Irradiation-mediated tailoring of carbon nanotubes

The ever-increasing demand for faster computers in various areas, ranging from entertaining electronics to computational science, is pushing the semiconductor industry towards its limits on decreasing the sizes of electronic devices based on conventional materials. According to the famous law by Gordon E. Moore, a co-founder of the world s largest semiconductor company Intel, the transistor sizes should decrease to the atomic level during the next few decades to maintain the present rate of increase in the computational power. As leakage currents become a problem for traditional silicon-based devices already at sizes in the nanometer scale, an approach other than further miniaturization is needed to accomplish the needs of the future electronics. A relatively recently proposed possibility for further progress in electronics is to replace silicon with carbon, another element from the same group in the periodic table. Carbon is an especially interesting material for nanometer-sized devices because it forms naturally different nanostructures. Furthermore, some of these structures have unique properties. The most widely suggested allotrope of carbon to be used for electronics is a tubular molecule having an atomic structure resembling that of graphite. These carbon nanotubes are popular both among scientists and in industry because of a wide list of exciting properties. For example, carbon nanotubes are electronically unique and have uncommonly high strength versus mass ratio, which have resulted in a multitude of proposed applications in several fields. In fact, due to some remaining difficulties regarding large-scale production of nanotube-based electronic devices, fields other than electronics have been faster to develop profitable nanotube applications. In this thesis, the possibility of using low-energy ion irradiation to ease the route towards nanotube applications is studied through atomistic simulations on different levels of theory. Specifically, molecular dynamic simulations with analytical interaction models are used to follow the irradiation process of nanotubes to introduce different impurity atoms into these structures, in order to gain control on their electronic character. Ion irradiation is shown to be a very efficient method to replace carbon atoms with boron or nitrogen impurities in single-walled nanotubes. Furthermore, potassium irradiation of multi-walled and fullerene-filled nanotubes is demonstrated to result in small potassium clusters in the hollow parts of these structures. Molecular dynamic simulations are further used to give an example on using irradiation to improve contacts between a nanotube and a silicon substrate. Methods based on the density-functional theory are used to gain insight on the defect structures inevitably created during the irradiation. Finally, a new simulation code utilizing the kinetic Monte Carlo method is introduced to follow the time evolution of irradiation-induced defects on carbon nanotubes on macroscopic time scales. Overall, the molecular dynamic simulations presented in this thesis show that ion irradiation is a promisingmethod for tailoring the nanotube properties in a controlled manner. The calculations made with density-functional-theory based methods indicate that it is energetically favorable for even relatively large defects to transform to keep the atomic configuration as close to the pristine nanotube as possible. The kinetic Monte Carlo studies reveal that elevated temperatures during the processing enhance the self-healing of nanotubes significantly, ensuring low defect concentrations after the treatment with energetic ions. Thereby, nanotubes can retain their desired properties also after the irradiation. Throughout the thesis, atomistic simulations combining different levels of theory are demonstrated to be an important tool for determining the optimal conditions for irradiation experiments, because the atomic-scale processes at short time scales are extremely difficult to study by any other means.

Suokasvillisuuden vaste muuttuvaan ilmastoon: kokeellinen tutkimus kuivumisen vaikutuksesta

Soilla on merkittävä rooli ilmastonmuutoksen hillitsemisessä suuren hiilivarastonsa sekä ekosysteemin ja ilmakehän välisen kaasunvaihdon ansiosta. Ilmastonmuutoksen ennustetaan vaikuttavan suokasvillisuuteen ja suon toimintaan epäsuorasti. Vedenpinnan ennustetaan laskevan 14–21 cm johtuen kasveista ja avoimilta pinnoilta tapahtuvan haihdunnan lisääntymisestä lämpötilan noustessa, mikäli sadanta ei lisäänny. Aiemmat vedenpinnan laskun jälkeistä kasvillisuutta seuranneet tutkimukset ovat osoittaneet, että putkilokasvit hyötyvät alhaisemmasta vedenpinnan tasosta ja että kuljuun sopeutuneet rahkasammalet kärsivät kuivuneista oloista. Kasvillisuuden runsaussuhteiden muuttumisen lisäksi kasviyhteisöjen monimuotoisuus vähenee. Erityisen herkkiä vedenpinnan laskulle ovat olleet välipinta- ja kuljurahkasammalet ja sarat. Funktionaalisten kasviryhmien vasteiden selvittämiksesi käytettiin BACI (before-after-control-impact) –tutkimusotetta. Tutkimuksessa oli kolme verrokkialaa ja kolme käsittelyalaa, joissa vedenpintaa oli laskettu 14–21 senttimetriin. Lisäksi vertailukohdaksi tutkimuksessa oli mukana kolme alaa, joissa oli tehty metsäojitus n. 50 vuotta sitten. Nämä toistot sijaitsivat meso-, oligo ombrotrofisilla suotyypeillä Oriveden Lakkasuolla. Kasvillisuus kartoitettiin ja vedenpinnat mitattiin aloilta ennen käsittelyä vuonna 2000 sekä vuosina 2001–2003 ja 2009. Aineisto analysoitiin TWINSPAN- (PC-Ord), PRC ja DCA (CANOCO)-monimuuttujamenetelmillä. Tulokset osoittivat, että verrokki- ja käsittelyalat olivat samanlaisia lähtökohdiltaan, joten niitä voitiin käsittelyn jälkeen verrata toisiinsa. Kasvillisuuden rakenne vaihteli vuosien välillä myös verrokkialoilla, mikä osoittaa kasvien sopeutumiskyvyn muuttuviin sääoloihin (lämpötila, sademäärä). Vuosi 2003 erottui tutkimuksessa alhaisella vedenpinnantasolla, mutta toisaalta myös ainavihantien varpujen suuren peittävyyden osalta. Vuoteen 2009 mennessä kasvillisuuden erityisesti sarojen peittävyys väheni. Ravinteikkaimmilla toistoilla kasvillisuuden vasteet vaikuttivat olevan vahvemmat kuin vähäravinteisilla toistoilla. Kasviryhmistä kulju- ja välipintasammalilla oli vahvimmat vasteetvedenpinnan laskuun ja mätäslajeilla heikoimmat. Tulosten mukaan kasviryhmien vasteet vaihtelevat riippuen tarkasteltavasta aikajaksosta: ensimmäiset kolme vuotta käsittelyn jälkeen suo oli häiriötilassa ja vasta sen jälkeen kasvillisuus sopeutui muuttuneisiin oloihin.

Khα1,2 hypersatellites of 3d transition metals and their photoexcitation energy dependence

Hollow atoms in which the K shell is empty while the outer shells are populated allow studying a variety of important and unusual properties of atoms. The diagram x-ray emission lines of such atoms, the K-h alpha(1,2) hypersatellites (HSs), were measured for the 3d transition metals, Z=23-30, with a high energy resolution using photoexcitation by monochromatized synchrotron radiation. Good agreement with ab initio relativistic multiconfigurational Dirac-Fock calculations was found. The measured HS intensity variation with the excitation energy yields accurate values for the excitation thresholds, excludes contributions from shake-up processes, and indicates domination near threshold of a nonshake process. The Z variation of the HS shifts from the diagram line K alpha(1,2), the K-h alpha(1)-K-h alpha(2) splitting, and the K-h alpha(1)/K-h alpha(2) intensity ratio, derived from the measurements, are also discussed with a particular emphasis on the QED corrections and Breit interaction.

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.