. 

Appl. Phys., vol. 57, pp. 08RB20‐1, 2018. [2] https://www.helmholtz‐

berlin.de/pubbin/news_seite?nid=21020;sprache=en;seitenid=74699   

Page 43: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Thesis Title:  Impact of microstructure and texture on copper thin film creep 

Promotor: Ingrid De Wolf 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision: Thomas Tsau, Joke De Messemaeker 

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry  x 

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology   

 

Description:  

Understanding 'creepy' copper crystals 

With the end of Moore’s law in sight, chip manufacturers are turning to 3D integration to continue 

the scaling trend. One of the advanced 3D integration technologies is wafer‐to‐wafer hybrid bonding 

of patterned copper‐dielectric surfaces, realizing vertical interconnect pitches down to 1 µm. 

Bonding of the copper pads is achieved through annealing to induce thermal expansion, deformation 

and diffusion of the copper. Finite element model simulations are used to obtain an understanding of 

the limits of this process, which is essential for its industrial application. 

For accurate simulations, an in‐depth understanding of the active dislocation and diffusion based 

deformation mechanisms is key. In this project, you will map the occurrence of these mechanisms as 

a function of temperature and stress using copper thin film wafers. You will correlate the stress 

measurements with the film microstructure and texture, measured by electron back‐scatter 

diffraction and X‐ray diffraction. Finally you will combine these data in a material deformation model, 

to be applied in the thermo‐mechanical simulations of the hybrid bonding copper pads. 

   

Page 44: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Thesis Title:  Acoustic design for ultrasound power delivery for deep implant 

Promotor: Chris Van Hoof 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision: Pieter Gijsenbergh, Veronique Rochus 

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry   

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology  x 

 

Description:  

Acoustic design for ultrasound power delivery for deep implant 

We have seen an incredible transition in computing devices from vast compute servers that filled a 

whole room towards personal computers, laptops, tablets and smartphones. A similar revolution is 

happening in the medical diagnostic & therapeutic world. Recent years have seen a rapid rise of 

advanced (wearable) medical devices that bring high‐quality medically‐relevant diagnostics to an 

ever more convenient form factor at an even lower cost. More recently a shift is witnessed towards 

advanced implantable devices that can be implanted via minimally invasive procedures. Examples 

include ingestible, injectables, endoscopically implanted devices and subcutaneous implants. Imec is 

launching a major research effort into such advanced medical implant devices and we are looking for 

a good post‐doctoral researcher to tackle a major hurdle in this field. 

One of the biggest challenges to overcome in such highly miniaturized devices is the problem of 

power delivery. Most of the solutions today are battery‐powered which has a number of severe 

limitations (toxicity, patient safety and size/volume). Hence there is a major interest to develop 

implants that can be wirelessly powered. In this area, inductively coupled devices are the most 

prevalent, but they rely on fairly large coils. RF‐based wireless powering on the other hand is not 

efficient for deep implants due to the absorption of RF waves by human tissue. Ultra‐sound however 

is a very interesting technique for medical implants and is already widely used for imaging. Ultra‐

sound is not absorbed as much by the human tissue, while ultrasound transducers can be made very 

small and even integrated into a chip. 

In this master thesis, we will investigate an ultra‐sound system for power delivery for extremely 

miniaturized deep implants. Based on acoustic simulations, we will first define the acoustic beam‐

forming technique and acoustic spec of the transducer to efficiently focus the energy to the implant. 

Then we will design the transducer for the optimal acoustic frequency. The work will be performed in 

collaboration with circuit designers working on the same topic. 

Page 45: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Thesis Title:  Acoustic powering and stimulation for medical applications 

Promotor: Chris Van Hoof 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision: Pieter Gijsenbergh, Veronique Rochus 

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry   

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology  x 

 

Description:  

Acoustic powering and stimulation for medical applications 

Focused ultrasounds are used for a wide range of medical applications from deep implant powering 

(where the acoustic transducers are placed outside of the body and steer toward an implant 

harvesting the acoustic energy) to non‐invasive surgical technology (that uses ultrasound energy to 

target specific areas of the brain and body for treatments). 

In order to generate this acoustic power, microscale piezoelectric transducers are fabricated in large 

arrays with the potential to control the time delay of every single transducer. Beam‐forming 

techniques is then used to focus the pressure on small spots in space at which the high pressure can 

then be used for the electronic powering or the tissue stimulation.  

Based on the available PMUT, technology this master thesis explores the available beam forming 

strategies to maximize the focused pressure and control the focus spot. Following a thorough 

literature study and simulations, the proposed solutions will be implemented and tested in water.  

 

   

Page 46: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Thesis Title:  Electrodes for transparent thin film solar cells 

Promotor: Jef Poortmans 

Faculty/Research Group: Location: Genk 

Daily Supervision: Yinghuan Kuang 

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry  x 

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology   

 

Description:  

Making perovskite solar cells more efficient 

In recent years, hybrid organic‐inorganic lead halide‐based perovskite materials have been 

intensively studied for their application in a new generation of thin film solar cells. The certified 

power conversion efficiency of such perovskite solar cells (PSCs) has already exceeded 25%, 

approaching the record efficiency of dominant Si photovoltaics (PV) technology. An interesting 

peculiarity of the perovskite material is its color tunability. Changing its composition enables to vary 

the absorption bandgap in a well‐controlled way. Having the perovskite absorber sandwiched 

between transparent electrodes enables thereby thin film solar cells that are by itself color tunable 

and even transparent. This opens new application areas for solar energy generation like placing them 

in windows of buildings or even cars. Another potential use is to combine such transparent 

perovskite solar cell as top cell above a Si bottom cell in a tandem configuration, due to its potential 

of exceeding 30% while combining the attractive properties of perovskites with the well‐understood 

technologies for Si photovoltaics. High transparency of the electrodes in such device architectures is 

key for optimal user experience as well as performance. The visible part of the spectrum has to be 

transmitted well for best see‐through experience in the one application while for the tandem 

configuration also the infrared part has to reach the underlying Si cell to achieve highest overall 

efficiency. Additionally, the transparency needs to be balanced with high conductivity as the 

electrode must be able to draw efficiently the generated electrical current of the solar cell to an 

external load. In this master thesis a new conductive oxide material will be investigated for its use as 

such transparent electrode. While commonly indium tin oxide (ITO) is used, here we will explore the 

indium zinc oxide (IZO) variant. This material is reported to have higher transparency compared to 

ITO thanks to its significantly higher charge mobility, which enables comparable conductivity at lower 

carrier density for reduced free carrier absorption. . A vacuum sputter process will be used to deposit 

the IZO layer, and parameters like oxygen partial pressure in the O2/Ar mixture, plasma power, 

sputter rate etc will be varied. Optical and electrical properties of the layers, deposited initially on 

Page 47: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

the glass substrate and later in the effective solar cell architecture, will be characterized by 

ellipsometry, transmission‐reflection, charge carrier mobility and resistivity measurements. When 

processing larger area devices (>1cm2), the impact of a metal grid enhancing the current collection 

will be investigated. The width of the metal fingers and their pitch will be varied whereby the solar 

cell performance is monitored. The aim of this thesis research is to validate IZO, eventually combined 

with a metal grid, as transparent electrode for perovskite solar cells. Quantifying the transparency of 

the full solar cell architecture, while maintaining high power conversion efficiency, will enable to 

select the application it suits best. A comparison with ITO will be made to assess whether it would be 

a valuable alternative to continue upscaling the process for transparent thin film solar cells and 

modules. 

   

Page 48: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Thesis Title:  DNA synthesis platform for long term data storage 

Promotor: Philippe Vereecken 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision:  Olivier Henry, Kherim Willems 

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry   

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology  x 

 

Description:  

DNA synthesis nanotechnology 

DNA synthesis platform for long term data storage 

DNA has been proposed as a stable medium for long term data storage(1). Information can be 

encoded in a succession of nucleotides with high density that can be assembled in situ using optical 

or electrochemical techniques. Current DNA synthesis methods generally rely on phosphoramidite 

chemistry, which is relatively slow, inefficient, expensive and not readily amenable for 

miniaturization(2).  

 Novel approaches make use of enzymes, such as the Terminal deoxynucleotidyl transferase (TdT), 

which can efficiently add nucleotides to existing DNA strands in an aqueous environment. However, 

controlling the rate of nucleotide addition in vitro, remains challenging(3).  In this master thesis, the 

candidate will explore new methods to locally control the chemical environment required to trigger 

enzymatic reactions using optical and/or electrochemical means.  

The project particularly focuses on the development of new materials capable of storing and 

releasing ions on demand to control enzyme activity and the early demonstration of their 

performance towards the realization of a prototype system for DNA synthesis. Consequently, the 

student will be involved in the full fabrication and characterization of the material and testing for 

enzymatic control and will encounter a wide range of experimental techniques, including 

electrochemistry, fluorescence microscopy, surface functionalization, enzymology and micro‐ and 

nano‐electrode fabrication.  

 For this master’s thesis, imec is searching for a highly motivated student that is eager to expand their 

knowledge of electrochemistry, surface chemistry and enzymology in a nanotechnological setting.  

Page 49: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

The student will be working within the context of an existing project, together with an international 

team of interdisciplinary researchers. Hence, the ability to communicate fluently in English (spoken 

and written) is highly recommended. We encourage interestedstudents to contact us for more 

information on the technical aspects ofthe topic. 

  Type of project: Master's Thesis  Duration: 6 months  Degree: Master in Biochemistry, Chemistry or 

Nanoscience & Nanotechnology  Responsible scientist(s): For further information and application, 

please contact Kherim Willems ([email protected] ), Olivier Henry ([email protected] ), 

Karolien Jans ([email protected] ), Tim Stakenborg ([email protected] ), and Philippe 

Vereecken ([email protected])  

  References:  

1. Ceze, L., Nivala, J. & Strauss, K. Molecular digital data storage using DNA. Nat. Rev. Genet. (2019). 

doi:10.1038/s41576‐019‐0125‐3  

2. Hughes, R. A. & Ellington, A. D. Synthetic DNA synthesis and assembly: Putting the synthetic in 

synthetic biology. Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 9, (2017).  

3. Lee, H. H., Kalhor, R., Goela, N., Bolot, J. & Church, G. M. Terminator‐free template‐independent 

enzymatic DNA synthesis for digital information storage. Nat. Commun. 10, 2383 (2019). med 

 

   

Page 50: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Thesis Title:  Characterization of nanoscale wetting states 

Promotor:  Stefan De Gendt 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision:  XiuMei Xu 

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry  x 

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology   

 

Description:  

The topic has a broad spectrum of applications and impacts on modern technology, from mass IC production, biomimetic functional materials to single molecule detection in nanofluidics 

The continuous miniaturization of electronic devices relies on effective wet processes that are 

routinely used in lithography, etching and cleaning. In advanced technology nodes, where the critical 

dimensions of devices scale down to sub 10 nm, partial wetting of deep trenches can pose a great 

challenge for wet processes. Understanding the mechanism on how geometry and surface chemistry 

affect nanoscale wetting is critical for many key process steps, such as gap fill by flowable CVD, 

nanoscale wet etching and cleaning of high aspect ratio structures in confined space. The same 

mechanism can be applied to the design of biomimetic superhydrophobic materials for self‐cleaning 

and anti‐fouling applications. 

The internship will focus mainly on experimental work, to be carried out in IMEC's state‐of‐the‐art 

cleanroom facilities. The student will receive training on all tools required to perform his/her 

research and get hands on experience of various processing and characterization techniques. In‐situ 

characterization techniques are critical for capturing the dynamic process of capillary interactions 

with nanostructures. In this project, contact angle measurements and attenuated total reflectance‐‐

Fourier transform infrared (ATR‐FTIR) spectroscopy will be used to investigate the impact of different 

surface chemistry and geometry profile on wetting properties of heterogeneous surfaces1‐3. 

The student should preferably have a background in physics, chemistry or material science. 

Type of work: literature 20 %, 80% experiments 

Supervisor: XiuMei Xu ([email protected]

References 

1.        Xu, X. et al. Capturing wetting states in nanopatterned silicon. ACS Nano 8, 885–93 (2014). 

Page 51: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

2.        Vrancken, N. et al. Superhydrophobic breakdown on nanostructured surfaces characterized by 

in‐situ ATR‐FTIR. Langmuir 33, 3601–3609 (2017). 

3.        Vrancken, N. et al. In‐situ ATR‐FTIR for dynamic analysis of superhydrophobic breakdown on 

nanostructured silicon surfaces. Sci. Rep. 8, 1–12 (2018). 

   

Page 52: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Thesis Title:  Timed fixation method for miniature ingestible electronic pills 

Promotor:  Chris Van Hoof 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision:  Nick Van Helleputte 

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry   

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology  x 

 

Description:  

The future health devices will be swallowed! Develop novel technologies that will allow these devices to stay fixed in the human GI system for a specific period of time. 

Timed fixation method for miniature ingestible electronic pills 

The last decade has seen a tremendous growth in wearable connected health devices. While 

wearables are indeed becoming increasingly more valuable both for the consumer as well as for the 

medical market, they still have a few drawbacks. Wearables are particularly good at providing 

information about the cardio‐vascular system (heart, respiration) and to a certain degree also the 

peripheral and central nervous system, but cannot really provide any meaningful information about 

the gastro‐intestinal system. This is obviously a very important system and gastro‐intestinal diseases 

affect a large percentage of the population. To address this unmet need, scientists across the world 

started pointing their attention to miniature small electronic pills. Most of the research activity 

started in the domain of wireless endoscopic camera‐pills, but more recently researchers started 

investigating bio‐chemical sensing and drug delivery capabilities as well. One major issue with such 

ingestible electronic pills, is the fact that they pass through the whole GI system uncontrolled. For a 

number of diagnostic and therapeutic applications, it would be much more interesting if the devices 

can stay in a certain region for at least 1 or 2 full digestive cycles. 

In this master's thesis topic, the student will investigate methods that can be integrated into small 

miniature electronic pill‐shaped devices that will allow the pill to remain in place during at least 24h. 

It will be important to design a technology that is safe and won't increase the risk of blockage while 

the device remains in place. At the same time, the device should self‐attach after a certain amount of 

time after which it can leave the body through natural means. The student will be expected to 

perform an in‐depth literature search and analyze critically the various approaches that have been 

taken by other groups across the world. The student must determine pros and cons of each and 

suggest a suitable (electro‐mechanical enclosure that can self‐attach or remain fixed in a given 

Page 53: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

location. As a means of detaching, various options exist, but one of the most explored technologies is 

the use of materials that dissolve over time or after application of a certain stimulus. If feasible, the 

student will be tasked to design a proof‐of‐concept system using rapid prototype techniques (like 3D‐

printing) to test and validate the concept in an in‐vitro setting. 

This topic will require a background in mechanical engineering and material science. The work will 

consist of literature study, conceptual design, material choice and supplier identification and rapid 

prototyping to validate concepts in the lab. 

 

   

Page 54: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Thesis Title:  Low power circuit implementation of RRAM‐based STDP network for neural spike sorting 

Promotor: Chris Van Hoof 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision:  Shiwei Wang 

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option  

Nanomaterials and nanochemistry   

Nanoelectronic design  x

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology   

 

Description:  

Decode the brain with brain‐inspired circuits 

 

Spike sorting is an important pattern recognition task that allows neuroscientist to extract the spiking 

activities of individual neurons from the raw signals collected by the neural recording devices such as 

neural probes and microelectrode arrays. Low power implementation of the spike sorting algorithms 

is becoming more and more challenging with the continuously increasing scale of neural recording. 

As an alternative to the conventional spike sorting scheme, spiking neural network with spike‐time‐

dependent plasticity (STDP) learning has been studied to explore higher computational efficiency. 

Low power implementation of STDP network is becoming plausible thanks to the technology 

advances of resistive random‐access memory (RRAM) devices that are promising candidates to 

efficiently build synapses with STDP characteristics.  

The objective of this master thesis is to study the STDP‐based spike sorting schemes and explore the 

hardware implementation with low power CMOS circuit and commercialized RRAM devices. The 

student will be involved in 20% Literature study, 20% modelling and 60% circuit design and 

simulation. 

Requirements: 

‐Interest and enthusiasm in mixed‐signal microelectronics and machine learning 

‐Solid knowledge of circuit design 

‐Knowledge of Cadence IC design tools (Spectre, Virtuoso, etc.) 

