Tuning the functional properties of Silicon Carbide Thin Film and Nanowires

The present thesis has been devoted to the synthesis and investigation of functional properties of silicon carbide thin films and nanowires. The work took profit from the experience of the research group in the synthesis of 3C-SiC from vapour phase. 3C-SiC thin films Thin films heteroepitaxy on silicon substrates was carried out in a vapour phase epitaxy reactor. The initial efforts were committed to the process development in order to enhance the crystal quality of the epi-layer. The carbonization process and a buffer layer procedure were optimized in order to obtain good quality monocrystalline 3C-SiC layers. The films characterization was used not only to improve the entire process, but also to assess the crystalline quality and to identify the defects. Methyltrichlorosilane (MTS) was introduced during the synthesis to increase the growth rate and enhance crystalline quality. The effect of synthesis parameters such as MTS flow and process temperature was studied in order to promote defect density reduction and the release of the strain due to lattice mismatch between 3C-SiC and silicon substrate. In-growth n-type doping was implemented using a nitrogen gas line and the effect of different synthesis parameters on doping level was studied. Raman measurements allowed a contactless characterization and evaluation of electrically active dopant. The effect of MTS on nitrogen incorporation was investigated and a promotion of dopant concentration together with a higher growth rate were demonstrated. This result allows to obtain higher doping concentrations without deteriorating crystal quality in 3C-SiC and, to the best of our knowledge, it has never been demonstrated before. 3C-SiC nanowires Core-shell SiC-SiO2 nanowires were synthesized using a chemical vapour deposition technique in an open tube configuration reactor on silicon substrates. Metal catalyst were used to promote a uniaxial growth and a dense bundle of nanowires 100 µm long and 60 nm thick was obtained. Substrate preparation was found to be fundamental in order to obtain a uniform nanowire density. Morphological characterization was carried out using scanning electron microscopy and the analysis of structural, compositional, optical properties is reported.

Intermolecular and Intramolecular Charge Transfer in Functional Molecular Materials

This thesis is devoted to the investigation of inter and intramolecular charge transfer (CT) in molecular functional materials and specifically organic dyes and CT crystals. An integrated approach encompassing quantum-chemical calculations, semiempirical tools, theoretical models and spectroscopic measurements is applied to understand structure-property relationships governing the low-energy physics of these materials. Four main topics were addressed: 1) Spectral properties of organic dyes. Charge-transfer dyes are constituted by electron donor (D) and electron acceptor (A) units linked through bridge(s) to form molecules with different symmetry and dimensionality. Their low-energy physics is governed by the charge resonance between D and A groups and is effectively described by a family of parametric Hamiltonians known as essential-state models. These models account for few electronic states, corresponding to the main resonance structures of the relevant dye, leading to a simple picture that is completed introducing the coupling of the electronic system to molecular vibrations, treated in a non-adiabatic way, and an effective classical coordinate, describing polar solvation. In this work a specific essential-state model was proposed and parametrized for the dye Brilliant Green. The central issue in this work has been the definition of the diabatic states, a not trivial task for a multi-branched chromophore. In a second effort, we have used essential-state models for the description of the early-stage dynamics of excited states after ultrafast excitation. Crucial to this work is the fully non-adiabatic treatment of the coupled electronic and vibrational motion, allowing for a reliable description of the dynamics of systems showing a multistable, broken-symmetry excited state. 2) Mixed-stack CT salts. Mixed-stack (MS) CT crystals are an interesting class of multifunctional molecular materials, where D and A molecules arrange themselves to form stacks, leading to delocalized electrons in one dimension. The interplay between the intermolecular CT, electrostatic interactions, lattice phonons and molecular vibrations leads to intriguing physical properties that include (photoinduced) phase transitions, multistability, antiferromagnetism, ferroelectricity and potential multiferroicity. The standard microscopic model to describe this family of materials is the Modified Hubbard model accounting for electron-phonon coupling (Peierls coupling), electron-molecular vibrations coupling (Holstein coupling) and electrostatic interactions. We adopt and validate a method, based on DFT calculations on dimeric DA structures, to extract relevant model parameters. The approach offers a powerful tool to shed light on the complex physics of MS-CT salts. 3) Charge transfer in organic radical dipolar dyes. In collaboration with the group of Prof. Jaume Veciana (ICMAB- Barcellona), we have studied spectral properties of a special class of CT dyes with D-bridge-A structure where the acceptor group is a stable radical (of the perchlorotriphenylmethyl, PTM, family), leading to an open-shell CT dyes. These materials are of interest since they associate the electronic and optical properties of CT dyes with magnetic properties from the unpaired electron. The first effort was devoted to the parametrization of the relevant essential-state model. Two strategies were adopted, one based on the calculation of the low-energy spectral properties, the other based on the variation of ground state properties with an applied electric field. 4) The spectral properties of organic nanoparticles based on radical species are investigated in collaboration with Dr. I. Ratera (ICMAB- Barcellona). Intriguing spectroscopic behavior was observed pointing to the presence of excimer states. In an attempt to rationalize these findings, extensive calculations (TD-DFT and ZINDO) were performed. The results for the isolated dyes are validated against experimental spectra in solution. To address intermolecular interactions we studied dimeric structures in the gas phase, but the preliminary results obtained do not support excimer formation.

