KrF pulsed laser deposition of chromium oxide thin films from Cr8O21 targets

Chromium oxides, CrxOy, are of great interest due to the wide variety of their technological applications. Among them, CrO2 has been extensively investigated in recent years because it is an attractive compound for use in spintronic heterostructures. However, its synthesis at low temperatures has been a difficult task due to the metastable nature of this oxide. This is indeed essential to ensure interface quality and the ability to coat thermal-sensitive materials such as those envisaged in spintronic devices. Pulsed Laser Deposition (PLD) is a technique that has the potential to meet the requirements stated above. In this work, we describe our efforts to grow chromium oxide thin films by PLD from Cr8O21 targets, using a KrF excimer laser. The as-deposited films were investigated by X-ray diffraction and Rutherford backscattering spectrometry. Structural and chemical composition studies showed that the films consist of a mixture of amorphous chromium oxides exhibiting different stoichiometries depending on the processing parameters, where nanocrystals of mainly Cr2O3 are dispersed. The analyses do not exclude the possibility of co-deposition of Cr2O3 and a low fraction of CrO2.

KrP laser CVD of chromium oxide by photodissociation of Cr(CO)(6)

This work reports on the synthesis of chromium oxide thin films prepared by photodissociation of Cr(CO)(6) in an oxidizing atmosphere, using a pulsed UV laser (KrF, lambda = 248 nm). The experimental conditions, which should enable the synthesis of CrO2, are discussed and results on the deposition of CrxOy films on Al2O3 (0001) substrates are presented.

Silver coordination polymers with tri- and hexacyanoethyl-functionalized macrocyclic ligands

Tri-and hexa-cyanoethyl functionalized 17-(L-1) and 42-membered (L-2) macrocyclic compounds were obtained by [1 + 1] (for L-1) or [2 + 2] (for L-2) cyclocondensation of the corresponding dialdehyde and diethylenetriamine, followed by hydrogenation by KBH4 and subsequent cyano-functionalization with acrylonitrile. They react with silver nitrate, leading to the formation of [AgL1](NO3) (1) and of the metalorganic coordination polymers [Ag-2(NO3)(2)L-1](n) (2) and {[Ag2L2](NO3)(2)}(n) (3). The complexes were characterized by elemental analysis, H-1 NMR, C-13 NMR, IR spectroscopies, and ESI-MS; moreover, L-2, 1, 2 and 3 were also characterized by single crystal X-ray diffraction. The metal cation in 1 is pentacoordinated with a N3O2 coordination environment; in 2, the metal cations display N4O2 octahedral and N2O3 square-pyramid coordination and in 3 they are in square-planar N-4 sites. In 1, the ligand acts as a pentadentate chelator, and in the other two cases, the ligands behave as octadentate chelators in a 1 kappa N-3:kappa O-2,2 kappa N,3 kappa N,4 kappa N (in 2) or 1 kappa N-3,2 kappa N-3,3 kappa N,4 kappa N fashion (in 3). The cyanoethyl strands of the ligands are directly involved in the formation of the 2D frameworks of 2 and 3, which in the former polymer can be viewed as a net composed of hexametallic 36-membered macrocyclic rings and in the latter generates extra hexametallic 58-membered cyclic sets that form zig-zag layers. The thermal analytical and electrochemical properties of these silver complexes were also studied.

