Late Transition Metal and Aluminum Complexes for the Polymerization of Ethene and Acrylates

Polyethene, polyacrylates and polymethyl acrylates are versatile materials that find wide variety of applications in several areas. Therefore, polymerization of ethene, acrylates and methacrylates has achieved a lot attention during past years. Numbers of metal catalysts have been introduced in order to control the polymerization and to produce tailored polymer structures. Herein an overview on the possible polymerization pathways for ethene, acrylates and methacrylates is presented. In this thesis iron(II) and cobalt(II) complexes bearing tri- and tetradentate nitrogen ligands were synthesized and studied in the polymerization of tertbutyl acrylate (tBA) and methyl methacrylate (MMA). Complexes are activated with methylaluminoxane (MAO) before they form active combinations for polymerization reactions. The effect of reaction conditions, i.e. monomer concentration, reaction time, temperature, MAO to metal ratio, on activity and polymer properties were investigated. The described polymerization system enables mild reaction conditions, the possibility to tailor molar mass of the produced polymers and provides good control over the polymerization. Moreover, the polymerization of MMA in the presence of iron(II) complex with tetradentate nitrogen ligands under conditions of atom transfer radical polymerization (ATRP) was studied. Several manganese(II) complexes were studied in the ethene polymerization with combinatorial methods and new active catalysts were found. These complexes were also studied in acrylate and methacrylate polymerizations after MAO activation and converted into the corresponding alkyl (methyl or benzyl) derivatives. Combinatorial methods were introduced to discover aluminum alkyl complexes for the polymerization of acrylates and methacrylates. Various combinations of aluminum alkyls and ligands, including phosphines, salicylaldimines and nitrogen donor ligands, were prepared in situ and utilized to initiate the polymerization of tBA. Phosphine ligands were found to be the most active and the polymerization MMA was studied with these active combinations. In addition, a plausible polymerization mechanism for MMA based on ESI-MS, 1H and 13C NMR is proposed.

Chemical characteristics and behaviour of sediment phosphorus in the northeastern Baltic Sea.

Chemical characteristics and behaviour of sediment phosphorus in the northeastern Baltic Sea Eutrophication is a severe environmental problem in the Baltic Sea, especially in the Gulf of Finland and the Archipelago Sea, and it is enhanced by the release of phosphorus (P) from bottom sediments. The release of P from sediment reserves largely depends on the occurrence of P in different chemical forms and on the prevailing conditions, especially on the presence of oxygen. This study examines the chemical character and the vertical distribution of sediment P in two shallow estuaries, in shallow coastal sediments overlain by oxic near-bottom water, and in poorly oxygenated open sea sediments in the northeastern Baltic Sea. The objective was to evaluate how much of the sediment P is buried and removed from the nutrient cycle, and how much of it is in forms that can be released from the sediment to the overlaying water over time. Relationships between the distribution of the different P forms and the chemical and physical properties of the sediment, sediment pore water, and near-bottom water were determined in order to examine the behaviour of P at the sediment-water interface. The results show that the chemical character of sediment P varied in the different areas. Generally, in the outer estuaries and in the organic-rich coastal areas in the eastern Gulf of Finland, the sediments were higher in P than the sediments in the poorly oxygenated open sea areas in the central and western Gulf. The estuary sediments that received erosion-transported material were characterised by P bound to hydrated oxides of iron and aluminum. Iron-bound P is sensitive to changes in redox-conditions, but part of it was buried in the estuaries, possibly because of high sedimentation rates and incomplete reduction of iron. The open sea sediments in the central and western Gulf of Finland were dominated by apatite-P, which was also abundant in the areas strongly affected by sediment transportation. The burial of sediment P was most effective in the areas rich in apatite-P, which is a relatively stable form of P in sediment. In the eastern Gulf of Finland, organic P forms predominated in the organic-rich sediments. A part of these P forms will be buried, while part will be degraded in the long term, releasing soluble P to the pore water. In the poorly oxygenated areas, iron compounds at the sediment surface are not able to retain P released during mineralisation of organic matter or reduction-induced dissolution of iron-compounds in deep sediment layers. However, in the shallow coastal areas overlain by oxic near-bottom water, the organic-rich surface sediment can also become temporarily reduced and release P from the sediment to the overlaying water. The considerable variation in the chemical composition of sediment P reserves in the northeastern Baltic Sea proved that it is an important factor and should be taken into account when evaluating the release of sediment P and the role of P reserves in bottom sediments in eutrophication.