‐Knowledge of resistive memory and/or neural network is a plus 

‐Knowledge of Matlab 

   

Page 55: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Thesis Title:  Stimulation‐artifact characterization and removal for closed‐loop BCI applications 

Promotor: Chris Van Hoof 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision:  Carolina Mora Lopez 

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry   

Nanoelectronic design  x 

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology  x 

 

Description:  

Enabling closed‐loop brain‐machine interfaces 

Bi‐directional brain‐computer interfaces (BCIs) require simultaneous stimulation and recording to 

achieve closed‐loop operation. Since the recorded data can be corrupted by large stimulation 

artifacts, there has been extensive research trying to develop techniques to detect and remove 

artifacts without distorting the signal of interest. However, due to the limited knowledge of the 

nature of the electrical artifacts and their variation caused by changes in the electrode‐tissue 

interface, many of the proposed techniques are not effective for high‐density BCI's. 

The goal of this master thesis is to investigate the stimulation artifacts that are generated by high‐

density neural probes during micro‐ and macro‐stimulation, and develop algorithms for automatic 

artifact detection and removal. The master student will be involved in lab measurements, modeling 

of important electrode‐tissue characteristics, modelling of the analog front‐end recording circuits 

and implementation of algorithms in FPGA. 

 Specific thesis objectives:Study and understand the theory behind neural stimulation techniques and 

stimulation artifacts.Create models of the electrode‐tissue interface based on available devices and 

materials.Create models of the analog front‐end circuits to study the different mechanisms of 

channel saturation and neural‐signal corruption.Propose algorithms for artifact removal based on the 

available models.Validate the proposed algorithms by designing a proof‐of‐concept setup with 

available neural probes and acquisition system (based on FPGA) 

Requirements:Interest and enthusiasm in signal processing and algorithmsKnowledge of 

MatlabKnowledge of C++ and VHDLKnowledge of analog IC design principlesKnowledge of Cadence 

IC design tools (Spectre, Virtuoso, etc.) is a plus 

   

Page 56: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Thesis Title:  Design of distributed and addressable neural stimulation circuits for high‐density neuromodulation 

Promotor: Chris Van Hoof   

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision:  Carolina Mora Lopez, Didac Gomez Salinas,  Marco Ballini 

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option  

Nanomaterials and nanochemistry   

Nanoelectronic design  x

Nanodevices and nanophysics   

Bionanotechnology  x 

 

Description:  

Enabling closed‐loop brain‐computer interfaces 

Electrical neuromodulation is a technique used to treat neural disorders such as Parkinson's disease, 

tremor and dystonia. An invasive neuromodulation system consists of tiny microelectrodes that are 

implanted in the brain to deliver stimulation pulses to the tissue, and an electrical pulse generator 

that generates the stimulation pulses and is connected to the electrodes. The efficacy of this 

technique can be improved by localizing the current delivery into specific populations of neurons and 

by increasing the power efficiency through a suitable choice of electrode geometrical characteristics. 

Thus, significant research efforts have been done to find the best electrodes material, shapes and 

geometrical distributions to achieve uniform current density and power efficiency in localized 

stimulation. However, localized safe stimulation has not been yet fully demonstrated in high‐density 

neural probes with planar electrodes. 

The goal of this master thesis is to design area‐efficient programmable integrated circuits for safe 

current stimulation that can be used together with distributed planar electrodes arrays to create 

arbitrary stimulation patterns and stimulation steering. The student will be involved in the 

experimental characterization of different stimulation patterns and waveforms for safe charge 

delivery, and in the design and simulation of innovative analog circuits in Cadence. 

Specific thesis objectives:Study and understand the theory behind neural stimulation techniques and 

safe charge delivery using planar electrodesInvestigate by means of experiments using off‐the‐shelf 

components the possibility of localizing and steering neural stimulation using available neural probes. 

For this, the design and layout of custom printed‐circuit boards (PCB's) will be required.Create 

models of the electrode‐tissue interface based on available devices and materialsPropose, design and 

simulate programmable stimulation circuits that can be implemented in high‐density CMOS neural 

probes using minimum area 

Page 57: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

  

Requirements:Interest and enthusiasm in analog microelectronicsKnowledge of analog IC design 

principlesKnowledge of Cadence IC design tools (Spectre, Virtuoso, etc.)Basic knowledge of IC layout 

implementationKnowledge of MatlabKnowledge of PCB design software (e.g. Altium, Eagle, etc.) is a 

plus 

 

   

Page 58: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Thesis Title:  Serial interface optimized for neural probes 

Promotor: Chris Van Hoof 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision:  Chris Van Hoof 

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry   

Nanoelectronic design  x 

Nanodevices and nanophysics   

Bionanotechnology  x 

 

Description:  

Optimally tune a standard high speed data interface for the specific application of neural probes. 

Current neural probe devices are already capturing data at rates of hundreds of Megabits per 

second. Transmitting this data from a device implanted is challenging because the inefficiency of a 

data protocol results in waste heat which damages the brain. 

Multiple standard digital interfaces exist (parallel, SPI, USB, LVDS etc) which are capable of 

transporting the required data rate. However, they are designed with standardization and wide 

adoption in mind, making them an imperfect fit for neural probes which need to transmit this data 

over a short distance only using minimal power. 

During this project we'll explore ways to optimize these interfaces to meet the specific challenges of 

the neural probes. Once an optimal way is found a CMOS implementation of a transmitter and 

receiver be designed and simulated.  

 

 

   

Page 59: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Thesis Title:  Wireless data transmission for neural probes 

Promotor: Chris Van Hoof 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision:  Chris Van Hoof 

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry   

Nanoelectronic design  x 

Nanodevices and nanophysics   

Bionanotechnology  x 

 

Description:  

Low power wireless data transmission techniques for neural probes 

Current neural probe devices are already capturing data at rates of hundreds of Megabits per 

second. Transmitting such high data rates for a long experiment duration over a wireless radio link 

will require a large battery which is detrimental. Efficient and high data rate radio transmitters have 

been developed, however there is still room for improvement. 

This work will explore alternative wireless data transmission techniques such as backscatter which 

can strongly reduce the power consumed by the transmitter and build a working prototype using off 

the shelf electronic components.  

 

   

Page 60: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Thesis Title:  Rooftop PV module setup: Measurement and analytical studies on thermal processes 

Promotor: Francky Catthoor 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision:  Francky Catthoor, Gofran Chowdhury 

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry  x 

Nanoelectronic design  x 

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology   

 

Description:  

We want to study the effect of dynamic‐wind condition, and cloud formation on PV modules energy yield installed on a building rooftop. 

Photo‐voltaic solar panels provide a very attractive solution for future clean energy provision on site. 

Today's panels provide a relatively high efficiency under optimal conditions and when just fabricated. 

However, when the surface level airflow, irradiance transition caused by moving clouds, ambient 

temperature, radiation angle, and radiation concentration conditions are varying, the Energy‐yield 

efficiency fluctuates quite heavily. Dynamic wind speed, wind direction and cloud covering play a 

significant role in the thermal processes. The range of these effects heavily depends on the context in 

which these panels are used and on the type of technology used.  We will mainly focus on crystalline 

silicon flat late modules using the most cost‐effective solar cells. 

In this thesis, we want to study the sensitivity of the above effects on PV modules installed on a 

building rooftop. We will compare several module topologies. We want to measure the I‐V curves 

where both thermal, wind effects and cloud patterns will be included. Detailed thermal sensors 

would be distributed across the modules along with cloud movement imagining of the experimental 

site. This will contribute heavily to the understanding of the energy‐yield efficiency over the entire 

lifetime of the future solar system. That will result in a large practical impact of the work in this 

thesis. 

In this thesis, the student would have a unique opportunity to conduct both experimental and 

analytical studies. This thesis involves a large amount of hands‐on practical engineering work with 

the hardware installations and the complex measurement equipment like thermal sensors, ultrasonic 

anemometer, pyranometers, sky imagers etc.   

 

   

Page 61: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Thesis Title:  Deep‐cryogenic control voltage generator for quantum dot spin qubits 

Promotor:  Marc Heyns 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision:  Steven Van Winckel 

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry  x 

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology   

 

Description:  

Design a ultra‐low power cryogenic CMOS controller for imec’s spin qubits. 

Quantum computation is currently gaining a lot of attention in the active research field. By using the 

quantum principles of superposition and entanglement an exponential speed‐up of certain 

computation task can be obtained. At the core of each quantum computer lies the qubit; the 

quantum equivalent of the classical bit. Different physical forms for implementing qubits are studied 

by research groups around the world. At , the quantum dot spin qubits are, amongst other physical 

forms, investigated. In quantum dot based qubits, charge is electrically confined in a nanometer scale 

area. The spin of the electron(s) trapped in the dot is used for "storing" the quantum state of the 

qubit. To avoid the disturbance of the  state by of thermal effects, the qubit needs to be kept at 

deep‐cryogenic temperatures in the  range. To reach these low temperatures, special dilution 

refrigerators are used.  The available cooling power of these refrigerators is limited to around 100 

µW. Therefore barely no active power consumption can be tolerated inside the refrigerator. 

The confinement of the charge in the quantum dot is achieved by using control gates. Each qubit 

typically has multiple gates biased at specific voltage levels. These voltages are currently generated 

by lab instruments and are routed through cables to the qubit chip resting at the inside of dilution 

refrigerator.  For a full quantum computer, which is expected to need thousands to millions of qubits, 

there would be just too much cabling when this approach is maintained. For this reason, there is 

research interest to bring all bias voltage circuitry to the inside of refrigerator onto a CMOS chip 

resting next to the qubit chip. 

The goal of this thesis/internship is to design a low power bias voltage generator operating at  

temperatures for simultaneously controlling multiple of  spin quantum dot qubits.  

 

   

Page 62: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Thesis Title:  Hardware design Binary Neural network 

Promotor: Chris Van Hoof 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision:  Dwaipayan Biswas 

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry   

Nanoelectronic design  x 

Nanodevices and nanophysics   

Bionanotechnology   

 

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 sensor platform. 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 its form 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 popular deep learning algorithms, 

providing a powerful medium to solve critical problems and has its advantages over traditional 

feature‐based machine learning approaches. We use a binary CNN‐LSTM based approach to estimate 

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 network operation 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 using Verilog/VHDL/System Verilog HDL.  

 

   

Page 63: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Thesis Title:  Prediction of Acute Cardiovascular disease events 

Promotor: Chris Van Hoof 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision:  Dwaipayan Biswas  

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry   

Nanoelectronic design  x 

Nanodevices and nanophysics   

Bionanotechnology  x 

 

Description:  

Prediction of Sudden cardiac death/arrhythmia from ambulant ECG data 

Early diagnosis or prediction of ventricular arrhythmia (VA) may allow clinicians enough time to 

intervene for stopping its escalation causing Sudden Cardiac Death (SCD) and thus is an active 

research area in the field of cardiovascular disease (CVD) research. Over the decades the main 

emphasis has been put on studying the Heart Rate Variability (HRV) as a possible marker for the early 

diagnosis of VA. Recently it was found that HRV increases two hours before the onset of arrhythmia. 

Also, the beat‐to‐beat oscillations of T‐wave amplitudes increase before the onset of VA. Despite 

these findings it is difficult to derive a temporal relationship of these markers unequivocally to the 

onset of VA. We aim to explore a prediction algorithm for the onset of VA through statistical analysis 

of wearable ECG data. The candidate is expected to perform a detailed literature review, work on 

widely available public databases and develop a low‐complexity algorithm that can be mapped on a 

resource constrained embedded platform. Developing a statistical index or a rule, may help 

stratifying short‐term risk of arrhythmia along with other prevalent clinical markers. 

 

 

   

Page 64: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Thesis Title:  Mechanical stress in integrated circuits and it's assessment using integrated sensors. 

Promotor: Ingrid De Wolf 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision:  Vladimir Cherman 

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry  x 

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology   

 

Description:  

Develop methodology for assessment of the mechanical stress induced in ICs by the packaging and assembly processes. 

Mechanical stress in integrated circuits and it's assessment using integrated sensors. 

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: 

1.    Analysis and systematization of large amounts of experimental data, 

2.    Development of formal mathematical algorithms for conversion of experimental electrical data 

into the components of mechanical stress, 

3.    Assessment of systematic and random noise based on the additional experiments and data 

analysis, 

4.    Sensitivity analysis of the developed (in item 2) algorithms based on the data obtained in item 3, 

5.     Development and implementation of a user‐friendly GUI interface based on the algorithms 

developed in items 1‐4. 

  

Page 65: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

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: 

1.    Strong background in mathematics, physics or engineering, 

2.    Programing skills, 

3.    Basic knowledge of theory of piezoresistivity, material science (stress‐strain relationship) and 

knowledge of electrical measurements and instrumentation are not strictly required but preferred. 

 

Development the methodology for analyzing the response of electrical stress sensors integrated in IC 

packages for accurate evaluation of mechanical stresses through solutions of linear equations and 

sensitivity analysis 

 

 

   

Page 66: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Thesis Title:  Microfluidic in‐flow electroporation for personalized cell therapy 

Promotor:  Liesbet Lagae, Pol Van Dorpe 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision:  Bastien Duckert, Koen de Wijs 

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry   

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology  x 

 

Description:  

Cell therapeutics promise to completely transform the treatment of a wide range of diseases such as 

cancer, neurodegenerative disorders and autoimmune disorders by enabling sophisticated modes of 

action. This promise comes with challenges in the reproducible manufacturing of cells that are to be 

administered to thousands of patients. Electroporation‐based cell transfection is an appealing 

technology to achieve high transfection efficiencies for non‐viral genetic modification of cells [1]. In 

decentralized manufacturing with patient‐specific cell material, however, both transfection efficiency 

and cell viability need to be extremely high as the cell source is very limited. Chip‐based solutions 

implementing microscale electroporation might offer the throughput and yield needed for 

personalized cell therapies due to high and controllable electric field in microfluidic structures.  This 

master thesis will explore in‐flow single cell electroporation with integrated electrodes in microfluidic 

channels. After literature study, the project will start with building the analytical equivalent circuit 

model for cells in physiological medium based on prior knowledge at imec. Afterward, a coupled 

electrical and fluidic dynamics model will be developed to study the spatial and temporal electric 

field characteristics. With this model we would like to understand the dependency of cell 

electroporation (e.g. pore size, density) on a number of parameters such as materials, electric field 

strength/frequency, fluid configuration and flow settings. Once the model is verified (e.g. by 

literature data), we would like to develop optimal device design as well as operation settings for high 

speed, controllable electroporation. Depending on the device structure of the optimal design, 

microfluidic electroporation devices can be fabricated and tested.  This thesis will consist of 10% 

literature study, 40‐60% modelling, 20%‐40% experimentation and 10% reporting/writing. [1] Aijaz et 

al Nat. Biomed. Eng., 2018 

 

   

Page 67: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Thesis Title:  Screen‐printing metallization for large‐area heterojunction solar cells 

Promotor: Jef Poortmans 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision:  Jorne Carolus 

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry  x 

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology   

 

Description:  

Optimize the metallization on tomorrows heterojunction solar cells 

Crystalline silicon solar cells are the driver of the photovoltaic industry, having a market share of 

about 85% of the world energy production of solar cells. This success is the result of a low levelized 

cost of electricity (LCOE) for crystalline silicon, which is mainly attributed to: i) long lifetimes, ii) low 

PV module production costs, and iii) high efficiencies. Heterojunction solar cells are ideal candidates 

to even further lower the LCOE, where particular appeal lies in higher degrees of efficiency at a lower 

production cost. One of the focus points within imec’s solar research is to develop and implement 

new process steps for heterojunction solar cells. Such new process developments have already been 

demonstrated on small‐scale heterojunction solar cells (2x2 cm2 and 5x5 cm2). Yet, the upscaling for 

such new process steps towards full size 6 inch solar cells is to be executed in a next research phase.  

The focus of this master’s thesis will be the upscaling of the metallization process towards 6 inch 

heterojunction solar cells, which is mostly done by screen printing. The student will start with a 

profound literature research to better understand metallization mechanisms for (heterojunction) 

solar cells. Next, with the solar cell materials, architecture and performance in mind, the student will 

propose and model different grid layouts and optimize them towards lower cost (minimal Ag 

consumption) and higher performance (minimal resistive losses). Once the optimal layouts are 

indicated, the student will effectively screen print his/her design in the lab and characterize them to 

validate and adjust the model accordingly. The project will initially get started at imo‐imomec, 

Diepenbeek (a Hasselt University lab affiliated with imec). As from Q1 2021, the experiments and 

equipment will be moved to EnergyVille, Genk. The student(s) will have to travel to imec Leuven 

sporadically for training, sample preparation, etc. 