Auditoria e optimização energética de uma unidade fabril

A crise do petróleo em 1973 preocupou a população mundial e, desde então, os temas relacionados com a energia têm sido debatidos, sendo um dos mais importantes, a Melhoria da Eficiência Energética. O objectivo de corresponder às necessidades energéticas com a melhoria da eficiência em vez de aumentar a produção de energia tem sido, fortemente, ambicionado nos últimos anos. Esta Tese de Mestrado surge através da necessidade de uma unidade fabril reduzir a sua factura energética, que tem sido crescente ao longo dos últimos anos, de forma a melhorar a sua competitividade. O principal objectivo deste trabalho será, portanto, a melhoria da eficiência energética e, consequente, redução dos consumos energéticos e encargos associados. Foi definida como meta energética, situar o consumo específico abaixo dos 900 kWh/ton, sendo que, 850kWh/ton é a média dos consumos específicos deste tipo de indústria. Para a execução deste trabalho realizou-se numa primeira fase uma Auditoria Energética com o objectivo de recolher informação sobre as várias formas de energia consumidas e as necessidades energéticas específicas de cada utilização. Através deste levantamento e da análise dos registos históricos foram identificados os principais consumidores de energia e as principais áreas de intervenção. Após o trabalho de auditoria, foi elaborado um relatório com recomendações e medidas de racionalização energéticas. Por fim, foi desenvolvido um ante-projecto adequado a este tipo de indústria, que passa pela instalação de um Sistema de Co(Tri geração. Após a implementação de medidas de racionalização energética o consumo específico diminuiu de 910 kWh/ton (Janeiro a Setembro 2008) para 850 kWh/ton (Outubro 2008 a Abril 2009), sendo este o valor médio da indústria de produção de préformas. Finalmente, é sugerido um modelo de gestão energética para este tipo de indústria tendo em conta o estudo desenvolvido em Cogeração.

Development of membranes for purification of liquid effluents from stainless steel pickling

Este trabalho foi desenvolvido no âmbito de um projecto europeu intitulado: “Operational demonstration of innovative and sustainable nitrate elimination in stainless steel pickling by higher power biological denitrification technique” Projecto RESP-CT-2007-00047, tendo em vista o desenvolvimento de membranas para o tratamento de efluente resultante da decapagem do aço inox. Numa fase inicial foram desenvolvidas membranas compostas assimétricas pelo método de polimerização interfacial. Estas membranas foram produzidas utilizando uma membrana comercial de suporte em polietersulfona e os filmes selectivos de poliamiada foram formados por reacção entre 1,3,5-tri(clorocarboni)benzeno (TMC) e várias dinaminas: piperazina (PIP), N-(2-aminoetil)-piperazina (EAP), 1,4-bis(3-aminopropil)-piperazina (DAPP), 6-metil-1,3,5 triazina-2,4 diamina (MTC), Isoforodiamina (IPD) e Dietilenetriamina (DET). A elaboração de membranas de TFC (thin film composite) tinha como objectivo a retenção de sais do efluente resultante da decapagem do aço inox. No entanto, chegou-se a conclusão de que o principal problema do efluente não era a retenção dos sais, mas sim a retenção da matéria orgânica. Assim, já não era necessa´ria a produção de membranas compostas, mas apenas uma membrana suporte simples de microfiltração. Numa segunda fase procedeu-se a preparação da membrana suporte pelo método da inversão de fase, tendo-se testado vários tipos de polímeros: PVC (polyvinyl chloride), PEI (Polyetherimide) e um polímero termoplástico geral. A membrana seleccionada foi a de PEI, com base na sua permeabilidade à água destilada e ao efluente resultante das águas residuais da decapagem do aço inox. Todas as membranas elaboradas durante a realização deste trabalho foram testadas na célula de Berghof a uma pressão de 4bar e com agitação. O principal prâmetro estudado foi a permeabilidade da membrana.

Desenvolvimento de materiais poliméricos com vista à sua incorporação em membranas betuminosas