Microbial life and deposits in paper machine circuits

Väitöskirjani käsittele mikrobien ja erilaisten kemikaalien rooleja saostumien ja biofilmien muodostumisessa paperi- ja kartonkikoneilla. "Saostuma" tässä työssä tarkoittaa kiinteän aineen kertymää konepinnoille tai rajapinnoille konekierroissa, jotka on tarkoitettu massasulppujen, lietteiden, vesien tai ilman kuljetukseen. Saostumasta tulee "biofilmi" silloin kun sen oleellinen rakennekomponentti on mikrobisolut tai niiden tuotteet. Väitöstyöni työhypoteesina oli, että i. tietämys saostumien koostumuksesta, sekä ii. niiden rakenteesta, biologisista, fysikaalis-kemiallisista ja teknisistä ominaisuuksista ohjaavat tutkijaa löytämään ympäristöä säästäviä keinoja estää epätoivottujen saostumien muodostus tai purkaa jo muodostuneita saostumia. Selvittääkseni saostumien koostumista ja rakennetta käytin monia erilaisia analytiikan työkaluja, kuten elektronimikroskopiaa, konfokaali-laser mikroskopiaa (CLSM), energiadispersiivistä röntgenanalyysiä (EDX), pyrolyysi kaasukromatografiaa yhdistettynä massaspektrometriaan (Py-GCMS), joninvaihtokromatografiaa, kaasukromatografiaa ja mikrobiologisia analyysejä. Osallistuin aktiivisesti innovatiivisen, valon takaisinsirontaan perustuvan sensorin kehittämistyöhön, käytettäväksi biofilmin kasvun mittaukseen suoraan koneen vesikierroista ja säiliöistä. Työni osoitti, että monet paperinvalmistuksessa käytetyistä kemikaaleista reagoivat keskenään tuottaen orgaanisia tahmakerroksia konekiertojen teräspinnoille. Löysin myös kerrostumia, jotka valomikroskooppisessa tarkastelussa oli tulkittu mikrobeiksi, mutta jotka elektronimikroskopia paljasti alunasta syntyneiksi, alumiinihydroksidiksi joka saostui pH:ssa 6,8 kiertokuitua käyttävän koneen viiravesistä. Monet paperintekijät käyttävät vieläkin alunaa kiinnitysaineena vaikka prosessiolot ovat muuttuneet happamista neutraaleiksi. Sitä pidetään paperitekijän "aspiriinina", mutta väitöstutkimukseni osoitti sen riskit. Löysin myös orgaanisia saostumia, joiden alkuperä oli aineiden, kuten pihkan, saippuoituminen (kalsium saippuat) niin että muodostui tahmankasvua ylläpitävä alusta monilla paperi- ja kartonkikoneilla. Näin solumuodoiltaan Deinococcus geothermalista muistuttavia bakteereita kasvamassa lujasti teräskoepalojen pintaan kiinnittyneinä pesäkkeinä, kun koepaloja upotettiin paperikoneiden vesikiertoihin. Nämä deinokokkimaiset pesäkkeet voivat toimia jalustana, tarttumisalustana muiden mikrobien massoille, joka selittäisi miksi saostumat yleisesti sisältävät deinokokkeja pienenä, muttei koskaan pääasiallisena rakenneosana. Kun paperikoneiden käyttämien vesien (raakavedet, lämminvesi, biologisesti puhdistettu jätevesi) laatua tutkitaan, mittausmenetelmällä on suuri merkitys. Koepalan upotusmenetelmällä todettu biofilmikasvu ja viljelmenetelmällä mitattu bakteerisaastuneisuus korreloivat toisiinsa huonosti etenkin silloin kun likaantumisessa oli mukana rihmamaiseti kasvavia bakteereja. Huoli ympäristöstä on pakottanut paperi- ja kartonkikoneiden vesikiertojen sulkemiseen. Vesien kierrätys ja prosessivesien uudelleenkäyttö nostavat prosessilämpötilaa ja lisäävät koneella kiertävien kolloidisten ja liuenneiden aineiden määriä. Tutkin kiertovesien pitoisuuksia kolmessa eriasteisesti suljetussa tehtaassa, joiden päästöt olivat 0 m3, 0,5 m3 ja 4 m3 jätevettä tuotetonnia kohden, perustuen puhdistetun jäteveden uudelleen käyttöön. Nollapäästöisellä tehtaalla kiertovesiin kertyi paljon orgaanisesti sidottua hiiltä (> 10 g L-1), etenkin haihtuvina happoina (maito-, etikka-, propioni- ja voi-). Myös sulfaatteja, klorideja, natriumia ja kalsiumia kertyi paljon, > 1 g L-1 kutakin. Pääosa (>40%) kaikista bakteereista oli 16S rRNA geenisekvenssianalyysien tulosten perusteella sukua, joskin etäistä (< 96%) ainoastaan Enterococcus cecorum bakteerille. 4 m3 päästävältä tehtaalta löytyi lisäksi Bacillus thermoamylovorans ja Bacillus coagulans. Tehtaiden saostumat sisälsivät arkkeja suurina pitoisuuksina, ≥ 108 g-1, mutta tunnistukseen riittävää sekvenssisamanlaisuutta löytyi vain yhteen arkkisukuun, Methanothrix. Tutkimustulokset osoittivat että tehtaan vesikiertojen sulkeminen vähensi rajusti mikrobiston monimuotoisuutta, muttei estänyt liuenneen aineen ja kiintoaineen mineralisoitumista.