 

   

Page 68: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Thesis Title:  Exploring novel substrates for integrated microscale DNA capture on chip 

Promotor: Liesbet Lagae 

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision:  Ben Jones 

Type of work:  

Number of students:  

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry  x 

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics  x 

Bionanotechnology  x 

 

Description:  

Improve medical diagnostics via enhanced scientific understanding of solid phase DNA extraction devices 

Point‐of‐care nucleic acid‐based testing offers enormous potential for clinical diagnostics, enabling 

numerous applications such as accurate detection of infectious disease and prediction of individual 

drug response. Key factors to success include short time‐to‐result and ease of use. Crucially, this 

implies the integration of sample preparation and analysis in a single device. Over the past decade, 

significant progress has been made in miniaturizing nucleic acid analysis, e.g. using microchips for 

carrying out quantitative polymerase chain reaction (qPCR). However, advances in on‐chip sample 

preparation have severely lagged behind. One of the main reasons for this discrepancy is the low 

success rate of transferring standard benchtop protocols to microchips, which typically do not allow 

large reagent volumes and common sample processing steps such as turbulent mixing and 

centrifugation. Consequently, efficient on‐chip sample preparation requires the development of 

novel, chip‐specific methodologies.  One area in need of improved understanding is the binding and 

release of DNA from the silica surfaces typically used in lab‐on‐a‐chip systems. In this internship, we 

will explore the potential of solid phase extraction (SPE) methods to achieve optimal binding and 

release by modulating charge‐based interactions between nucleic acids and chip substrate. The 

student will first build DNA‐solid surface interaction model, based on reaction rate kinetics, coupled 

with a hydrodynamic model of the DNA mass transport to the solid surfaces for SPE in channels of 

silicon microfluidic devices. The model will be verified by flushing solutions spiked with DNA markers 

of known concentration at fixed flow rates through the microfluidic channels. The concentration of 

DNA in the solution before and after flushing and after elution will be measured using qPCR or other 

techniques to ascertain the amount bound to the silicon microfluidic device.  The impact of 

important variables such as flow velocity on the nucleic acid binding will be explored. Once the 

model is developed and validated, nucleic acid binding on structures such as micropillar arrays will be 

investigated.  Optimizing the pillar geometry (pillar diameter, pitch, and height) to maximize the 

binding efficiency and minimize pressure drop is of prime interest.  During the internship, it is 

Page 69: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

anticipated that the student will spend approximately 10% of their time on literature review, 60% on 

analytical and numerical modeling using computational fluid dynamics software such as ANSYS 

Fluent, and 30% on experimental investigation. 

 

 

 

Page 70: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

Master Nanoscience and Nanotechnology

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

Promotor: Prof. A. Vantomme, Dr. C. Fleischmann

Faculty/Research Group: Physics/ Quantum Solid State Physics

Daily Supervision: Tsung-Wei Chou

Type of work: 70% Experimental + 30% Theoretical

Number of students: 1

Specialisation Option

Nano materials and nanochemistry

Nano-electronic design

Nano devices and nanophysics x

Bio-nanotechnology

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 71: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

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. This project offers the possibility

of an Erasmus exchange (details to be discussed).

Page 72: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

Master Nanoscience and Nanotechnology

Thesis Title: Functional 2D material inks via covalent modification of graphene and MoS2

Promotor: Steven De Feyter, Rob Ameloot

Faculty/Research Group: Nano(bio)chemistry on surfaces (www.defeytergroup.org); Manipulating Porous Matter (www.amelootgroup.org)

Daily Supervision: Kunal Mali

Type of work: experimental

Number of students: 1

Specialisation Option Nano materials and nanochemistry x Nano-electronic design Nano devices and nanophysics x Bio-nanotechnology

Description:

Graphene and related two-dimensional (2D) materials are an intensively studied class of materials due to their exceptional electronic, optical, mechanical and thermal properties that outperform those of most of the existing materials. One of the promising applications of such materials is in the area of flexible and printable (opto)electronics. The first and the critical stage towards such application is the dispersion of the 2D materials in appropriate solvents in appreciable quantities. Current methods use liquid phase exfoliation of 2D materials in high-boiling, toxic organic solvents such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) or dimethylformamide (DMF) which are not desirable in view of sustainability issues. Moreover, the concentration of the 2D materials in such solvents is rather low. Last but not the least, in order to develop a reliable and inexpensive printing/coating process it is necessary to formulate these 2D materials in the form of functional inks with favorable rheological and morphological properties.

In this master thesis project, you will explore dispersion of two most intensively studied 2D materials, namely graphene and MoS2, in low boiling, non-toxic solvents via their covalent modification using mild wet chemistry protocols. The covalently modified material will be thoroughly characterized using UV-Vis absorption spectroscopy, Raman spectroscopy, scanning probe microscopy namely atomic force, and scanning tunneling microscopy (AFM and STM) and thermogravimetric analysis (TGA). The dispersions will be further optimized for their use in inkjet printing as functional 2D inks. An important aspect of this project will be to evaluate if the covalently modified 2D material can be reverted back to its pristine state by thermal annealing to recover its exceptional properties. Lastly, you will also attempt to construct hybrid heterostructured films based on graphene and MoS2.

Page 73: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

Master Nanoscience and Nanotechnology

Page 74: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

Master Nanoscience and Nanotechnology

Thesis Title: Self-assembled molecular networks as templates for on-surface growth of metal-organic frameworks (MOFs) using atomic layer deposition (ALD)

Promotor: Steven De Feyter, Rob Ameloot

Faculty/Research Group: Nano(bio)chemistry on surfaces (www.defeytergroup.org) ; Manipulating Porous Matter (www.amelootgroup.org)

Daily Supervision: Kunal Mali and other postdoc / PhD student

Type of work: experimental

Number of students: 1

Specialisation Option Nano materials and nanochemistry x Nano-electronic design Nano devices and nanophysics x Bio-nanotechnology

Description:

Metal-organic frameworks (MOFs) are a rapidly growing class of microporous crystalline coordination polymers that consist of metal-containing nodes connected by multitopic organic linkers. Because of their unique properties, including ultrahigh specific surface areas and a functionalizable pore interior, these materials have the potential to enable disruptive technologies in application areas such as catalysis, gas storage and molecular separations. In addition to these application areas, where MOF powders are rapidly approaching commercial viability via established bulk synthesis methods, there is tremendous potential for integrating MOFs into microelectronics, for example, as active sensor coatings, low-k dielectrics and tunable conductors. A key enabling step in leveraging the properties of MOFs in microelectronics will be the development of robust thin film deposition methods.

In this project we will explore a novel method to deposit MOFs and MOF-like materials in a scalable fashion by combining two nanofabrication tools: self-assembly of molecules as ordered monolayers and atomic layer deposition (ALD). Noncovalent self-assembled organic monolayers can achieve wafer-scale functionalization of substrate, with low-defect-density domains that span hundreds of nanometers. The resulting molecular-level structure of these self-assembled monolayers is guided by hydrogen bonding between molecular functional groups and noncovalent interactions with the underlying layer. ALD is a commercially implemented nanofabrication technique that is used in the semiconductor industry to deposit thin films of inorganic materials (thickness resolution: better than 1 Angstrom). You will explore the deposition of hydrogen-bonded networks, their characterization through scanning probe microscopy and modification through ALD (cleanroom Leuven Nanocentre).

Page 75: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

Master Nanoscience and Nanotechnology

Scanning tunneling microscopy images (top) and models (bottom) of ordered monolayers of a molecule self-assembled on graphite. These molecular networks could be used as templates for atomic layer deposition.

Page 76: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

Master Nanoscience and Nanotechnology

Thesis Title: Determine the electric field distribution around a nano-scale field emitter: The case of atom probe microscopy

Promotor: Prof. A. Vantomme, Dr. C. Fleischmann

Faculty/Research Group: Physics/ Quantum Solid State Physics

Daily Supervision: Jonathan op de Beeck

Type of work: 70% Experimental + 30% Theoretical

Number of students: 1

Specialisation Option

Nano materials and nanochemistry

Nano-electronic design

Nano devices and nanophysics x

Bio-nanotechnology

Description:

Measuring the morphology of a very sharp, high-aspect ratio object using another

sharp object is a very challenging task that was recently1 overcome at imec (right

figure). Today, we use this novel method to study for example the endpoint

morphology of nanometer-scaled field emitters. Such knowledge is of high

relevance in atom probe microscopy, in which the morphology of the emitter, i.e.

the atom probe needle, dictates the ion optical properties of the system2. As these are directly linked

to the spatial resolution and accuracy of the technique, it is of upmost importance to arrive at their

profound understanding and description.

Atom probe microscopy creates a 3-dimensional atomic map

allowing for elemental identification and quantification at the

nanoscale (left figure). The basic principle relies on the field

ionization and evaporation of surface atoms, for which an electric

field strength of several tens of volt per nanometer is typically

required. This is achieved experimentally by preparing the sample

into a very sharp needle (left figure) with an endpoint radius

around 50 nm and by applying a high standing voltage (~10 kV).

Controlled atom-by-atom evaporation is triggered by a laser (or

voltage) pulse. Relying on this trigger signal, we can measure the flight time of the ions towards the

detector, based on which we can identify them. The 3-dimensional atomic map is built atom-by-atom

by reverse-projecting the ions from their detector impact position onto the emitter surface which is

assumed to be hemispherical.

Despite in the actual process of field emission, the electric field surrounding the atom probe needle

(i.e. the field emitter) is key in defining the ion optical properties of the system. The electric field

lines determine the ions’ flight path, i.e. their trajectories towards the detector. For a smooth,

Page 77: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

Master Nanoscience and Nanotechnology

hemispherical emitter endpoint all ions “fly off” radially from the emitter surface towards the

detector, resulting in a uniform magnification (x106). In reality, however, this is rarely the case. In

fact, the emitter is a sphere on a cone rather than a sphere, which causes compression of the ion

trajectories. More importantly, the presence of different elements in the emitter2 and/or its one-

sided laser illumination (one-sided light absorption) cause an emitter endpoint that must be

described by a complex curvature function rather than a hemisphere with fixed radius. Such a

complex curvature likewise leads to (strong) deviations of the ion trajectories from their ideal radial

distribution. This reflects in (de)focusing of the ion trajectories and non-uniform magnification.

In this project, you shall unravel this intimate link between the emitter properties, it’s morphology,

the resulting electric field distribution and ion trajectories, and eventually the ion optical properties

of the system. Using scanning probe microscopy1 you will have vast access to the endpoint

morphology of various atom probe needles (e.g. homogeneous, heterogeneous, laser illuminated)

that have undergone field emission. First goal is to arrive at a quantitative and unique description of

the 3-dimensional morphology (e.g. Gaussian curvature) and to study how this is affected by the

resolution of the morphology measurement itself. The latter can be tuned by using different probe

geometries with which the endpoint morphology is measured.

Following this, the description of the endpoint morphology shall be used to arrive at the electric field

distribution, and eventually the electric field lines, through simulations. Whenever possible, this must

be compared to experimental observations. For example, an indirect, semi-quantitative method to

determine the magnitude of the electric field is to measure the abundancy of doubly versus singly

charged ions detected1.

Finally, you can explore routes with us to directly measure the 3-dimensional

electric field distribution around the atom probe needle using for example a

derivative of our method that allows us to measure electrostatic forces (right

figure).

As a master student, you will become a full member of the Quantum Solid State Physics group. You

will perform experimental work in the lab, simulation and data analysis, interpret the results and

participate in group discussions. The APT characterization will be performed in the KU Leuven

NanoCentre (see figure). This project offers the possibility of an Erasmus exchange (details to be

discussed).

[1] C. Fleischmann et al., Ultramicroscopy 194, 221, 2018. [2] D. Melkonyan et al., Ultramicroscopy 179, 100, 2017.

Page 78: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Radiative cooling of highly excited clusters in the gas phase 

Promotor: Prof. Peter Lievens  / Copromotor: Dr. Piero Ferrari 

Faculty/Research Group: Faculty of Science / Quantum Solid State Physics 

Daily Supervision: Dr. Piero Ferrari 

Type of work: experimental 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry   

Nanoelectronice design   

Nanodevices and nanophysics  X 

Bionanotechnology   

 

Description:  

In outer space, small molecules, composing the interstellar medium, can be excited by UV radiation 

coming from nearby stars. The de‐excitation mechanism of these molecules is essential in predicting 

the formation of planets and stars; once cold, the interstellar medium can condense due to gravity.1 

For  decades  fragmentation  and  electron  emission  were  assumed  to  be  the  main  de‐excitation 

mechanisms of these small and isolated molecules. However, in recent years radiative cooling, i.e. the 

emission of photons either via vibrational cooling (VC) or recurrent fluorescence (RF), was found to be 

a  competing  de‐excitation mechanism  (Figure  1a).2 Nowadays  it  is  known  that,  irrespective  of  the 

composing material and the charge state, excited isolated clusters can radiate at very high rates, as 

shown for instance for small anionic carbon clusters CN‐ (Figure 1b),3 or positively charged few‐atom 

metal  clusters  AuN+  (Figure  1c).2  The  actual  mechanism  underlying  photon  emission,  and  how 

molecular geometry and electronic  structure determine  the photoemission  rate, however,  remains 

unclear.  Radiative  cooling  has  consequences  for  nanoparticle  production,  since  an  active  radiative 

cooling channel will favour special sizes in non‐equilibrium formation processes. 

In this thesis project you will measure the rates of photon emission of highly‐excited small positively 

charged carbon and doped gold clusters. The experiments will be conducted in the gas‐phase, meaning 

that  clusters  are  produced  and  studied  while  flying  in  a  high  vacuum  tube,  thus  resembling  the 

conditions encountered in outer space. Even though the main part of this project is experimental, ab 

initio calculations can be performed to assist interpretation of the results. In particular, the challenge 

will  be  to  understand  the  interplay  between  composition,  geometry  and  electronic  structure, 

determining  the emission of  radiation. As a master student, you will be a member of our research 

group.  You will  perform experimental work  in  the  lab,  analyze  the data,  perform  simulations,  and 

discuss and interpret the results with group members. 

 

Page 79: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

1.  M. Gong et al., Astrophys. J 834, 38 (2017). 

2.  P. Ferrari et al., Int. Rev. Phys. Chem. 38, 405 (2019). 

3.  Y. Ebara et al., Phys. Rev. Lett. 117, 133004 (2016). 

4.  K. Hansen et al. Phys. Rev. A 96, 022511 (2017). 

 

 

 

Fig. 1. (a) Diagram of the photon emission processes which can follow to the excitation of a small and 

isolated molecule.2 (b) Direct detection of photons emitted by excited C6‐ clusters.3 (c) Rates of photo‐

emission of excited metal clusters.2

Page 80: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Magnetism and structure of doped silver clusters 

Promotor: Prof. Ewald Janssens 

Faculty/Research Group: Faculty of Science / Quantum Solid State Physics 

Daily Supervision: Kobe De Knijf 

Type of work: experimental 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry   

Nanoelectronice design   

Nanodevices and nanophysics  X 

Bionanotechnology 

 

Description:  

This project offers the opportunity to investigate the magnetic properties and structures of terbium 

doped  Ag  clusters.  Atomic  clusters  are  particles  constituting  of  just  a  few  atoms  displaying  very 

uncommon properties that are radically different from both single atoms and bulk materials. 

You  will  conduct  Stern‐Gerlach  magnetic  deflection  experiments  in  our  lab  at  KU  Leuven.  These 

experiments involve working with different lasers, required for both cluster formation and ionisation. 

The clusters are analysed by Time‐Of‐Flight Mass Spectroscopy (TOF‐MS) that combines atomic mass 

resolution with direct spatial resolution [1]. 

  Figure: 

Top‐left: Schematic overview of the original Stern‐Gerlach deflection experiment on silver atoms. Top‐right: size 

and  temperature  dependence  of  the  magnetic  moment  per  atom  of  pure  terbium  clusters  [3].  Bottom  left: 

magnetic  deflection  setup  at  the  KU  Leuven  [1].  Bottom  right:  magnetic  deflection  profile  of  Tb12  clusters 

measured at Georgia Tech, Atlanta [3]. 

Page 81: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

While single‐atom magnetism and bulk magnetism are nowadays well understood, traditional models 

can only partly describe the magnetism of few atom systems. The large fraction of surface atoms and 

the discrete nature of their energy level spectrum causes the magnetic moment to vary strongly as a 

function of the cluster size and composition [2,3].  In this project, terbium doped silver clusters are 

studied to  learn more about the  interaction of the  local magnetic moment on the  lanthanide atom 

with the non‐magnetic silver host and this as a function of the number of electrons in the cluster. 