O principal objectivo deste trabalho foi o estudo da incorporação de novos materiais poliméricos em membranas betuminosas. Assim, foram sintetizados novos poliésteres polióis, com pesos moleculares semelhantes, analisados através das titulações dos grupos hidroxilo e ácido carboxílico terminais, e estruturas diferentes. Os polímeros foram sintetizados com base em ácidos diméricos, Unidyme 18 e glicóis, monopropilenoglicol e neopentilglicol no caso do polímero linear, já para o polímero tri-funcional utilizou-se trimetilolpropano e monopropilenolglicol. Estas matérias-primas servem de suporte à produção dos prepolímeros e quasi-prepolímeros reactivos de isocianato terminal para a modificação dos betumes, sendo as suas caracterizações realizadas através de espectroscopia de infravermelhos e ensaios de viscosidade. Foram preparadas as misturas com o betume de grade 160/220, provenientes da refinaria de Sines e do Porto com adição de teores de 5%, 10& e 15% de um prepolímero PRP1 e de um quasi-prepolímero. Ensaios de engenharia e qualidade, foram realizados a diversos betumes convencionais e modificados, nos laboratórios industriais das empresas Lusasfal e Probigalp como parte integrante no conhecimento dos procedimentos normativos para este tipo de ensaios, nomeadamente o ensaio de penetração, ponto de amolecimento, viscosidade dinâmica, apoiando igualmente um estudo de reprodutibilidade inter-laboratorial. Os betumes 160/220 previamente modificados com aPP e SBS, foram caracterizados reologicamente à temperatura ambiente na zona da viscoelasticidade linear.

Estudo técnico/económico da instalação de uma central de cogeração numa serração de madeira

O pinheiro tem um papel importante na ecologia e economia nacional. O Pinheiro sofre de uma praga severa, denominada por doença da murchidão dos pinheiros, causada pelo nemátodo da madeira do pinheiro (NMP). Apresenta-se como um verme microscópico, invertebrado, medindo menos de 1,5 mm de comprimento. O contágio entre árvores deve-se a vectores biologicamente conhecidos por longicórneo e capricórnio do pinheiro. Os produtores de madeira de pinho são desta forma obrigados a efectuar tratamentos térmicos (HT), de eliminação do NMP e dos seus vectores para que a exportação da madeira serrada cumpra com a norma NP 4487. De modo a manter a competitividade internacional das empresas nacionais, o impacto dos custos do HT deve ser minimizado. O objectivo desta dissertação é efectuar o estudo técnico-económico da implementação de um sistema de cogeração capaz produzir calor para efectuar o tratamento ao NMP e simultaneamente energia eléctrica para vender à rede pública. As receitas da venda de energia eléctrica poderão contribuir para a minimização dos custos do HT. Tendo em conta que os resíduos das serrações de madeira podem ser usados como combustível consideraram-se para avaliação duas tecnologias de cogeração, um sistema de turbina a vapor clássico (ciclo Rankine) e um sistema Organic Rankine Cycle (ORC), permitindo ambas a queima dos resíduos das serrações de madeira. No que diz respeito à avaliação económica, foi desenvolvido um simulador de tecnologia/modalidade de remuneração que efectua cálculos consoante as necessidades térmicas de cada produtor, a potência eléctrica a instalar e indicadores económicos, VAL, TIR e PAYBACK da instalação do sistema de cogeração. O simulador desenvolvido aplica a nova legislação que enquadra o sistema jurídico e remuneratório da cogeração (DL 23/2010), na qual se consideram duas modalidades, geral e especial. A metodologia desenvolvida foi aplicada num caso real de uma serração de madeira e os principais resultados mostram que as soluções apresentadas, turbina a vapor e sistema ORC, não apresentam viabilidade económica. Através da análise de sensibilidade, conclui-se que um dos factores que mais influência a viabilidade económica do projecto é o tempo de funcionamento reduzido. Sendo uma das soluções apresentada a criação de uma central de cogeração para vários produtores de madeira. Uma possível solução para o problema do reduzido tempo de utilização seria o fornecimento do serviço de tratamentos térmicos a outros produtores de paletes de madeira que não possuem estufa própria.