Copper Diffusion Barrier Deposition on Integrated Circuit Devices by Atomic Layer Deposition Technique

Transfer from aluminum to copper metallization and decreasing feature size of integrated circuit devices generated a need for new diffusion barrier process. Copper metallization comprised entirely new process flow with new materials such as low-k insulators and etch stoppers, which made the diffusion barrier integration demanding. Atomic Layer Deposition technique was seen as one of the most promising techniques to deposit copper diffusion barrier for future devices. Atomic Layer Deposition technique was utilized to deposit titanium nitride, tungsten nitride, and tungsten nitride carbide diffusion barriers. Titanium nitride was deposited with a conventional process, and also with new in situ reduction process where titanium metal was used as a reducing agent. Tungsten nitride was deposited with a well-known process from tungsten hexafluoride and ammonia, but tungsten nitride carbide as a new material required a new process chemistry. In addition to material properties, the process integration for the copper metallization was studied making compatibility experiments on different surface materials. Based on these studies, titanium nitride and tungsten nitride processes were found to be incompatible with copper metal. However, tungsten nitride carbide film was compatible with copper and exhibited the most promising properties to be integrated for the copper metallization scheme. The process scale-up on 300 mm wafer comprised extensive film uniformity studies, which improved understanding of non-uniformity sources of the ALD growth and the process-specific requirements for the ALD reactor design. Based on these studies, it was discovered that the TiN process from titanium tetrachloride and ammonia required the reactor design of perpendicular flow for successful scale-up. The copper metallization scheme also includes process steps of the copper oxide reduction prior to the barrier deposition and the copper seed deposition prior to the copper metal deposition. Easy and simple copper oxide reduction process was developed, where the substrate was exposed gaseous reducing agent under vacuum and at elevated temperature. Because the reduction was observed efficient enough to reduce thick copper oxide film, the process was considered also as an alternative method to make the copper seed film via copper oxide reduction.

Studies of electronic structure by x-ray Raman and emission spectroscopy: applications to MgB2 superconductors and high pressure physics

X-ray Raman scattering and x-ray emission spectroscopies were used to study the electronic properties and phase transitions in several condensed matter systems. The experimental work, carried out at the European Synchrotron Radiation Facility, was complemented by theoretical calculations of the x-ray spectra and of the electronic structure. The electronic structure of MgB2 at the Fermi level is dominated by the boron σ and π bands. The high density of states provided by these bands is the key feature of the electronic structure contributing to the high critical temperature of superconductivity in MgB2. The electronic structure of MgB2 can be modified by atomic substitutions, which introduce extra electrons or holes into the bands. X ray Raman scattering was used to probe the interesting σ and π band hole states in pure and aluminum substituted MgB2. A method for determining the final state density of electron states from experimental x-ray Raman scattering spectra was examined and applied to the experimental data on both pure MgB2 and on Mg(0.83)Al(0.17)B2. The extracted final state density of electron states for the pure and aluminum substituted samples revealed clear substitution induced changes in the σ and π bands. The experimental work was supported by theoretical calculations of the electronic structure and x-ray Raman spectra. X-ray emission at the metal Kβ line was applied to the studies of pressure and temperature induced spin state transitions in transition metal oxides. The experimental studies were complemented by cluster multiplet calculations of the electronic structure and emission spectra. In LaCoO3 evidence for the appearance of an intermediate spin state was found and the presence of a pressure induced spin transition was confirmed. Pressure induced changes in the electronic structure of transition metal monoxides were studied experimentally and were analyzed using the cluster multiplet approach. The effects of hybridization, bandwidth and crystal field splitting in stabilizing the high pressure spin state were discussed. Emission spectroscopy at the Kβ line was also applied to FeCO3 and a pressure induced iron spin state transition was discovered.