Besides obtaining better understanding of magnetic  interactions,  this project gives you a chance to 

gain experience in modern advanced gas‐phase experimental techniques: you will learn how to work 

with an ultra‐high vacuum setup and how to carefully synchronize the different parts of the setup to 

manipulate the trajectory of a cluster beam. See quantum mechanics happen right under your nose… 

 

[1] J. van der Tol, PhD thesis, KU Leuven (2019) 

[2] E. Janssens et al., Phys. Rev. Lett. 94 (2005) 113401 

[3] L. Peters et al., Sci. Reports, 6 (2015) 19676 

 

Page 82: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Optimizing silicon carbide single photon sources for implementation of qubits. 

Promotors: André Vantomme and Lino M.C. Pereira 

Faculty/Research Group: Science, Quantum Solid State Physics 

Daily Supervision: Malven Tunhuma 

Type of work: Experimental 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nano materials and nanochemistry  x 

Nano‐electronic design   

Nano devices and nanophysics  x 

Bio‐nanotechnology 

 

Description:  

Silicon carbide has been shown to harbor intrinsic lattice defects that can be adopted to implement solid state qubits at room temperature. This discovery has advanced a useful platform in the fields of quantum computing, metrology and cryptography. Qubit states are realized by spin manipulation of single photons using magnetic resonance techniques. The technology  is set to surpass other similar quantum systems as  it  is being developed on already existing standard  industrial device fabrication protocols. In order to fully implement quantum applications, efficient and high quality single‐photon sources are essential. This project deals with optimizing the optical readout of silicon carbide photon sources.   

    Figure 1: (Left) Representation of silicon vacancies in silicon carbide (VSi) (Center) confocal map of silicon carbide surface showing single photon sources (Right) Bloch sphere representation of the superposition of qubit states.   Single photon sources (SPS) in silicon carbide, mimic orthonormal bases in Hilbert space which can be optically  initiated manipulated  and  readout.  These  systems  in  isolation  can be  represented by  the Bloch sphere as a qubit, whose readout is a superposition of two quantum states. Several techniques such  as  particle  irradiation,  ion  implantation,  thermal  annealing  and  surface  treatment  have  been utilized to induce and isolate intrinsic defects for implementation of SPSs. However, the fundamental physics  behind  the  optimum  performance  of  these  photon  sources  remains  a  subject  of  intense speculation. A detailed comparison of the efficiencies and weaknesses of the methods used to induce these defects does not exist. Further, other techniques such as high temperature implantation remain uninvestigated.  

Page 83: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

In  this  project,  you will  systematically  induce  intrinsic  defects  in  silicon  carbide  and  isolate  them. Thereafter,  you will  initialize  the qubits  using high  intensity  laser beams  to produce  single photon sources. The objective is to achieve polarized, bright and photostable SPSs. Characterization of the photon sources will be done using confocal microscopy, photoluminescence spectroscopy and the spin states  of  the  qubits  will  be  manipulated  using  magnetic  resonance  techniques.  You  will  perform experimental work in the laboratory, analyze the data, interpret results and participate in meetings and discussions. 

Page 84: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

Master Nanoscience and Nanotechnology

Thesis Title: Growth of two-dimensional materials based on ion implantation

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

Faculty/Research Group: Faculty of Science, Quantum Solid State Physics section

Daily Supervision: Dr. Harsh Bana

Type of work: Experimental

Number of students: 1

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 85: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

Master Nanoscience and Nanotechnology

Thesis Title: Nanobubbles and pseudomagnetic fields in graphene

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

Faculty/Research Group: Faculty of Science, Quantum Solid State Physics section

Daily Supervision: Dr. Renan Villarreal

Type of work: Experimental

Number of students: 1

Specialisation Option

Nanomaterials and nanochemistry x

Nanoelectronic design

Nanodevices and nanophysics x

Bionanotechnology

Description:

Strained nanobubbles can be used to engineer the electronic structure of graphene through the creation of a pseudomagnetic field (PMF). While various approaches have been explored so far (e.g. via strain imposed by a selected substrate or mechanical actuators), they provide limited controllability, especially on a large-wafer scale. He are developing a method for controlled formation of noble gas (He, Ne, Ar) nanobubbles in graphene (on various substrates) using ultra-low energy (ULE) ion implantation. ULE ion implantation allows us to precisely tune the number of implanted ions and their kinetic energy, which in turn controls the bubble formation efficiency and bubble density. We use a wide range of characterization techniques (structural and electronic), including scanning tunneling microscopy and spectroscopy (STM/STS), synchrotron-based X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), Raman spectroscopy, among others. These experimental studies are complemented by density functional theory (DFT) and molecular dynamics (MD) calculations, which give insight into the bubble formation and stability mechanisms, and how they depend on gas species (e.g. He, Ne, Ar) and substrate (e.g. Cu and

Pt). Your thesis work will be embedded in this extensive research program. In particular, you will carry out scanning tunneling microscopy and spectroscopy (STM/STS) experiments in ultra-high vacuum (UHV), to study: (i) the formation and properties of graphene nanobubbles of different noble gases; (ii) how they depend on substrate and on implantation and thermal annealing parameters; (iii) the PMF generated by the strain field.

Helium nanobubble (radius ~ 2 nm) in

graphene/Cu(111).

Page 86: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: MEMS Resonators with Freeform Beams 

Promotor: Michael Kraft 

Faculty/Research Group: Micas/ESAT 

Daily Supervision: Chen Wang 

Type of work: Theory, Simulation, Layout drawing 

Number of students: 1‐2 

Specialisation Option   x 

Nano materials and nanochemistry  x 

Nano‐electronic design  x 

Nano devices and nanophysics  x 

Bio‐nanotechnology  x

 

Description:  

Micro-Electro-Mechanical System (MEMS) devices have become a big commercial success in the last decades. Recently, this trend has been fueled by the Internet of Things which forecasts an exponential growth for MEMS sensors. To make this vision become reality, it is required to evolve and improve current MEMS sensors further by optimizing their designs. However, a current challenge for MEMS is designing devices with complex compliant geometries.

To address this issue, we found inspiration in nature. Multiple stimuli simultaneously acting upon systems force animals and plants to adapt and achieve the strongest and lowest-in-energy solutions that are functional. This is part of the natural selection, shaping the genetic code of life. The end results are nearly always systems with curvilinear shapes, wide were strength is needed and slim where possible. Some examples are the aerodynamic shape of a dolphin, animals with big feet and/or long tails, the shape of an adult tree or the curling behavior of plants.

We have developed a novel, universal MEMS design and optimization platform for multi-physics domains featuring freeform geometry optimization. In this platform, a nature-inspired or ‘Genetic’ algorithm (GA) optimizes a parametrized system model spanning several physical domains. With the platform, many novel MEMS devices can be designed with shapes unseen before. In this master thesis, work will include a theoretical study of conventional MEMS resonators, simulation and optimization of the resonators with freeform beams to achieve better performance. Fabrication of the new design will be carried out by other colleagues in the KU Leuven Nanocenter Cleanroom. Some preliminary prototype testing is also envisaged.

 

Fig. 1 Example in nature where multiple ‘forces’ select the shape and genetic code of living systems to be the best adapted to their needs.

 

Fig. 2 Designing freeform geometries in a MEMA through GA based mechanical optimization methodology

Page 87: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: CO2 reduction on sub‐nanometer clusters 

Promoter: Prof. Ewald Janssens  / Copromoter: Dr. Didier Grandjean 

Faculty/Research Group: Faculty of Science / Quantum Solid State Physics 

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) has the potential to become an important renewable fuel. It is the core of a circular 

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

methanol‐based economy, CO2 is captured from the atmosphere and/or coal‐ or gas‐burning power 

plants  and  renewable  energy  is  used  to  produce  hydrogen  from  water  splitting.  Subsequently, 

methanol is formed by the hydrogenation of CO2:  

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

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

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

Currently, methanol is produced on an industrial 

scale from syngas, a mixture of CO, CO2 and H2 

at  50–100  bar  and  250  ◦C–300  ◦C,  using  a 

catalyst  consisting  of  copper  and  zinc  oxide 

nanoparticles.  The  elevated  pressure  and 

temperature,  make  methanol  formation  an 

expensive process. A more performant catalyst 

could  lower  this  cost,  but  unfortunately,  the 

active sites of the current complex catalyst and 

the  reaction  mechanism  are  not  well 

understood.  As  a  result,  it  is  unclear  how  the 

process can be  improved. Recently,  clusters of 

few  atoms  have  attracted  attention  as  model 

catalyst systems that allow the study of the active 

sites in the chemical reaction in a more controlled 

way. 

Figure 1: Schematic representation of the 

methanol economy 

Page 88: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

In this thesis work, the adsorption of CO2 and H2 on atomically precise sub‐nanometer Cun and Con 

cluster‐based catalyst will be investigated. In this way, the active sites and reaction mechanisms may 

be  elucidated.  These  clusters will  be  produced  by magnetron  sputtering  and  soft‐landed  on  silica 

substrates and graphene field effect transistors (GFETs). The clusters deposited on silica samples will 

be investigated by Temperature Programmed Desorption (TPD), upon exposure 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 will  be  estimated.  This  technique will  allow modelling  the  ‘thermocatalytic’ 

conversion of CO2  to methanol.  The clusters deposited on GFETs will be  studied by measuring  the 

change in graphene resistivity as a function of applied electrical potential. This will provide valuable 

information on the charge transfer between the clusters and the adsorbed H2 and CO2 molecules. This 

technique will allow modelling the ‘electrocatalytic’ conversion of CO2 to methanol. 

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

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

and discuss and interpret the results with the assistance of other group members. 

 

 

 

Page 89: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Pd Hydride and Carbide Formation Monitored by Real‐Time Plasmonic Nano‐Spectroscopy 

Promotor: Maarten Roeffaers 

Faculty/Research Group: cMACS 

Daily Supervision: Matthias Filez 

Type of work: Experimental, catalyst characterization 

Number of students: 1 

Specialisation Option  

Nanomaterials and nanochemistry X

Nanoelectronic design 

Nanodevices and nanophysics 

Bionanotechnology 

Description:  

Pd nanoparticles (NPs) are key enablers in various technologies, ranging from hydrogenation catalysts 

to H2 gas sensors. Pd NPs reflect light owing to their plasmonic properties, causing them to blink‐up in 

a color related to the ‘plasmonic peak’ energy in their scattering spectrum. Importantly, the plasmonic 

peak energy depends on the Pd NP size and shifts upon PdHx hydride and PdCy carbide formation. A 

peak  shift  causes  a  color‐change,  making  Pd  NPs  nanosized  optical  reporters  of  their  state  and 

environment. 

Particularly,  Pd  NPs  can  be  used  as  optical  H2  gas  detectors,  a  gas  known  as  highly‐explosive  in 

presence of O2. By PdHx formation in H2, a shift of the plasmonic peak occurs, which can be read out 

safely via a spatially‐separated optical readout away from the (dangerous) sensing area. In addition, 

plasmonic  shifts  can  take  place  upon  PdHx  and  PdCy  formation  during  selective  catalytic 

hydrogenation, by dissolution of H‐ and C‐species in the Pd lattice. Such optical shifts allow to locally 

probe the Pd nanocatalyst state during reactions at the single nanoparticle level, an approach not yet 

explored. 

Several questions of interest for these applications remain unanswered. First, for H2 sensors, the Pd 

NP size seems to influence (1) the sensor’s sensitivity, i.e. the minimal H2 pressure at which PdHx forms, 

and  (2)  the  rate  of  PdHx  formation  in  H2  and  back‐conversion  into  Pd  upon H2  evacuation, where 

hysteresis is often observed. To unravel this size‐hydride relation, the Pd/PdHx state should be probed 

at the single NP  level upon H2 dosing across a sample with a variety of Pd NP sizes. Second, for Pd 

hydrogenation  catalysts,  the  nature  of  Pd,  PdHx  and  PdCy  phases  during  reaction  are  not  fully 

elucidated  under  different  reaction  conditions,  and  their  role  on  the  catalyst  performance  ill‐

understood. In addition, their behavior is likely NP size dependent, thus requiring their interrogation 

at the single NP level.  

To answer these questions, the following steps will be undertaken in this thesis work: 

Page 90: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

1. Establish an ex‐situ link between the Pd NP size (AFM/SEM) and its color (plasmonic 

microscopy). 

2. Construct in‐situ relationships between H2 pressure and the (1) onset and (2) extent of PdHx 

formation, and the (3) reconversion into Pd; this for different NP sizes via plasmonic 

microscopy. 

3. Study the Pd NP phase changes into PdHx/PdCy during operando ethylene hydrogenation for 

different C2H4/H2 ratios at 80 ⁰C. Construct phase‐performance relationships for different Pd 

NP size regimes. This will be done by operando plasmonic microscopy at the single Pd NP 

level. 

 

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

[email protected] 

Page 91: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

Master Nanoscience and Nanotechnology

Thesis Title: New functional carbon based materials

Promotor: Steven De Feyter

Faculty/Research Group: Nano(bio)chemistry on surfaces (www.defeytergroup.org)

Daily Supervision: Kunal Mali (and/or other PhD student / postdoc)

Type of work: experimental

Number of students: 1

Specialisation Option Nano materials and nanochemistry x Nano-electronic design Nano devices and nanophysics x Bio-nanotechnology

Carbon-based materials form the backbone of many industrial applications such as chemical purification, separation technology and, gas adsorption and storage. The applicability of most of these materials, which are composed of two-dimensional (2D) sheets of sp2 hybridized carbon called graphene, is a result of their porosity and high surface area. A large variety of these come from natural sources and/or are produced in such a way that their chemical identity and composition is often not unique. Though such relatively ill-defined materials are already in use for many decades, there is need to develop a knowledge-intensive approach for functional carbonaceous materials that possess unique chemical identity and composition which could be tailor-made for specific applications. Robustly tailoring 2D carbon surfaces could lead to increased efficiency of catalytic, separations, and gas adsorption platforms.

This master thesis project aims to build a fundamental knowledge base for fabrication of covalently modified carbon surfaces with specific chemical identity and composition.

Apart from simply controlling the density of the functional groups, you will target precise control over their nanometer scale spatial arrangement on the surface. Such nanostructured covalent modification is expected to impart novel functional properties to the material.

To realize these objectives, you will target the spontaneous or electrochemically controlled functionalization of the graphite and graphene surfaces. You will use scanning tunneling microscopy, atomic force microscopy, Raman spectroscopy and microscopy, and other techniques to characterize structure and functionality of these surfaces. You will test the covalently modified 2D carbon surfaces for their properties, and for their applicability in typical applications such as for example catalysis, on-surface synthesis of novel compounds, and others.

Page 92: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

Master Nanoscience and Nanotechnology

See also the attachment for additional info. Visit the website and meet the international team (http:/www.defeytergroup.org).

Page 93: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

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

Promotor: Prof. Peter Lievens  / co‐promotor: Prof. Ewald Janssens 

Faculty/Research Group: Faculty of Science / Quantum Solid State Physics 

Daily Supervision: Matias Bejide   

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 94: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

In this thesis work, you will investigate the non‐linear optical response of nanoparticles and clusters as  a  function of  size  and  composition.  The  nanoparticles  and  clusters will  be  either  deposited on surfaces or stabilized 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 95: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

Master Nanoscience and Nanotechnology

Thesis Title: Ultra Power-Efficient Implantable Electronics for Biomedical Signal Processing

Promotor: Georges Gielen

Faculty/Research Group: MICAS-ESAT

Daily Supervision: Jonah Van Assche

Type of work: System modelling and CMOS circuit design

Number of students: 1

Specialisation Option

Nano materials and nanochemistry

Nano-electronic design x

Nano devices and nanophysics

Bio-nanotechnology

Description:

Due to the ever ongoing miniaturization of electronics, nowadays electronics can be made small

enough to be implanted in the human body while being only minimally invasive. By implanting

electronics into a person a wide range of applications can be enabled, such as glucose monitoring in

the blood for diabetes patients, monitoring of physiological functions of organs, neurorecording and

stimulation devices, ... These implantable devices typically capture signals and then send them

wirelessly to a system outside the body, or store the data temporarily in an on-chip memory. This

data is then used by medical practitioners to make better diagnoses or is coupled to an actuator to

obtain a closed loop system.

These types of implantable devices should be very power efficient (with a power consumption under

a uW). This is mainly due to two reasons. Since the electronics are implanted, they can cause heating

of the surrounding tissue. Medical regulation limits the maximum amount an implantable device can

heat up the tissue, and this ultimately limits the power consumption that can be tolerated. A second

reason is that an implanted device cannot have a big battery to provide power. This battery is either

small or the enery of the system can be provided by techniques such as energy harvesting. Since

removing a device to change the battery is not an option for a lot of applications, the power

consumption should thus be minimised to prolong the battery lifetime.