Eliminação do Cr(VI) na fase de neutralização de um efluente industrial proveniente de processos de galvanoplastia

A presente tese teve por base a identificação e resolução de um problema existente no tratamento de efluentes provenientes dos processos de tratamento de superfícies por galvanoplastia, na OGMA – Indústria Aeronáutica de Portugal S.A.. Observou-se a ocorrência, esporádica, de crómio hexavalente, (Cr (VI)), em valor superior ao valor limite de emissão (VLE). Os resultados foram monitorizados e os dados recolhidos no decorrer da actividade de tratamento de efluentes, durante o período de, aproximadamente, 5 anos (2006 a 2011). A recolha de resultados decorreu no âmbito da actividade profissional da mestranda, que, para além da responsabilidade técnica dos processos de galvanoplastia na empresa, é também responsável pelo suporte técnico ao processo de tratamento de efluentes resultantes da actividade de tratamento de superficies por processos de galvanoplastia. A empresa OGMA – Indústria Aeronáutica de Portugal S.A., é uma empresa de actividade aeronáutica dedicada à Fabricação e Manutenção de aeronaves, nomeadamente a prestação de serviços de Manutenção, Revisão e Modernização de, Aeronaves, Motores e Componentes, bem como Fabricação e Montagem de Aeroestruturas. Integrada na OGMA, S.A. encontra-se a área de tratamentos electroquímicos, onde são realizados processos de tratamento de materiais metálicos por electrodeposição, deposição química e conversão química. Desta actividade resulta uma quantidade considerável de efluentes líquidos que necessitam de tratamento adequado previamente à sua descarga em cursos de água. Devido ao tipo de contaminantes que estes efluentes possuem, o tratamento dos mesmos é realizado em várias etapas, passando pela oxidação de cianetos, a redução de cromatos e a neutralização. Posteriormente segue-se uma sedimentação e a remoção de lamas. De modo a garantir um controlo dos parâmetros de descarga dos efluentes tratados, de acordo com a legislação ambiental em vigor, o efluente obtido é analisado periodicamente em laboratório acreditado. Na perspectiva de solucionar o problema em questão, procedeu-se à realização de ensaios experimentais utilizando os efluentes provenientes dos tanques de reacção da redução de cromatos e da oxidação de cianetos da linha com cádmio, com especial incidência na variação dos intervalos de pH recomendados para cada uma das fases do tratamento de efluentes, e observação do comportamento das misturas em termos de presença de Cr (VI), quando sujeitos a variações de pH. Após análise dos dados disponíveis e realização de todos os ensaios, conclui-se que, o processo de oxidação de cianeto da linha com cádmio e o processo de redução de cromatos na mesma linha estão a funcionar adequadamente. Concluiu-se que o reaparecimento de Cr (VI) ocorre devido à existência de hipoclorito de sódio, em excesso, no tanque de oxidação de cianeto que, quando passa para o tanque de neutralização e entra em contacto com o efluente proveniente do tanque de redução de cromatos, oxida parte do crómio trivalente, (Cr (III)), existente, a Cr (VI). Para impedir a ocorrência deste fenómeno separou-se todo o efluente contendo crómio que passou a ser tratado na linha de tratamento de efluentes isenta de cádmio, não entrando assim em contacto com o efluente que contém hipoclorito não reagido, evitando a oxidação do Cr (III) a Cr (VI).

Cr2O3 thin films grown at room temperature by low pressure laser chemical vapour deposition

Chromia (Cr2O3) has been extensively explored for the purpose of developing widespread industrial applications, owing to the convergence of a variety of mechanical, physical and chemical properties in one single oxide material. Various methods have been used for large area synthesis of Cr2O3 films. However, for selective area growth and growth on thermally sensitive materials, laser-assisted chemical vapour deposition (LCVD) can be applied advantageously. Here we report on the growth of single layers of pure Cr2O3 onto sapphire substrates at room temperature by low pressure photolytic LCVD, using UV laser radiation and Cr(CO)(6) as chromium precursor. The feasibility of the LCVD technique to access selective area deposition of chromia thin films is demonstrated. Best results were obtained for a laser fluence of 120 mJ cm(-2) and a partial pressure ratio of O-2 to Cr(CO)(6) of 1.0. Samples grown with these experimental parameters are polycrystalline and their microstructure is characterised by a high density of particles whose size follows a lognormal distribution. Deposition rates of 0.1 nm s(-1) and mean particle sizes of 1.85 mu m were measured for these films. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Coexistence of Universal and Topological Anomalous Hall Effects in Metal CrO2 Thin Films in the Dirty Limit

The scaling exponent of 1.6 between anomalous Hall and longitudinal conductivity, characteristic of the universal Hall mechanism in dirty-metal ferromagnets, emerges from a series of CrO2 films as we systematically increase structural disorder. Magnetic disorder in CrO2 increases with temperature and this drives a separate topological Hall mechanism. We find that these terms are controlled discretely by structural and magnetic defect populations, and their coexistence leads to apparent divergence from exponent 1.6, suggesting that the universal term is more prevalent than previously realized.