Investigation on Heart Rate Variability (HRV) and psycho-social-affective adjustment in Italian women with ovarian cancer

INTRODUZIONE: L’integrazione mente-corpo applicata ad un ambito patologico predominante in questi tempi, come il cancro, è il nucleo di questa tesi. Il background teorico entro cui è inserita, è quello della Psiconeuroendocrinoimmunologia (Bottaccioli, 1995) e Psico-Oncologia. Sono state identificate, nella letteratura scientifica, le connessioni tra stati psicologici (mente) e condizioni fisiologiche (corpo). Le variabili emerse come potenzialmente protettive in pazienti che si trovano ad affrontare il cancro sono: il supporto sociale, l’immagine corporea, il coping e la Qualità della Vita, insieme all’indice fisiologico Heart Rate Variability (HRV; Shaffer & Venner, 2013). Il potenziale meccanismo della connessione tra queste variabili potrebbe essere spiegato dall’azione del Nervo Vago, come esposto nella Teoria Polivagale di Stephen Porges (2007; 2009). OBIETTIVI: Gli obiettivi principali di questo studio sono: 1. Valutare l’adattamento psicologico alla patologia in termini di supporto sociale percepito, immagine corporea, coping prevalente e qualità della vita in donne con cancro ovarico; 2. Valutare i valori di base HRV in queste donne; 3. Osservare se livelli più elevati di HRV sono associati ad un migliore adattamento psicologico alla patologia; 4. Osservare se una peggiore percezione dell’immagine corporea e l’utilizzo di strategie di coping disadattive sono associate ad una Qualità della Vita più scarsa. METODO: 38 donne affette da cancro ovarico, al momento della valutazione libere da patologia, sono state reclutate presso la clinica oncologica del reparto di Ginecologia dell’Azienda Ospedaliero-Universitaria di Parma, Italia. Ad ogni partecipante è stato chiesto di compilare una batteria di test composta da: MSPSS, per la valutazione del supporto sociale percepito; DAS-59, per la valutazione dell’immagine corporea; MAC, per la valutazione delle strategie di coping prevalenti utilizzate verso il cancro; EORTC-QLQ30, per la valutazione della Qualità della Vita. Per ogni partecipante è stato registrato HRV di base utilizzando lo strumento emWave (HeartMath). RISULTATI PRINCIPALI: Rispondendo agli obiettivi 1 e 2, in queste donne si è rilevato una alto tasso di supporto sociale percepito, in particolare ricevuto dalla persona di riferimento. L’area rivelatasi più critica nel supporto sociale è quella degli amici. Per quanto riguarda l’immagine corporea, la porzione di campione dai 30 ai 61 anni, ha delle preoccupazioni globali legate all’immagine corporea paragonabili ai dati provenienti dalla popolazione generale con preoccupazioni riguardo l’aspetto corporeo. Invece, nella porzione di campione dai 61 anni in su, il pattern di disagio verso l’aspetto fisico sembra decisamente peggiorare. Inoltre, in questo campione, si è rilevato un disagio globale verso l’immagine corporea significativamente più alto rispetto ai valori normativi presenti in letteratura riferiti a donne con cancro al seno con o senza mastectomia (rispettivamente t(94)= -4.78; p<0.000001; t(110)= -6.81;p<0.000001). La strategia di coping più utilizzata da queste donne è lo spirito combattivo, seguito dal fatalismo. Questo campione riporta, inoltre, una Qualità della Vita complessivamente soddisfacente, con un buon livello di funzionamento sociale. L’area di funzionalità più critica risulta essere il funzionamento emotivo. Considerando i sintomi prevalenti, i più riferiti sono affaticamento, disturbi del sonno e dolore. Per definire, invece, il pattern HRV, sono stati confrontati i dati del campione con quelli presenti in letteratura, riguardanti donne con cancro ovarico. Il campione valutato in questo studio, ha un HRV SDNN (Me=28.2ms) significativamente più alto dell’altro gruppo. Tuttavia, confrontando il valore medio di questo campione con i dati normativi sulla popolazione sana (Me=50ms), i nostri valori risultano drasticamente più bassi. In ultimo, donne che hanno ricevuto diagnosi di cancro ovarico in età fertile, sembrano avere maggiore HRV, migliore funzionamento emotivo e minore sintomatologia rispetto alle donne che hanno ricevuto diagnosi non in età fertile. Focalizzando l’attenzione sulla ricerca di relazioni significative tra le variabili in esame (obiettivo 3 e 4) sono state trovate numerose correlazioni significative tra: l’età e HRV, supporto percepito , Qualità della Vita; Qualità della Vita e immagine corporea, supporto sociale, strategie di coping; strategie di coping e immagine corporea, supporto sociale; immagine corporea e supporto sociale; HRV e supporto sociale, Qualità della Vita. Per verificare la possibile connessione causale tra le variabili considerate, sono state applicate regressioni lineari semplici e multiple per verificare la bontà del modello teorico. Si è rilevato che HRV è significativamente positivamente influenzata dal supporto percepito dalla figura di riferimento, dal funzionamento di ruolo, dall’immagine corporea totale. Invece risulta negativamente influenzata dal supporto percepito dagli amici e dall’uso di strategie di coping evitanti . La qualità della vita è positivamente influenzata da: l’immagine corporea globale e l’utilizzo del fatalismo come strategia di coping prevalente. Il funzionamento emotivo è influenzato dal supporto percepito dalla figura di riferimento e dal fatalismo. DISCUSSIONI E CONCLUSIONI: Il campione Italiano valutato, sembra essere a metà strada nell’adattamento dello stato psicologico e dell’equilibrio neurovegetativo al cancro. Sicuramente queste donne vivono una vita accettabile, in quanto sopravvissute al cancro, ma sembra anche che portino con sé preoccupazioni e difficoltà, in particolare legate all’accettazione della loro condizione di sopravvissute. Infatti, il migliore adattamento si riscontra nelle donne che hanno avuto peggiori condizioni in partenza: stadio del cancro avanzato, più giovani, con diagnosi ricevuta in età fertile. Pertanto, è possibile suggerire che queste condizioni critiche forzino queste donne ad affrontare apertamente il cancro e la loro situazione di sopravvissute al cancro, portandole ad “andare avanti” piuttosto che “tornare indietro”. Facendo riferimento alle connessioni tra variabili psicologiche e fisiologiche in queste donne, si è evidenziato che HRV è influenzata dalla presenza di figure significative ma, in particolare, è presumibile che sia influenzata da un’appropriata condivisione emotiva con queste figure. Si è anche evidenziato che poter continuare ad essere efficaci nel proprio contesto personale si riflette in un maggiore HRV, probabilmente in quanto permette di preservare il senso di sé, riducendo in questo modo lo stress derivante dall’esperienza cancro. Pertanto, HRV in queste donne risulta associato con un migliore adattamento psicologico. Inoltre, si è evidenziato che in queste donne la Qualità della Vita è profondamente influenzata dalla percezione dell’immagine corporea. Si tratta di un aspetto innovativo che è stato rilevato in questo campione e che, invece, nei precedenti studi non è stato indagato. In ultimo, la strategia di coping fatalismo sembra essere protettiva e sembra facilitare il processo di accettazione del cancro. Si spera sinceramente che le ricerche future possano superare i limiti del presente studio, come la scarsa numerosità e l’uso di strumenti di valutazione che, per alcuni aspetti come la scala Evitamento nel MAC, non centrano totalmente il target di indagine. Le traiettorie future di questo studio sono: aumentare il numero di osservazioni, reclutando donne in diversi centri specialistici in diverse zone d’Italia; utilizzare strumenti più specifici per valutare i costrutti in esame; valutare se un intervento di supporto centrato sul miglioramento di HRV (come HRV Biofeedback) può avere una ricaduta positiva sull’adattamento emotivo e la Qualità della Vita.