The most power consuming block of a medical system is typically the power consumed by the

wireless transmission of data or by writing data to a memory. This power consumption scales with the

amount of data that has to be transmitted/stored. A key challenge while designing a biomedical

system is thus to limit the data rate of the system. This is can be done via a form of signal

compression. A signal can be compressed digitally, after the ADC, or it can be directly compressed

while it is sampled by techniques like compressed sensing, event-driven sampling, ... In this thesis,

you would first perform a system level analysis of different compression techniques and their effect

on the power consumption of a biomedical system. Once this analysis is done, the best suited

combination of ADC + compression method will be designed in a CMOS technology as a proof-of-

concept. This thesis is well suited for students interested in both signal processing and circuit design.

Page 96: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

Master Nanoscience and Nanotechnology

Illustration 1: Biomedical applications Illustration 2: Different compression techniques

build-in in the ADC

ADC

ADC

ADC

ADC

ADC

CSEncoder

SlopeDetector

fL fH

FeatureExtractor

fSample = 2*BW

fSample < 2*BW

Level Crossing?

fSample = fL / fH

fSample = Feature rate

fSample = Local BW

a)

b)

c)

d)

e)

Page 97: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Characterization of multi‐parameter biochip for condition monitoring in bioreactors 

Promotor: Prof. Michael Kraft 

Faculty/Research Group: ESAT‐MICAS 

Daily Supervision: Nurul Izni Rusli 

Type of work: Electrochemical characterization via cyclic voltammetry, amperometry, potentiometry and impedimetry 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nano materials and nanochemistry   

Nano‐electronic design   

Nano devices and nanophysics  X 

Bio‐nanotechnology  X 

 

Description:  

High-tech bioreactors are becoming increasingly important as they can produce stem-cells, insulin, antibiotics, antibodies, tissue, enzymes, proteins and many others. The monitoring of such bio-processes is crucial in modern biotechnology, therefore devices that provide real-time measurement data are highly required, since they allow detecting small changes in the condition in the bioreactor quickly, adjusting relevant parameters and maintaining the process at its optimum. Moreover, researchers are interested in monitoring several parameters all at once: this has led to the development of multi-sensor lab-on-a-chip (or biochip) devices.

We have recently designed a multi-parameter sensor chip that can concurrently measure six of the most important process parameters in bio-processes: pH, temperature, lactate and glucose concentrations, cell density with impedance spectroscopy and dissolved oxygen concentration. First prototypes were fabricated using standard microtechnology techniques in the cleanroom of the KU Leuven ESAT-MICAS department, housed in the NanoCentre (LeNa): platinum, gold and silver electrodes were produced by performing sputtering and lift-off techniques; isolation layers of either paralyne-C or polyimide were etched (RIE: reactive ion etching) after being deposited by CVD and spin-coated.

The primary objective of this master’s thesis is to evaluate, characterize and test the prototype chips. For this, the electrodes need to be functionalized, a suitable test rig needs to be constructed, cell culture need to be prepared (using yeast as test medium) and the response of the sensors needs to monitored over several weeks under well-defined and controlled conditions. This involves using impedance spectroscopy and electrochemical detection techniques, like amperometry and potentiometry.

A secondary objective is to come up with an improved design based on the test result that can be put forward for micro-fabrication.

 

Page 98: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title:  Towards the implementation of high energy density cathodes in commercial lithium ion batteries by atomic layer deposition interface engineering  

Promotor: Philippe Vereecken 

Faculty/Research Group: imec‐estore (FBIW/M2S/cMACS) 

Daily Supervision: Andrea Itziar Pitillas Martinez 

Type of work: 85% Experimental, 15% literature 

Number of students: 1 

Specialisation Option  

Nano materials and nano chemistry X

Nano‐electronic design 

Nano devices and nanophysics 

Bio‐nanotechnology 

 

Description:  

Growing climate change concerns increasingly drive both public and scientific interest towards the development of alternative energy  technologies  that can enable a reduction of carbon emissions. A common example of this is the continuously growing electric and hybrid electric vehicle market. One of the main inhibiting factors for the widespread use of these vehicles is the limited energy and power densities of the batteries used to power them. The introduction of cathode materials that have both intrinsically higher capacities as well as higher operating potentials can help increase these metrics and further popularize EV technology. However, in order to allow the deployment of such cathodes, several issues need to be addressed. A main concern with  these materials  is  the  electrolyte  decomposition  that  occurs  at  the  cathode surface, decreasing the electrode performance. Artificial interface engineering is a promising strategy to address this problem. This interface engineering often takes the form of coating the  cathode with  a  (sub)nanometer  thin  film  of  a  protective  yet  ion  conductive material. Atomic  Layer  Deposition  (ALD)  is  a  surface  limited  deposition  technique  that  allows  for conformal  coatings  of  continuous  nanometer  thin  films.  It  is  an  established  technique  in nanoelectronics and now being explored also  for  interface engineering  in batteries.  In  this master thesis, the student will work on the development of ALD coatings inside the porous Li‐ion cathodes which can have thicknesses up to 100 micrometers. Conformal coating of few nanometer thin oxides on these high surface area composite electrodes will be the challenge. The measured performance of these coated electrodes will be a measure for success. You will learn  about  electrochemistry,  as  much  of  the  characterization  relies  on  3‐electrode  cell measurements. Additionally, a good understanding of the chemistry of ALD processes will be beneficial  since  the  cathode  electrode  substrates  are  complex, multi‐component  systems. Therefore,  the  ALD  process might  differ  for  the  components  present  in  the  cathode,  e.g. preferentially on some and not on others. All  the experimental work will be carried out at IMEC. Therefore, having access to a fully equipped battery lab as well as to a wide variety of physical characterization techniques (TEM, EDX, ERD, XRD, SEM, RBS).  

Page 99: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Entropic effects in thin‐film Li‐ion materials for thermal energy harvesting 

Promotor: Philippe Vereecken 

Faculty/Research Group: imec‐Estore (FBIW/M2S/cMACS) 

Daily Supervision: Liese Hubrechtsen 

Type of work: 85% Experimental, 15% literature 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nano materials and nanochemistry  x 

Nano‐electronic design   

Nano devices and nanophysics   

Bio‐nanotechnology   

 

Description:  

Meeting  our  ever‐increasing  demand  for  energy  is  becoming  a  growing  concern  for many people.  In  this  context,  it  is  interesting  to  note  that  large  percentages  of  the  energy  we produce actually end up unused – according to a recent study, this figure reaches 67 % in the United  States  alone.  Much  of  this  rejected  energy  takes  the  form  of  heat.  Increasing scientific  interest  is  being  devoted  to  the  development  of  technologies  that  are  able  to harvest energy  from  low‐grade heat sources and directly convert  it  to electricity. Amongst these technologies, thermoelectrics are the most well‐known.  

Recently,  very  strong  thermoelectric  effects  have  been  observed  in  polymer  electrolytes. These  effects  are  a  consequence  of  thermodiffusion  of  ions  when  a  thermal  gradient  is present in a material. The magnitude of the ionic thermoelectric coefficient is linked to the transport  number  asymmetry  in  electrolytes  as  well  as  the  entropy  of  transport  of  the constituent  ions.  Solid  state  Li‐ion  electrolytes  are  known  to  possess  near‐unity  Li‐ion transport numbers, suggesting significant ionic thermoelectric responses.  

In  this  master  thesis,  the  student  will  help  build  a  test  platform  to  measure  ionic thermoelectric  coefficients  in  thin‐film  Li‐ion  electrolytes.  Using  thin‐film  deposition  and patterning techniques, a test structure to measure in‐plane ionic thermoelectric effects will be  fabricated  and  characterized  electrically.  The  thin‐film  electrolyte will  be  deposited  on this  structure using sputter deposition and patterned using wet or dry etching  techniques. The  test  structure  will  then  be  deployed  to  measure  thermodiffusion  in  this  thin‐film electrolyte  with  DC  transient  measurements.  Resulting  interfacial  charge  build‐up  will  be probed using  impedance spectroscopy. 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.  In  this  master  thesis,  a  good  understanding  of  thermodynamics, electrochemistry,  semiconductor  physics  and  thin‐film  processing  is  helpful.  The  ideal candidate is highly self‐motivated, eager to learn, and works well independently.  

Page 100: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Mechanism analysis of Pt e‐ALD for catalyst in fuel cell 

Promotor: Philippe Vereecken 

Faculty/Research Group: ESTORE/imec 

Daily Supervision: Siggi Wodarz 

Type of work: 90% Experimental, 10% literature  

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nano materials and nanochemistry  x 

Nano‐electronic design   

Nano devices and nanophysics   

Bio‐nanotechnology   

 

Description:  

In  this  topic,  the  student  will  learn  basic  knowledge  of  electrochemistry  and 

electrochemical characterization methods by analyzing detail mechanism of electrochemical 

atomic layer deposition (e‐ALD) of platinum monolayer.  

Platinum (Pt)  is  the most effective catalyst  for both hydrogen oxidation and oxygen 

reduction in proton exchange membrane fuel cells. However, the high cost of Pt catalysts has 

been considered as the obstacles to apply for commercial fuel cells. Thus, many approaches 

have been developed to minimize the Pt loadings by preparing Pt nanostructures in different 

shapes, such as Pt nanoparticles and Pt monolayer.  

Atomic  layer  deposition  (ALD)  is  a method  for  forming  nanofilms  of materials  one 

atomic layer at a time using surface limited reactions. Surface limited reactions occur only at 

the surface, and once the surface is covered, the reaction stops. Electrochemical atomic layer 

deposition (e‐ALD) is ALD in an electrochemical environment. Formation of Pt monolayer has 

been  successfully  demonstrated by e‐ALD. However,  the  growth mechanism of  Pt  has  not 

been  fully  clarified.  To  further  enhance  the  catalytic  performance  of  Pt  monolayer  it  is 

important to understand the mechanism of Pt e‐ALD in detail. In this topic, the student will 

analyze  the  effect  of  additives  in  electrolyte  on  growth  behavior  of  Pt  monolayer  by 

electrochemical/surface characterization methods. 

Page 101: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Synaptro‐pHluorin 

Promotor: Sebastian Haesler 

Faculty/Research Group: NERF 

Daily Supervision: Jasper Timmerman   

Type of work: Metrology/characterization/biochemistry 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nano materials and nanochemistry  X 

Nano‐electronic design   

Nano devices and nanophysics   

Bio‐nanotechnology  X 

 

Description:  

Understanding of fundamental neurophysiological mechanisms have led to various practical 

strategies to interface with the brain which in turn haSynaptrve greatly broadened our knowledge base 

in brain functionality. The synergy between technological advancement and neuroscientific insight is 

a clear example of the necessity of multidisciplinary research. At Neuro‐Electronics Research Flanders 

(NERF) we work at the forefront of technological and neuroscientific research housed under a single 

roof. Supported by Imec and VIB  infrastructure we have designed and fabricated a next generation 

brain  computer  interface  (synaptrode)  with  unprecedented  integration  capabilities.  A  molecularly 

defined interface is formed at the synapse level by inducing synapse formation between neurons and 

electrodes on chip.  

The goal of this project is to take the first steps into building an electro‐optical transducer to monitor 

and manipulate neural activity on the synaptrode platform.  In practice, synaptophluorin expressing 

neurons will be seeded in vitro onto synaptrode functionalized substrates, starting with glass surfaces 

and gradually working up to integrated optical and electrical circuits.  

At Neuro‐Electronics Research Flanders (NERF), we offer the student a highly immersive experience in 

an  international  research  environment  with  access  to  state‐of‐the‐art  equipment  and  ample 

opportunity to learn from junior and senior researchers with diverse backgrounds and expertise. We 

expect  highly  self‐motivated  candidates  with  a  curious  mindset,  good  communication  skills,  and 

creative problem‐solving  skills. Mastery of  the English  language  is a must, as well as willingness  to 

expand  knowledge  across  scientific  disciplines.  The  project  consists  of  20%  literature  study,  30% 

fabrication, and 30% imaging and analysis. 

 

Page 102: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Design of Broadband Photonic Integrated Components for Optical Coherence Tomography 

Promotor: Pol Van Dorpe 

Faculty/Research Group: Physics/Solid state and Magnetism / imec Life Science Technology Dept. 

Daily Supervision: Gunay Yurtsever 

Type of work: Photonics integrated circuit design, modelling, simulation, light propagation in waveguides, Python scripting 

Number of students: 1 

Specialisation Option  

Nano materials and nanochemistry

Nano‐electronic design 

Nano devices and nanophysics  X

Bio‐nanotechnology 

 

Description:  

Optical coherence tomography (OCT) is a non-invasive optical imaging modality that can acquire subsurface images of biological samples in both two and three dimensions. OCT is being widely used in ophthalmology, where it provides structural images of the retinal layers that cannot be obtained by any other imaging method. While OCT is being used in many hospitals around the world, costs and complexity are still prohibitive for widespread application in existing and novel areas. Current implementations of OCT systems are commonly based on fiber and free-space optical components. Photonic integration of optical components on a wafer-level has shown advantages in cost, size, stability and power efficiency. In the scope of this thesis, the student will design and simulate broadband integrated photonic components suitable for OCT. These components will be splitters, edge couplers, grating couplers and interferometers. If successful, the designs can be used in a European project where the goal is to create a hand-held OCT device that will be tested for retinal imaging. During the design process the student will learn about optical coherence tomography and master the widely used integrated photonics design package Lumerical. The work will also include some Python scripting.  

Page 103: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Quantitative 3D mapping of carrier concentration in quantum‐confined heterostructures for power and RF applications 

Promotor: Marc Heyns (KULeuven), Kristof Paredis (imec) 

Faculty/Research Group: Materials and Components Analysis (imec) – Materials Engineering (KULeuven) 

Daily Supervision: Albert Minj (imec), Kristof Paredis (imec) 

Type of work: Experimental (60%)‐Simulations (40%) 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nano materials and nanochemistry  x 

Nano‐electronic design  x 

Nano devices and nanophysics   

Bio‐nanotechnology   

Description:  

III‐N  is already recognized for bright and energy‐saving white  light sources, which eventually  led to 

2014 Nobel prize in physics to its inventors. With further advances in III‐N semiconductors (GaN, AlN, 

InN)  epitaxy  in  the  past  decade, GaN  is  turning  out  to  be  the  first  choice  in  power  and  electronic 

industry as well. This is because of the important technical advantages it has to offer, which includes 

10× higher breakdown strength, faster switching speed, higher thermal conductivity and importantly, 

quasi  defect‐insensitive  light  emission  properties.  Its  excellent  current  transport  is  accredited  to 

quantum confinement of high‐density carriers at its interface without the need of extrinsic doping. It 

is  now,  thus,  confidently  expanding  over  power‐conversion  applications  including  fast  battery 

chargers, smartphones, computers, servers, automotive, lighting systems and photovoltaics, where it 

has tremendous potential  to facilitate reduced power consumption. Emerging applications that are 

high‐end solutions such as Light detection and ranging (LiDAR) applications, benefit significantly from 

the  high  commutations  speed  of  GaN  power  devices. Wireless  charging  solutions  based  on  GaN, 

highly  anticipated  to  be  adopted  by  industrial  giants,  is  set  to  be  a  distinguished  technology 

achievement. 

In all scenarios, be it a smoother advancement of current III‐N technology, novel device concepts or 

implementation of  III‐N nanostructures  for devices,  one of  the main  challenges  is  the  quantitative 

characterization of doping and its spatial distribution over an extent from micron to nanoscale within 

multi‐layer heterostructures with quantum confinement properties at  the  interfaces. Using routine 

characterization  techniques,  both  doping  concentration  and  its  distribution  cannot  be  assessed 

separately.  For  example,  chemical  concentration  of  the  dopant  assessed  by  secondary  ion  mass 

spectrometry  or  electron‐beam  based  technique  does  not  always  reflect  the  actual  active  carrier 

concentration  in  these  materials  because  of  poor  activation  of  p‐type  dopants  and  activation  of 

dopants  under  irradiation.  The  thesis  focuses  on  development  of  scanning  spreading  resistance 

microscopy (SSRM) on III‐Ns. SSRM is known to be sensitive to free carrier concentration allowing its 

quantitative  estimation  at  nanoscale  and  has  already  been  implemented  on  Si,  SiGe,  III‐Vs  etc.  It 

Page 104: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

makes use of a sharp conducting probe to map two‐dimensional spreading resistance, which can be 

converted  into  carrier  concentration  using  a  step‐graded  calibration  sample.  Therefore,  the  main 

objectives  of  the  project  are  (1)  understanding  of  current  transport  behavior  at  nanoscale,  (2) 

improvement  of  back  ohmic  contacts  for  removing  high  series  resistance  and  (3)  study  of  phase 

transformation and defect generation at uniaxial pressures exceeding 30 GPa. 