CVD of CrO2 thin films: Influence of the deposition parameters on their structural and magnetic properties

This work reports on the synthesis of CrO2 thin films by atmospheric pressure CVD using chromium trioxide (CrO3) and oxygen. Highly oriented (100) CrO2 films containing highly oriented (0001) Cr2O3 were grown onto Al2O3(0001) substrates. Films display a sharp magnetic transition at 375 K and a saturation magnetization of 1.92 mu(B)/f.u., close to the bulk value of 2 mu(B)/f.u. for the CrO2.

Influence of growth temperature and carrier flux on the structure and transport properties of highly oriented CrO2 on Al2O3 (0001)

In this work we report on the structure and magnetic and electrical transport properties of CrO2 films deposited onto (0001) sapphire by atmospheric pressure (AP)CVD from a CrO3 precursor. Films are grown within a broad range of deposition temperatures, from 320 to 410 degrees C, and oxygen carrier gas flow rates of 50-500 seem, showing that it is viable to grow highly oriented a-axis CrO2 films at temperatures as low as 330 degrees C i.e., 60-70 degrees C lower than is reported in published data for the same chemical system. Depending on the experimental conditions, growth kinetic regimes dominated either by surface reaction or by mass-transport mechanisms are identified. The growth of a Cr2O3 interfacial layer as an intrinsic feature of the deposition process is studied and discussed. Films synthesized at 330 degrees C keep the same high quality magnetic and transport properties as those deposited at higher temperatures.

Laser-assisted deposition of thin films from photoexcited vapour phases

Laser-assisted chemical vapour deposition (LCVD) has been extensively studied in the last two decades. A vast range of applications encompass various areas such as microelectronics, micromechanics, microelectromechanics and integrated optics, and a variety of metals, semiconductors and insulators have been grown by LCVD. In this article, we review briefly the LCVD process and present two case studies of thin film deposition related to laser thermal excitation (e.g., boron carbide) and non-thermal excitation (e.g., CrO(2)) of the gas phase.

Morphological and structural characterization of CrO2/Cr2O3 films grown by laser-CVD

This work reports on the synthesis of chromium (III, IV) oxides films by KrF laser-assisted CVD. Films were deposited onto sapphire substrates at room temperature by the photodissociation of Cr(CO)(6) in dynamic atmospheres containing oxygen and argon. A study of the processing parameters has shown that partial pressure ratio Of O-2 to Cr(CO)(6) and laser fluence are the prominent parameters that have to be accurately controlled in order to co-deposit both the crystalline oxide phases. Films consistent with such a two-phase system were synthesised for a laser fluence of 75 mJ cm(-2) and a partial pressure ratio of about 1. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Structural and Microanalytical Studies of CrO2 Thin Films on c-Sapphire by High Resolution Electron Microscopy Methods

Chromium dioxide (CrO2) has been extensively used in the magnetic recording industry. However, it is its ferromagnetic half-metallic nature that has more recently attracted much attention, primarily for the development of spintronic devices. CrO2 is the only stoichiometric binary oxide theoretically predicted to be fully spin polarized at the Fermi level. It presents a Curie temperature of ∼ 396 K, i.e. well above room temperature, and a magnetic moment of 2 mB per formula unit. However an antiferromagnetic native insulating layer of Cr2O3 is always present on the CrO2 surface which enhances the CrO2 magnetoresistance and might be used as a barrier in magnetic tunnel junctions.