Onttojen puiden lahopuukovakuoriaiset — kolmen pyydystyypin vertailu

Vanhat ja ontot puut ovat tärkeä elinympäristö monelle lahopuusta riippuvaiselle eliölajille. Onttoihin puihin on erikoistunut suuri määrä myös vaarantuneita ja harvinaisia hyönteislajeja, jotka elävät puun onkalon seinämillä tai onkalon pohjalle kerääntyvässä orgaanisessa aineksessa, ns. mulmissa. Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää, mikä kolmesta pyydystyypistä (ikkuna-, vuoka- ja kuoppapyydys) soveltuu parhaiten onttojen puiden lahopuukovakuoriaisten pyyntiin. Lisäksi tavoitteena oli kartoittaa hyönteisnäytteiden ensimmäiseen laboratoriokäsittelyyn vaadittua aikaa. Tutkimuksessa oli mukana vanhoja rungostaan onttoutuneita lehmuksia, tammia ja vaahteroita pääkaupunkiseudun puisto- ja kartanoalueilta. Puiden onkaloiden sisään aseteltiin ikkuna-, vuoka- ja kuoppapyydyksiä, kaksi kutakin tyyppiä ja ne tyhjennettiin kolmen viikon välein touko-heinäkuussa 2006. Pyydyksiä oli siis yhteensä 90 per pyyntijakso. Kun näytteistä eroteltiin halutut hyönteislahkot (mukaanlukien kovakuoriaiset) niiden käsittelyyn käytetty aika kirjattiin ylös. Aineistosta tunnistettiin yhteensä 3825 kovakuoriaisyksilöä ja 212 lajia, joista lahopuusta riippuvaisia oli yhteensä 3398 yksilöä ja 121 lajia. Ikkunapyydyksissä esiintyi yhteensä 1639 yksilöä ja 140 lajia, vuokapyydyksissä 1506 yksilöä ja 134 lajia, kuoppapyydyksissä 680 yksilöä ja 111 lajia. Näytteiden käsittelyaikojen keskiarvot olivat 48,3 minuuttia ikkunapyydykselle, 65,5 minuuttia vuokapyydykselle ja 34,1 kuoppapyydykselle. Lajistokoostumuksen huomioiva ?-diversiteetti erosi huomattavasti pyydysten välillä, se oli 36,5 % ikkuna- ja vuokapyydysten välillä, 13,1 % ikkuna- ja kuoppapyydysten välillä ja 14,2 % vuoka- ja kuoppapyydysten välillä. Ikkuna- ja vuokapyydysten välillä ei havaittu tilastollisesti merkitsevää eroa saproksyylilajien (p<0,05), -yksilöiden (p<0,05) tai käsittelyaikojen (p<0,05) keskiarvoissa. Ikkuna- ja vuokapyydyksillä saatiin keskimäärin selvästi enemmän saproksyylilajeja ja –yksilöitä kuoppapyydykseen verrattuna. Kuoppapyydyksellä saatiin kokonaisyksilömäärään verrattuna suhteellisesti vähemmän saproksyylejä (59 %) kuin ikkuna- (69 %) ja vuokapyydyksillä (71 %). Ikkunapyydykset olivat tehokkain pyydystyyppi vertailtaessa pyydysten keräämää saproksyyliyksilömäärää suhteessa aineiston käsittelyn vaatimaan aikaan. Tehokkuus (yksilöä minuutissa) ikkunapyydykselle oli 0,74, vuokapyydykselle 0,43 ja kuoppapyydykselle 0,21. Ikkunapyydyksiä ei ole aikaisemmin käytetty puun onkalon sisällä hyönteisiä pyydettäessä vaan ne ovat aikaisemmissa tutkimuksissa roikkuneet onkalon ulkopuolella. Ikkunapyydykset kuitenkin toimivat erinomaisesti myös onkaloiden sisällä. Ikkuna- sekä vuokapyydys toimivatkin selkeästi paremmin lahopuukovakuoriaisten pyynnissä verrattuna kuoppapyydykseen, jonka poisjättäminen olisi kuitenkin tuottanut huomattavasti lajiköyhemmän aineiston. Mahdollisimman monimuotoisen onttojen puiden lahopuukovakuoriaislajiston keräämiseksi tulisi käyttää ikkuna- tai vuokapyydyksiä yhdessä kuoppapyydysten kanssa.