The  student  will  be  trained  in  advanced  electrical  SPM  techniques  Conductive  Atomic  Force 

Microscopy  (C‐AFM)  and  SSRM.  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. Knowledge of TCAD simulation or 

other  numerical  simulation  is  a  plus. With  the  guidance  of  his  supervisor,  data  interpretation  and 

analysis  will  also  be  a major  part  of  the  thesis/internship.  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. Start data and project duration can be discussed. 

Page 105: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Fabrication of metal‐organic framework nanofilms for memory devices 

Promotor: Rob Ameloot 

Faculty/Research Group: Bioscience engineering / cMACS 

Daily Supervision: Víctor Rubio Giménez 

Type of work: Experimental 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nano materials and nanochemistry  x 

Nano‐electronic design   

Nano devices and nanophysics   

Bio‐nanotechnology   

 

Description:  

Electronic devices shape the world as we know it. The tremendous technological advances in 

the  last  50  years  relied  on  the  progressive  miniaturization  of  these  devices  to  construct 

increasingly complex and powerful platforms. This achievement has been possible thanks to 

low‐cost  complementary  metal‐oxide‐semiconductor  (CMOS)  microfabrication.  However, 

traditional CMOS materials (metal chalcogenides) suffer from a fundamental design limitation 

due to the limited choice of inorganic anions. As a consequence, the electronics field is on the 

verge of a dramatic transition towards organic and hybrid organic‐inorganic “beyond CMOS” 

materials. This drive is especially intense for memory devices, as current silicon‐based flash 

memories  suffer  from  low  operation  speed,  poor  endurance,  high  write  voltage  and 

miniaturization limitations due to leakage currents. An emerging candidate to replace them 

are memristors (memory resistors), these circuit components store information by switching 

between a high‐resistive state (HRS or  ‘off’ state) and low‐resistive state (LRS or  ‘on’ state) 

with the application of a (write/erase) voltage. 

Metal‐organic frameworks (MOFs) stand out as potential active materials in memristors due 

to their synthetic versatility and porous structure. MOFs are a combination of metal ions and 

polytypic  organic  ligands  into  multidimensional  porous  frameworks.  Thus,  the  amount  of 

metal ions and organic ligands give a huge amount of possible combinations to design tailor‐

made  materials.  Moreover,  their  porous  nature  could  endow  the  memory  behavior  with 

chemical  responsiveness  to guest molecules, such as gases and organic vapors.  In order to 

fabricate MOF‐based  devices,  there  is  a  need  to  use  robust  thin  film  deposition methods 

compatible with microfabrication standards. Chemical vapour deposition (CVD) is a scalable 

solvent‐free  method  that  meets  these  requirements.  The  Ameloot  group  is  one  of  the 

pioneers in using CVD to fabricate MOF thin films. 

Page 106: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

In this project, you will be involved in developing a MOF‐memristor device prepared via CVD, 

including: preparation and characterization high quality of MOF thin films; design, fabrication 

and  electrical  characterization  of  the  memory  devices,  testing  the  resisting  switching 

performance under different guest atmospheres. You will also have the opportunity to work 

closely  with  other  group  members  researching  MOF‐CVD,  learning  about  alternative 

applications of MOF thin films such as chemical sensing.  

We  are  looking  for  a  highly motivated MSc  student  eager  to work  on  an  interdisciplinary 

research topic at the cross‐roads of materials chemistry, surface science, and electronics. The 

student will be directly involved in all steps of device fabrication and characterization carried 

out  in  the Leuven Chem&Tech and Nanocenter  facilities. The subject will only be awarded 

after  a  preceding  face‐to‐face  meeting.  Good  English  writing  and  oral  skills  are  required. 

Please  take  a  look  at  our  group  website  to  get  an  overview  of  our  research: 

http://www.amelootgroup.org/  

If  you  have  any  questions  about  this  topic,  don’t  hesitate  to  contact  Víctor 

([email protected]). 

Page 107: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Multispectral Thin‐Film Image Sensors  

Promotor: Paul Heremans  

Faculty/Research Group: Faculty of Engineering Science, Large Area Electronics, imec 

Daily Supervision: Vladimir Pejovic  

Type of work: lab processing, electrical and optical characterization 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nano materials and nanochemistry  Nano‐electronic design   

Nano devices and nanophysics  Bio‐nanotechnology   

 

Description:  

In  recent years,  there  is a  significant  increase  in  the  integration of  infrared  image sensors  in many 

everyday  use  devices  such  as  smartphones  and  laptops,  driven  by  the  need  for  biometric  sensors 

such as  face  recognition and  fingerprint  scanners. At  the  same  time, a  variety of new applications 

such  as  self  driving  cars,  augmented  reality  (AR),  virtual  reality  (VR)  can  take  advantage  of 

developments  in the  infrared  imaging technology. Specifically, a growing demand exists  for sensing 

technologies  in  the short‐wave‐infrared  (SWIR), which relates to wavelengths  in  the range of 1µm‐

2µm. Nowadays, the available technologies for IR sensors is rather limited. Silicon can only detect in 

the near‐infrared range (NIR) with a strong cut‐off after 900 nm and the III‐V semiconductors that are 

used for SWIR spectrum are having constraints in terms of throughput, resolution and high cost.  

Colloidal  quantum  dots  (QDs)  offer  an  alternative  approach  in  detecting  infrared  light.  Taking 

advantage  of  the  quantum  confinement,  QDs,  depending  on  their  size  can  be  tuned  to  detect 

different  spectra  from  visible  up  to  the  NIR  and  SWIR.  Furthermore,  they  can  be  deposited  from 

solution over large area with low cost techniques such as spin coating. Integration of colloidal QDs on 

CMOS chips has been successfully demonstrated and commercial products are already available on 

the market,  competing with  traditional  III‐V  semiconductor‐based  products.  The  present  solutions 

are based on a  thin‐film photodiode with QDs  as  its  absorber.  Such a  sensor  captures  signals  in  a 

narrow region of IR spectrum, defined by the size of QDs deployed in the photodiode structure. The 

goal  of  this  project  is  to  exploit  features  of  colloidal  QDs  such  as  solution‐processability  and  size‐

dependant  absorption  in  order  to  develop  more  complex  device  structures,  capable  of  capturing 

signals  in  two distinct  regions of  IR  spectrum. Having a  low‐cost  image  sensor  that  can operate  in 

multiple IR bands would be attractive for many industrial applications. 

The student will focus on investigation of novel architectures for multispectral IR photosensors and 

their fabrication in wet chemical labs. Training on the relevant processing and characterization tools 

will be given and after a short introduction to the facilities, an independent investigation is expected 

with the focus on short‐term research goals. 

Page 108: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Nanophotonic Raman Spectroscopy for sensitive molecular fingerprinting 

Promotor: Pol Van Dorpe 

Faculty/Research Group: Physics /Solid state and magnetism / imec Life Science Technology Dept. 

Daily Supervision: Aadhar Jain 

Type of work: Experimental, Simulation 

Number of students: 1 

Specialisation Option  

Nano materials and nanochemistry

Nano‐electronic design 

Nano devices and nanophysics  X

Bio‐nanotechnology  X

 

Description:  

Raman spectroscopy is rapidly emerging as an important methodology in the bio‐pharma 

industry and as a powerful bio‐analysis tool due to its inherent ability to probe vibrational 

modes and therefore, provide a structural fingerprint for uniquely identifying molecular 

components of the analyte. However, the intrinsically weak nature of Raman scattering 

typically requires complex instrumentation for accurate analysis, thus preventing more wide 

scale adaptation of this powerful method. The next major step in its evolution is the 

identification of novel strategies that can enable Raman signal enhancement on small scale 

devices that can be deployed at point‐of‐need or even used by individuals for personal 

diagnostics. Our team is engaged in development of such a platform, comprising of 

nanophotonic waveguides, and capable of intensifying the Raman signal by multiple orders 

of magnitude, while reducing the structural footprint to a single chip. This further opens the 

possibility of leveraging the powerful resources of the photonics toolbox to develop an 

integrated and compact Raman spectrometer. 

In this master thesis topic, the student will be deeply involved in development of next 

generation of waveguide‐based Raman spectroscopy for potential applications in focus areas 

like drug development and personalized medicine. The student will gain experience in all 

important aspects of research and development – from developing a theoretical and 

simulation framework to hands‐on experimental design and implementation, and 

subsequent data analysis for validation of experimental results. 

The main research objectives are as follows: 

Experimental characterization of performance and limitations of current generation 

of devices through necessary optical setup design and automation. 

Page 109: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Improvement of existing theoretical and simulation models for enhanced 

understanding of experimental results, and thereby informing the evolution of the 

next generation of devices. 

Developing new photonic designs and structures to incorporate advanced Raman 

techniques like surface‐enhanced Raman spectroscopy (SERS) and stimulated Raman 

spectroscopy (SRS) 

 

Page 110: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Metal crystal phase dependent H2 generation over Au‐graphene photocatalyst 

Promotor: Maarten Roeffaers 

Faculty/Research Group: CMACS 

Daily Supervision: Bo Weng 

Type of work: Experimental, catalyst development 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry  X 

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics   

Bionanotechnology   

Description:  

Conversion of solar energy into chemical energy in the form of so‐called “solar fuels”, such as H2, is considered one of the most perspective strategies for producing renewable clean energy to alleviate our dependence on fossil fuels, which could also solve the CO2 problem to develop low carbon emission economy and sustainable energy in the future. To perform the hydrogen evolution  reaction  (HER),  the  photocatalytic  system  usually  requires  a  highly  efficient hydrogen  evolution  cocatalyst.  Therefore,  great  research  efforts  have  been  devoted  to explore noble metal gold (Au) as cocatalysts for HER because of their high chemical stability, unique plasmonic and distinctive catalytic properties. However, their practical applications are limited  by  their  high  cost  and  scarcity  on  the  earth.  Engineering  crystal  structures  of  Au nanocrystals  have  recently  been  revealed  to  significantly  affect  their  physicochemical properties,  such  as  optical,  catalytic  and  electronic  properties,  which  opens  up  new opportunities  to  reduce  their  usage  amount  and  boost  their  catalytic  performance,  thus solving  these problems. Nevertheless,  there are  few studies  lucubrating  in  the relationship between crystal phases of metal Au (i.e., hcp and fcc) and photocatalytic property for storing the  energy  in  sunlight,  and  the  construction  of  efficient  hcp  Au‐based  composites photocatalysts for solar energy conversion is still virgin.  During this master thesis you will firstly be involved in the synthesis of Au nanoparticles (NPs) with  different  crystal  phases,  including  hcp  and  fcc.  After  that  the  graphene  matrix  with outstanding  electronic,  optical  properties  and  large  surface  area  will  be  introduced  as excellent  scaffold  for dispersing  the Au NPs,  forming new nanocomposite hybrid materials with improved properties as compared with single components. By decorating metal Au with different phases (i.e., hcp and fcc) onto the surface of graphene, the photocatalytic activity toward  H2  generation  using  Eosin  Y  as  photosensitizers  over  these  composites  will  be evaluated to correlate crystal phases of Au with their photocatalytic properties. Combining the  advanced  characterizations,  such  as  high  sensitivity  fluorescence  microscopy,  X‐ray absorption,  steady‐state  and  time‐resolved  photoluminescence  spectroscopies,  transient absorption  (TA),  photo‐electrochemical  spectra  and  density  functional  theory  (DFT) calculations, the intrinsic difference of the optical and electronic properties between hcp and 

Page 111: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

fcc Au can be systematically disclosed, thus clarifying the essence of how Au crystal structures affect their photoactivity.  Skill set that will be developed during the project: 1. Synthesis of noble metal Au NPs. 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 112: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Development of an advanced multiplex diagnostic test for a rare autoimmune disease 

Promotor: Jeroen Lammertyn, co‐promotor: Dragana Spasic 

Faculty/Research Group: Faculty of Bioscience Engineering, Dept. Biosystems, Biosensors group 

Daily Supervision: Jiahuan Qu 

Type of work: Experimental 

Number of students: 1 

Specialisation Option  

Nano materials and nanochemistry

Nano‐electronic design 

Nano devices and nanophysics 

Bio‐nanotechnology  X 

 

Description:  

Over the past decade we have been witnessing an  innovation boom in the biosensing field 

leading  to  continuous  improvements  in  sensitivity,  specificity,  equipment  flexibility,  cost 

effectiveness, and functional versatility of biosensors. Multiplexing technology has certainly 

captured a lot of attention in this research field as the one to enable simultaneous detection 

of multiple analytes in one sample, thus offering several advantages, including the reduction 

of sample usage and cost.  

In the context of this, the objective of this master thesis is to focus on establishing multiplexing 

strategies on a  fiber optic  surface plasmon  resonance  (FO‐SPR) biosensor, which  is  a well‐

developed platform in the MeBioS‐Biosensors group and also recently commercialized by FOx 

biosystems (www.foxbiosystems.be). FO‐SPR is a fiber‐based and easy‐to‐use alternative for 

the expensive and more complex SPR systems. Over the past decade, this platform has been 

developed for real‐time monitoring of binding reactions and quantification of proteins, nucleic 

acids, antibodies and small molecules (e.g., allergens, infliximab, progesterone, etc). Recently, 

we  have  achieved  multiplex  detection  by  introducing  cobalt‐nitrilotriacetic  acid  (Co‐NTA) 

surface  chemistry  for  more  oriented  and  stable  bioreceptors  immobilization  on  the  gold 

coated FO probe for the first time in SPR field. As a follow‐up, we will explore the potential of 

protein origami in surface structuring, i.e. spacing bioreceptors and reducing steric hindrance 

to further improve the sensing performance of multiplex bioassay. In this thesis, we will focus 

on  establishing  multiplex  rapid  diagnostic  test  for  thrombotic  thrombocytopenic  purpura 

(TTP) disease.  TTP is a rare and fatal hematologic disease with blood clots in blood vessels, 

causing low level of platelets and a series of life‐threatening consequences. Therefore, rapid 

Page 113: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

and accurate diagnosis is urgently needed when TTP is suspected in patients without clinically 

apparent symptoms to avoid clinical delay and achieve timely and precise treatment. 

During  the  thesis,  you  will  start  from  sequential  co‐immobilization  of  two  different 

bioreceptors on the same probe for multiplex bioassay of two TTPs biomarkers in both buffer 

and serum. In the next phase, you will study the behavior of protein origami by immobilizing 

it on FO probe using Co‐NTA chemistry and developing multiplex bioassays. Furthermore, you 

will work on  introducing protein origami  in between  the sensing surface and bioreceptors, 

thereby studying the effect of this on sensing improvement. Depending on the success of this 

part,  you  will  further  explore  potential  of  the  platform  to  detect  more  than  two  targets 

simultaneously.  You will  learn  how  to  fabricate  FO‐SPR  probes  involving  cutting  of  optical 

fibers, gold sputtering, NTA‐SAM surface chemistry, protein origami, and functionalization of 

bioreceptors. Meanwhile, you will discover the practical use of surface chemistry and colloid 

chemistry in real application. Besides, you will also get trained in how to plan your experiments 

and analyze the data using different software (Excel & Matlab). 

For more information see www.biosensors.be and/or contact [email protected] 

 

Page 114: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Allotropic ruthenium nanoparticles as heterogeneous catalysts 

Promotor: Maarten Roeffaers 

Faculty/Research Group: CMACS 

Daily Supervision: Michaël Gebruers 

Type of work: Experimental, synthesis, catalysis 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry  X 

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics   

Bionanotechnology   

Description:  

For long, allotropic forms of different chemical elements have been known, with the most commonly 

known examples being diamond and graphite as allotropic carbon structures. It has been thought for 

long that metals, such as ruthenium, only have one stable allotropic form; for ruthenium this is the 

hexagonal close packed (hcp) structure. It has recently been discovered that ruthenium nanoparticles 

can also be synthesized with a different crystal structure, the face cantered cubic (fcc) structure. This 

allotropic crystal structure of ruthenium is stable up to 450°C. In contrast to the effect of nanoparticle 

size and shape,  the effect of  the crystal structure on the catalytic activity has not been thoroughly 

investigated yet. It has however already been shown that allotropic ruthenium nanoparticles display 

vastly different catalytic performances for example in the oxidation of CO to CO2. This makes them an 

interesting  material  to  explore  in  a  broad  range  of  different  catalytic  reactions,  to  improve  the 

efficiency of these reactions. 