Synthesis and Characterisation of Functional Magnetic and Plasmonic Nanomaterials

The main aim of this thesis is the controlled and reproducible synthesis of functional materials at the nanoscale. In the first chapter, a tuning of morphology and magnetic properties of magnetite nanoparticles is presented. It was achieved by an innovative approach, which involves the use of an organic macrocycle (calixarene) to induce the oriented aggregation of NPs during the synthesis. This method is potentially applicable to the preparation of other metal oxide NPs by thermal decomposition of the respective precursors. Products obtained, in particular the multi-core nanoparticles, show remarkable magnetic and colloidal properties, making them very interesting for biomedical applications. The synthesis and functionalisation of plasmonic Au and Ag nanoparticles is presented in the second chapter. Here, a supramolecular approach was exploited to achieve a controlled and potentially reversible aggregation between Au and Ag NPs. This aggregation phenomena was followed by UV - visible spectroscopy and dynamic light scattering. In the final chapters, the conjugation of plasmonic and magnetic functionalities was tackled through the preparation of dimeric nanostructures. Au - Fe oxide heterodimeric nanoparticles were prepared and their magnetic properties thoroughly characterised. The results demonstrate the formation of FeO (wustite), together with magnetite, during the thermal decomposition of the iron precursor. By an oxidation process that preserves Au in the dimeric structures, wustite completely disappeared, with the formation of either magnetite and / or maghemite, much better from the magnetic point of view. The plasmon resonance of Au results damped by the presence of the iron oxide, a material with high refractive index, but it is still present if the Au domain of the nanoparticles is exposed towards the bulk. Finally, remarkable hyperthermia, also in vitro, was found for these structures.