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

ruthenium nanoparticles. Besides wet  synthesis,  impregnation of  these catalysts on  several porous 

supports, such as Al2O3 and SiO2, will be explored to determine the support effects on both crystal 

structures. 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 will be performed by N2 physisorption experiments to 

determine the particle size and surface area. Furthermore, fcc an hcp ruthenium nanoparticles will be 

compared in various catalytic reactions to determine the difference in catalytic activity of both crystal 

structures and to establish a structure‐function relation. 

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

the  synthesis  of  novel  allotropic  nanoparticles;  (2)  Hands‐on  experience  with  materials 

characterization  by  electron  microscopy,  X‐ray  diffraction  and  N2  physisorption  experiments;  (3) 

Insights  in  various  catalytic  pathways  of  heterogeneous  catalysis  with  allotropic  ruthenium 

nanoparticles; (4) Data interpretation and independent research. 

Page 115: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

More  information?  [email protected][email protected]  or 

[email protected] 

Page 116: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Detecting protein translocations on SiN nanopores 

Promotor: Pol Van Dorpe 

Faculty/Research Group: Physics / Solid‐State physics & magnetism / Imec Life Science Technology Dept. 

Daily Supervision: Jaco Delport   

Type of work: Experimental 

Number of students: 1 

Specialisation Option  

Nano materials and nanochemistry

Nano‐electronic design 

Nano devices and nanophysics 

Bio‐nanotechnology  X

 

Description:  

Nanopores have shown incredible promise in DNA sequencing in small point of care devices, as 

illustrated by the success of the Oxford nanopore mini‐ION sequencer, that was used in the field 

during the Ebola outbreak. Imec is doing research to integrate nanopores with semiconductor 

technology. This holds the promise of dense arrays of nanopores with integrated electronics for high‐

throughput sensing that will enable cost‐effective point‐of‐care DNA or proteomic tests facilitating 

the early diagnosis of cancer and other diseases. 

This master thesis topic is on using SiN nanopores manufactured by imec to detect DNA and proteins 

as they translocate through the nanopore.  The biomolecule translocation results in a drop in the 

ionic current through the pore that can be detected with a sensitive patch‐clamp current amplifier. 

The student will investigate the bandwidth of the technique – what is the shortest DNA fragment 

that can be detected? The next challenge will be detecting proteins ‐ which are challenging to detect 

as they translocate the nanopore extremely fast (typical, 1µS). The use of lipid bilayer coatings to 

slow down protein translocation will be investigated to enable reliable protein translocation 

detection. Features of the translocation signal will be analyzed to extract information like the protein 

size and shape. 

We are looking for a student with an interest in experimental work at the interface of physics, 

biology and engineering. The research objectives are: 

- Develop a reproducible protocol for DNA translocation on SiN nanopores - Experimentally determine the bandwidth of the setup - Develop suitable anti‐foaling coatings e.g. lipid‐bilayers for protein translocation on 

nanopores - Develop methods for slowing protein translocation though nanopores to make them 

detectable with the bandwidth of the setup. 

Page 117: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

Page 118: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Synthesis and characterization of allotropic copper nanocatalysts 

Promotor: Maarten Roeffaers 

Faculty/Research Group: CMACS 

Daily Supervision: Alexey Kubarev 

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 as automotive catalysts. 

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

envisioned copper nanoparticles with a novel type of crystalline structure which is vastly different to 

its typical structure. The physical properties of these new copper 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‐structure metal 

nanoparticles.  The  aim  of  this  project  is  to  develop  and  optimize  the  synthesis  of  these  copper 

nanocatalysts, characterize them and evaluate their catalytic performance.  

In  this  project  you  will  develop  innovative  synthetic  procedures  to  grow  pure  allotropic  copper 

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

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

copper nanocrystals of desired properties. 

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

of  the obtained materials. You will use state‐of‐the‐art catalyst characterization tools such as SEM, 

XRD, Raman scattering spectroscopy, fluorescence microscopy, and others. 

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

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. This research is going to 

be performed on the basis of the research group of Prof. Maarten Roeffaers (Centre for Membrane 

Separations,  Adsorption,  Catalysis  and  Spectroscopy  for  Sustainable  Solutions)  and  in  a  close 

Page 119: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

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 120: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Shaped MOFs Single Crystal Synthesized in Confined Mold and Its Application on Gas Sensor 

Promotor: Rob Ameloot 

Faculty/Research Group: Bioscience engineering / cMACS 

Daily Supervision: Benzheng Xia 

Type of work: Experimental 

Number of students: 1 

Specialisation Option  

Nano materials and nanochemistry x

Nano‐electronic design 

Nano devices and nanophysics 

Bio‐nanotechnology 

 

Description:  

MOFs are highly porous materials consisting of metal ions linked by organic ligands. Their porosity and 

tunable  nature  make  MOFs  excellent  candidates  for  catalysis,  gas  storage  and  chemical  sensors. 

Generally, the electrical conductivity of MOFs is weak, which limits their application in some types of 

electronics.  However,  their  electrical  conductivity  can  be  improved  by  doping  or  introducing  π‐

conjugates molecules. 

In  this  thesis  topic, we aim to synthesize  large MOFs single crystals and  to  increase  their electrical 

conductivity by loading conjugated guest molecules. Compared to conventional polycrystalline MOF 

films,  single  crystals  have  no  grain  boundaries  and  a  smooth  surface.  Therefore,  better  electron 

transfer and device performance are expected. By controlling the guest molecule loading, an optimal 

conductivity can be achieved while retaining the MOF porosity. Because of the combination of these 

properties, we can target gas sensors with an improved selectivity and sensitivity.  

This  topic  includes  three key  steps: First, we will design and  fabricate  the mould  to determine  the 

shape of HKUST‐1 single crystals. Compared to the bulk crystals, shaped crystals are more beneficial 

to integrate with devices. Second, HKUST‐1 single crystals will be grown in the mould and loaded with 

TCNQ. This guest molecule can bridge the metal sites in the framework, leading to localized conducting 

regions. Characterization techniques will include XRD, NMR, IR, SEM, TGA, and physisorption. The final 

step is to collect the sensing signal under gas dosing.  

For this project, we are looking for a highly motivated Master’s student with keen interests in materials 

chemistry  and  devices  fabrication.  The  student  will  be  directly  involved  in  all  steps  of  materials 

synthesis and devices fabrication. The bulk of the research activities will be carried out in the Leuven 

Chem&Tech and Nanocenter facilities. The subject will only be awarded after a preceding face‐to‐face 

meeting.  Please  have  a  look  at  our  group  website  to  get  an  overview  of  our  research: 

Page 121: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

http://www.amelootgroup.org/. If you have any questions about this topic, don’t hesitate to contact 

Ben ([email protected]). 

Page 122: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: A skin perfusion model for optimizing microneedle‐based blood sampling from capillaries 

Promotor: Jeroen Lammertyn 

Faculty/Research Group: Faculty of Bioscience Engineering, Dept. Biosystems, Biosensor group 

Daily Supervision: Lorenz Van Hileghem 

Type of work: Experimental and/or modelling 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nano materials and nanochemistry   

Nano‐electronic design   

Nano devices and nanophysics   

Bio‐nanotechnology  X 

 

Description:  

Globally,  millions  of  blood  samples  are  collected  daily  for  diagnostics.  In  current  medical 

practice,  venous  blood  is  most  commonly  drawn  by  phlebotomists  with  a  syringe  and 

hypodermic  needle.  This  procedure,  called  venipuncture,  is  time‐consuming  and  requires 

trained medical personnel. Moreover, in addition to widespread needle phobia, this practice 

carries a risk of infection both to the patient and healthcare workers through needle re‐use 

and needle‐stick  injuries,  respectively.  In  the developing world, up to 50% of needle use  is 

regarded as unsafe. 

For decades, microneedles have been explored as an alternative to traditional needles since 

they are minimally invasive and reduce risks of needle‐stick injuries and infections due to non‐

sterile usage. Of great interest is the compatibility of microneedle array patches with an in‐

house  developed microfluidic  technology,  called  (i)SIMPLE  (Imbibing Microfluidic  Pump  by 

Liquid Encapsulation). This is a point‐of‐care suitable microfluidic technology that allows the 

development of disposable, robust, and easy‐to‐use bio‐fluid sampling solutions in the form 

of  a  wearable  patch.  However,  the  lack  of  skin  models  mimicking  the  capillary  blood 

availability  and  mechanical  properties  of  the  skin,  complicate  the  development  of  such 

devices. 

The overall goal of this thesis is to further explore microneedle‐skin interaction with focus on 

improved microneedle design for capillary blood draw. The student will learn aspects of high‐

resolution imaging (e.g. X‐ray microtomography) to study skin perfusion, and microfabrication 

techniques  (e.g.  lithography, microscale 3D printing…)  to build new  in vitro  skin models  in 

order to identify design rules for microneedle‐based sampling devices. 

Page 123: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

 

During the thesis project, the student will develop hands‐on experience in (micro)fabrication 

and will be stimulated to come up with creative, out‐of‐the‐box solutions. Depending on the 

project’s  requirements  and  in  agreement with  the  student’s  expertise,  the  project  can  be 

more bio‐ or technology‐oriented, or even with a more theoretical approach.   

For more information see www.biosensors.be and/or [email protected] 

 

 

Page 124: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Detection of carbon air‐pollutant nanoparticles using novel optical techniques. 

Promotor: Maarten Roeffaers 

Faculty/Research Group: CMACS 

Daily Supervision: Imran Aslam 

Type of work: Literature study, Experimental, Data analysis 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nanomaterials and nanochemistry  X 

Nanoelectronic design   

Nanodevices and nanophysics   

Bionanotechnology  X 

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.  

 

The aim of this thesis project is to further develop novel optical approaches for the detection 

of carbon air‐pollutant nanoparticles. Specifically, various methods for the collection of black 

carbon pollutants will be explored. Also, label free detection technique would be used to study 

the behavior of nanoparticles under pulsed laser illumination. As such, these advanced optical‐

based  approaches  will  play  an  important  role  in  future  health‐related  studies  where  the 

impact and role of BC particles  is to be assed. Hence, these studies would be a key step to 

understand the personalized exposure to air pollution for individual persons.   The student will 

Page 125: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

be trained 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. 

 

 

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

[email protected] 

 

Page 126: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Area‐selective deposition of metal‐organic framework nanocrystals 

Promotor: Rob Ameloot 

Co‐promoter: Silvia Armini 

Faculty/Research Group: Bioscience engineering / cMACS 

Daily Supervision: Mikhail Krishtab 

Type of work: Experimental 

Number of students: 1 

Specialisation Option  

Nano materials and nanochemistry x

Nano‐electronic design 

Nano devices and nanophysics 

Bio‐nanotechnology 

 

Description:  

Metal‐organic  frameworks  (MOFs)  are  a  rapidly  growing  class  of  microporous  crystalline 

coordination polymers that consist of metal ion nodes connected by multitopic organic linkers. 

Because  of  their  unique  properties,  including  ultrahigh  specific  surface  areas  and  a 

functionalizable pore interior, these materials have the potential to disrupt application areas 

such as catalysis, gas storage and molecular separations.  In addition to these  fields, where 

MOF powders are rapidly approaching commercial viability, there is tremendous potential for 

integrating MOFs into microelectronics, for example, in sensors, solid‐state batteries and on‐

chip interconnects.  

Today the mainstream approach for deposition of metal‐organic frameworks in research labs 

is based on solvothermal synthesis, which is not optimal for the preparation of high‐quality 

thin films or nanocrystal arrays required by the microelectronics industry. One essential step 

towards  the successful  integration of MOFs  into devices has been  the development of  the 

solvent‐free  (CVD)  MOF  deposition  approach  by  our  group.  The  method  consists  of  the 

conversion  of  metal/metal  oxide  into  MOF  in  the  presence  of  the  appropriate  vaporized 

organic  ligand.  This  thesis  project  aims  to  fabricate  MOF‐based  nanoscale  devices  by 

developing area‐selective bottom‐up MOF growth guided by patterned surface chemistry or 

lateral confinement.  

During  the  project,  you will  be  directly  involved  in  all  stages  of  the  experiment,  including 

surface  pre‐conditioning  (self‐assembly  monolayers,  plasma  treatment),  patterning, 

CVD/MLD  formation  of  MOF  films/nanocrystal  arrays  as  well  as  material  and  process 

Page 127: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

characterization.  Most  of  the  experimental  work  will  be  carried  out  using  the  Leuven 

Nanocentre cleanroom facilities).     

We  are  looking  for  a  highly motivated MSc  student  eager  to work  on  an  interdisciplinary 

research topic at the cross‐roads of material chemistry and surface science. The subject will 

only be awarded after a preceding face‐to‐face meeting. Good English writing and oral skills 

are  required. Please  take a  look at our group website  to get an overview of our  research: 

http://www.amelootgroup.org/  

If  you  have  any  questions  about  this  topic,  don’t  hesitate  to  contact  Mikhail  Krishtab 

([email protected]). 

Page 128: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Understanding Sliding Contacts at the Nanoscale Using Scalpel‐SPM 

Promotor: Marc Heyns (KULeuven), Kristof Paredis (imec) 

Faculty/Research Group: Materials and Components Analysis (imec) – Materials Engineering (KULeuven) 

Daily Supervision: Komal Pandey (imec), Kristof Paredis (imec) 

Type of work: Experimental (90%) – Data analysis (10%) 

Number of students: 1 

Specialisation Option  

Nano materials and nanochemistry x

Nano‐electronic design 

Nano devices and nanophysics 

Bio‐nanotechnology 

 

Description:  

The  recent  development  of  scalpel‐Scanning  Probe  Microscopy  (SPM)  has  paved  a  path  towards 

three‐dimensional (3D) tomography for obtaining relevant (piezo‐)electrical insight at nanoscale in 3 

dimensions.  This  approach  is  a  key  enabler  for  probing  novel  3D  devices  such  as  FinFETs  and 

Nanowires. The basic principle of  scalpel‐SPM  lies  in the nanoscale tip‐induced physical  removal of 

the material where  the  rate of  removal  is  controlled by  the applied  force on  the  cantilever. Other 

parameters  that  can  potentially  affect  the  quality  of  scanned  surface  for  a  tip‐sample  pair  are  tip 

geometry,  crystallographic  orientation,  process  conditions,  experimental  environment  etc. 

Understanding their impact becomes crucial for the future development and implementation of this 

scalpel  technique.  In  this  project  we  will  conduct  both  experimental  and  theoretical  studies  to 

fundamentally  understand  the wear mechanisms  governing  the material  erosion  at  the  nanoscale 

sliding contacts for various experimental conditions. 

 

During  the  internship  or  thesis,  the  student  will  independently  design  and  perform  dedicated 

experiments.  In  parallel,  some  simulations  will  be  run  to  correlate  the  SPM  measurements  with 

theoretical models. Consequently, the student will both be trained in AFM and simulation software, 

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 material 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  internship or thesis, the student will  leave 

with  knowledge  on, material  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 129: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Integrated active microfluidic components for Lab‐on‐chip application 

Promotor: Prof. Paul Heremans 

Faculty/Research Group: Department of Electrical Engineering (ESAT) 

Daily Supervision: Boshen Liang, David Cheyns 

Type of work: Internship, Thesis, Combination of internship and thesis 

Number of students: 2 

Specialisation Option    

Nano materials and nanochemistry  OK 

Nano‐electronic design  NO 

Nano devices and nanophysics  OK 

Bio‐nanotechnology  OK 

 

Description:  

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 two of the above challenges – fluid pumping and isolation – by 

developing an  integrated and efficient  system with micropumps and microvalve on  Imec’s 

microfluidic  platform.  The  developed  components  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®)  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 130: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Investigation of low temperature epi with high order precursors 

Promotor: Stefan De Gendt 

Faculty/Research Group: Faculty of Science / Molecular Design and Synthesis 

Daily Supervision: Andriy Hikavyy (imec) 

Type of work: Experimental 

Number of students: 1‐2 

Specialisation Option    

Nano materials and nanochemistry   

Nano‐electronic design   

Nano devices and nanophysics  X 

Bio‐nanotechnology   

 

Description:  

Nanosheet and nanowire‐based MOSFET devices (also called Gate‐All‐Around or GAA MOSFET) provide an 

optimal electrostatic control of carriers in the channel. They are expected to extend transistor scaling 

beyond the FinFET limits. GAA designs take advantage of a process flow relatively comparable to that of 

FinFETs. Vertical stacking of GAA channels allows to maximize the drive current for a given footprint on 

the wafer. However, these devices do not provide benefits in scaling the cell height. As an alternative, 

novel vertically stacked lateral nanosheet devices such as Complementary FET (CFETs) have been 

proposed. The new devices set special challenges on the conditions used for the epitaxy of the 

Source/Drain (S/D) contact layers. The S/D must be initiated on the nanosheet sidewalls. The growth then 

proceeds laterally instead of the common vertical [001] direction, which modifies the growth behaviour 

and the final layer properties. 

Imec reported breakthroughs in the low temperature epitaxy of various SiGe materials. The epilayers are 

grown by Reduced‐Pressure Chemical Vapor Deposition (RP‐CVD) with novel Si and Ge precursors. This 

enables far‐from‐thermodynamic‐equilibrium epitaxial growth, leading to higher active S/D doping 

concentrations at reduced thermal budgets. High levels of active doping are needed to reduce the contact 

resistance to the devices and improve their performance. In the current project, the candidate will study 

differences in epitaxial growth behaviour linked to modified device architectures. The orientation of the 

starting surface affects the growth rate, the final material composition and doping concentration. A 

special mask is available for this assessment. The final process evaluation will be done on real device 

structures with scaled dimensions. 

 

 

 

Page 131: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Modeling of a MOS‐like field‐effect transistor with a nanopore 

Promotor: Pol Van Dorpe 

Faculty/Research Group: imec/.../TCAD 

Daily Supervision: Anne Verhulst 

Type of work: modeling and simulation, analyzing semiconductor physics and fluid dynamics 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nano materials and nanochemistry   

Nano‐electronic design   

Nano devices and nanophysics  X 

Bio‐nanotechnology  X 

 

Description:  

The  continuous  evolution  of  the  metal‐oxide‐semiconductor  field  effect  transistors 

(MOSFETs)  since  the mid‐60s  has  enabled  ultra‐scaled  devices.  This  shrinking  of MOSFETs 

has  primarily  benefited  the  field  of  computing,  enabling  faster,  less  expensive  and  lower 

power devices. The nano‐scaling of MOSFETs is also expected to benefit the interdisciplinary 

field  of  bio‐sensing.  While  bio‐sensing  and  in  particular  DNA  sequencing  has  been  done 

successfully by ion current sensing through nanopores, the nanopore FET has been proposed 

as an alternative design. The detection of molecular motion through a nanopore with a FET 

is expected to solve multiple challenges, by offering dense integration and parallel sensing. 

In this master thesis, the student will investigate a MOSFET‐based device having a nanopore 

through  the  channel  of  the  FET.  The  nanopore  conducts  an  electrolyte  with  (charged) 

molecules  of  interest.  The  goal  of  this  challenging  project  is  that  the  student models  the 

electrical  behaviour  of  the  device,  and  that  he/she  optimizes  the  design  for  maximum 

sensitivity  of  the  electrical  characteristics  to  the molecular motion  through  the  nanopore. 

This master thesis will complement the ongoing research in fabricating the nanopore FET. 

For this master thesis, a good knowledge of semiconductor physics is required, as well as a 

basic  understanding  of  fluid  dynamics.  Simulations will  be  done with  an  existing  software 

package.  The  student  can  interact  with  both  semiconductor  device  experts  and  fluid 

dynamics  experts  at  imec. During  the master  thesis,  the  student will  also  learn  about  the 

fabrication  process  of  the  nanopore  FET  as  well  as  about  electrical  and  spectroscopic 

characterization techniques. 

Page 132: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

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

Promotor: Pol Van Dorpe 

Faculty/Research Group: Physics /Solid State Physics and Magnetism ‐ imec/Life Science Technologies 

Daily Supervision: Koen Martens 

Type of work: measurements, data analysis 

Number of students: 1 

Specialisation Option  

Nano materials and nanochemistry

Nano‐electronic design 

Nano devices and nanophysics  x

Bio‐nanotechnology  X

 

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, bioFETs and/or nanopore FETs, 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. 

Page 133: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Modelling magnonic interactions in layered chromium trihalides 

Promotor: Bart Soree  

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision: Sabyasachi Tiwari 

Type of work: Modelling 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nano materials and nanochemistry  X 

Nano‐electronic design   

Nano devices and nanophysics  X 

Bio‐nanotechnology   

 

Description: Moore's law has all but halted because scaling of transistors has led to reduced carrier mobility and diminished gate control with thinning of 3D materials, e.g. in extremely scaled  Si  transistors.  With  shrinking  device  size  and  the  advent  of  newer  computing architectures, the quest for novel materials, which can form the backbone of futuristic devices for conventional von‐Neumann computing architectures as well as unconventional computing architectures,  started  more  than  a  decade  ago.  Magnonic  devices,  which  use  the  quasi particles called magnons (spin‐excitations) to control the logic state of a device, are a result of this quest. An experimental magnonic device based on YIG (Yttrium iron garnet) has recently been demonstrated. However, serious gaps exist in the theoretical understanding of magnonic excitations and their controllability  for device applications. Further,  recent advances  in  the field of layered magnetic materials has led to the discovery of soft magnetic materials, e.g. Chromium iodide (CrI3), which are advantageous for spin‐based devices due to their magnetic softness.  Moreover,  these materials  have  certain  symmetry  properties  which  can  lead  to excitations with non‐trivial topological order.  In this work, student will model magnonic excitations in recently discovered layered magnetic materials, e.g. CrI3. Student will be using our in‐house code called MAGSIMpy for modelling the magnetic  interactions  using  DFT  an  then  using Monte‐Carlo  simulations  coupled  with linear/renormalized  spin‐wave  methods  to  study  the  transport  of  magnons  in  chromium trihalide  compounds.  The  outcome  of  this  project  will  be  a  comprehensive  study  of  the magnonic  transport  and  their  interaction with extraneous  fields,  e.g. magnetic  field  in  the chromium trihalide compounds.  

Page 134: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Modelling spin‐current polarization in topological insulators using magnetic defects/magnetic field. 

Promotor: Bart Soree  

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision: Sabyasachi Tiwari 

Type of work: Modeling 

Number of students: 1 

Specialisation Option  

Nano materials and nanochemistry X

Nano‐electronic design 

Nano devices and nanophysics  X

Bio‐nanotechnology 

 

Description: Moore's law has all but halted because scaling of transistors has led to reduced carrier mobility and diminished gate control with thinning of 3D materials, e.g. in extremely scaled  Si  transistors.  With  shrinking  device  size  and  the  advent  of  newer  computing architectures, the quest for novel materials, which can form the backbone of futuristic devices for conventional von‐Neumann computing architectures as well as unconventional computing architectures, started more than a decade ago. Topological insulators (TIs) open a plethora of opportunities  for  realising  a  fast,  energy‐efficient  futuristic  device.  One  such  avenue  of research using TIs focuses on using them in spintronic devices. Spintronic devices are devices in which the spin of electron is used for logic‐based computations. Due to spin‐momentum locking in TI edge states, there is a possibility of polarizing the edge state spin‐currents in TIs using magnetic defects. Such highly spin‐polarized current will open a door for realising a fast, energy‐efficient, spintronic device.  In this work, student will study the effect of magnetic defects on the spin‐current in 2D TIs using non‐equilibrium Green’s  function method  (NEGF). Student will be using our  in‐house NEGF code and will implement new models for modelling magnetic defects in TIs. The main outcome of this project will be to study the possibility of spin‐current‐polarisation in TIs and their possible use in spintronic devices.  

Page 135: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Towards topological spin‐caloritronics 

Promotor: Pascal Gehring (?)/Stefan de Gendth 

Faculty/Research Group: imec 

Daily Supervision: Pascal Gehring 

Type of work: Experimental 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nano materials and nanochemistry   

Nano‐electronic design   

Nano devices and nanophysics  x 

Bio‐nanotechnology   

 

Description:  

Over the last decade, a new field in solid‐state physics has captured the imagination of a 

range of scientific disciplines. Spin caloritronics, in which transport of spin and of heat are 

connected to each other, presents us with many fundamental questions, but also exciting 

practical prospects. Can spin caloritronics eventually help us turn waste heat into useful 

electricity at high efficiencies? 

This experimental master project aims at testing if the very high spin‐to‐charge conversion 

efficiency of topological insulators can be exploited to build efficient spin caloritronic 

devices. To this end, devices consisting of heterostructures of ferromagnets and topological 

insulators will be fabricated, and their electronic and thermoelectric properties will be 

studied over wide temperature ranges (300K ‐> 2K) and under high magnetic fields. 

The master student will acquire the following skills: 

•  Clean room skills (lithography, thin film deposition techniques) 

•  Thin film characterization techniques (atomic force microscopy, optical inspection, 

vibrating‐sample magnetometer) 

•  Device design 

•  Low noise electrical quantum transport experiments 

 

The master student should be familiar with the following concepts: 

•  Good knowledge about mesoscopic physics 

•  Ideally: knowledge about quantum transport experiments 

Page 136: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Modelling magnetic interactions in yttrium iron garnet (YIG) using DFT and 3D‐ Monte‐Carlo 

Promotor: Bart Soree  

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision: Sabyasachi Tiwari 

Type of work: Modeling 

Number of students: 1 

Specialisation Option  

Nano materials and nanochemistry X

Nano‐electronic design 

Nano devices and nanophysics  X

Bio‐nanotechnology 

 

Description: Moore's law has all but halted because scaling of transistors has led to reduced carrier mobility and diminished gate control with thinning of 3D materials, e.g. in extremely scaled  Si  transistors.  With  shrinking  device  size  and  the  advent  of  newer  computing architectures, the quest for novel materials, which can form the backbone of futuristic devices for conventional von‐Neumann computing architectures as well as unconventional computing architectures,  started  more  than  a  decade  ago.  Magnonic  devices,  which  use  the  quasi particles called magnons (spin‐excitations) to control the logic state of a device, are a result of this quest. An experimental magnonic device based on YIG (Yttrium iron garnet) has recently been  demonstrated.  However,  serious  gaps  exist  in  the  theoretical  understanding  of interactions  in YIG. Given that YIG is an alloy, modelling YIG using conventional methods  is hard. However, such materials can be modelled using an in‐house code developed by us called MAGSIMpy.  In this work, student will model YIG using MAGSIMpy. Student will be using MAGSIMpy for modelling  the magnetic  interactions  in YIG using DFT and then calculating  its ground state using 3D Monte‐Carlo method. Further, student will study the effect of external magnetic field on the critical temperature of YIG, and possible excitations.  

Page 137: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Characterization and statistical analysis of waveguide losses on a silicon nitride photonic platform 

Promotor: Pol Van Dorpe 

Faculty/Research Group: Physics /Solid State Physics and Magnetism ‐ imec/Life Science Technologies 

Daily Supervision: Pieter Neutens, Wim Van Roy 

Type of work: measurements, data analysis, statistical analysis 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nano materials and nanochemistry   

Nano‐electronic design   

Nano devices and nanophysics  x 

Bio‐nanotechnology   

 

Description:  

Silicon  nitride  photonic  waveguides  operating  at  visible  wavelengths  provide  a  great  platform  for 

sensing applications. In most waveguide‐based sensing demonstrators, the analyte solution or gas is 

brought into close proximity of the waveguide, such that it overlaps with the waveguide’s evanescent 

field. This allows detection schemes based on absorption, fluorescence and even Raman scattering. 

Several molecular  recognition  systems  have  been  demonstrated  in  literature,  for  example  glucose 

sensors  and  enzymatic  assays  on  waveguides.  For  real  life  applications,  we  need  to  increase  the 

sensitivity, reduce the limit of detection and improve the reproducibility of waveguide‐based sensing 

systems. To bring this technology to the next level, we need a detailed understanding of the origin of 

the  different  sources  of  waveguide  variability.  This  will  be  achieved  by  performing  a  systematic 

characterization of waveguides with different geometries and cladding materials and a consecutive 

statistical analysis of the obtained data. The master student will characterize different photonic test 

structures  tailored  towards various possible  sources of variability. The student will master handing 

photonics  wafers  and  learn  to  operate  an  automated  photonics  wafer  probe  station.  He/she  is 

responsible  for the full experimental characterization and  interpretation of  the relevant waveguide 

structures and will perform a thorough statistical analysis to find the causes of waveguide variability 

on a single die, from die‐to‐die and from wafer‐to‐wafer. 

 

Page 138: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

Thesis Title: Modelling passivated TIs using two‐band Hamiltonian 

Promotor: Bart Soree  

Faculty/Research Group:  

Daily Supervision: Sabyasachi Tiwari 

Type of work: Modeling 

Number of students: 1 

Specialisation Option    

Nano materials and nanochemistry  X 

Nano‐electronic design   

Nano devices and nanophysics  X 

Bio‐nanotechnology   

 

Description: Moore's law has all but halted because scaling of transistors has led to reduced carrier mobility and diminished gate control with thinning of 3D materials, e.g. in extremely scaled  Si  transistors.  With  shrinking  device  size  and  the  advent  of  newer  computing architectures, the quest for novel materials, which can form the backbone of futuristic devices for conventional von‐Neumann computing architectures as well as unconventional computing architectures, started more than a decade ago. Topological insulators (TIs) open a plethora of opportunities for realising a fast, energy‐efficient futuristic device. Realisation of devices using TIs requires understanding of their electronic structure correctly. However, serious gaps exist in the understanding of real TIs and their edge state interaction with environment.  TI band‐structure obtained from the ab‐initio density functional theory (DFT) codes differ significantly from the two‐band tight‐binding Hamiltonians, due to edge passivation.   In this work, student will study the effect of edge passivation on the electronic structure of 2D TIs. Student will be using in‐house codes to model the edge‐interaction of TIs. The outcome of this project will be a model tight‐binding Hamiltonian which can replicate the edge state dispersion of real TIs obtained from DFT.  

Page 139: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

   

Thesis Title: Fabrication of ionic liquid microstructures and thin films for technological applications  

Promotor: Rob Ameloot, Philippe Vereecken 

Faculty/Research Group: Bioscience engineering / cMACS  

Daily Supervision: Martin Obst  

Type of work: Experimental  

Number of students: 1  

Specialisation Option  

Nano materials and nanochemistry  x 

Nano‐electronic design 

Nano devices and nanophysics   

Bio‐nanotechnology   

 

Description: 

Ionic  liquids  (ILs)  are organic  salts with a melting point below 100  °C. They have attracted 

significant scientific interest due to their outstanding physical and chemical properties: a low 

vapour  pressure  and  flammability,  a  high  thermal  stability  and  heat  capacity,  ionic 

conductivity,  and  a  large  electrochemical  window.  Since  it  is  possible  to  fine‐tune  these 

properties by variation of  the  ions,  ILs  can be  readily  tailored  for a variety of applications. 

Examples  for  promising  upcoming  technological  applications  of  ILs  are  microbatteries, 

electrochemical  gas  sensors,  thin‐film  transistors,  microlenses,  lithographic  processing  of 

ionogels, and microelectromechanical systems (MEMS). 

For their integration with microelectronics, ILs need to be anchored to a surface in a defined, 

area‐specific manner. In this thesis, ionic liquid microstructures and thin films on surfaces and 

within porous materials will be fabricated by means of newly developed techniques by our 

laboratory. This challenge  includes the  formation of  IL patterns  (area‐selective deposition), 

the conformal coating of materials with a high relative surface, the filling of ILs into porous 

materials, and the generation of  IL microlenses. The student will be directly  involved  in the 

different steps of IL microstructure fabrication and characterization, which will be carried out 

at the Centre for Membrane Separation, Adsorption, Catalysis and Spectroscopy (cMACS) in 

the Leuven Chem&Tech and Nanocenter facilities. Next, the integration of these materials into 

industrial  applications  will  be  explored,  namely  electrochemical  sensing  and  thin  film 

batteries. This will be performed in close collaboration with imec (Prof. Philippe Vereecken). 

We are  looking for a creative, highly motivated master student who is eager to work on an 

interdisciplinary research topic at the interface of materials chemistry, organic chemistry, and 

device  fabrication.  No  specific  prior  knowledge  about  ionic  liquids  is  required,  but  basic 

knowledge of organic chemistry is necessary. Accuracy, conscientiousness, and the curiosity 

Page 140: Master Nanoscience and Nanotechnology...Photovoltaics (PV) is the fastest growing electrical energy generation source in the world. The cumulative installed capacity of PV has already

  Master Nanoscience and Nanotechnology 

to discover new disciplines and acquire new skills are basic requirements. The subject will only 

be awarded after a preceding face‐to‐face meeting. Please have a look at our group website 

to get an overview of our research (http://www.amelootgroup.org/).  If you have questions 

about this topic, please contact Martin Obst ([email protected]).