Study of optical and structural properties of Cu2ZnSnS4 thin films

Cu2ZnSnS4 is a promising semiconductor to be used as absorber in thin film solar cells. In this work, we investigated optical and structural properties of Cu2ZnSnS4 thin films grown by sulphurization of metallic precursors deposited on soda lime glass substrates. The crystalline phases were studied by X-ray diffraction measurements showing the presence of only the Cu2ZnSnS4 phase. The studied films were copper poor and zinc rich as shown by inductively coupled plasma mass spectroscopy. Scanning electron microscopy revealed a good crystallinity and compactness. An absorption coefficient varying between 3 and 4×104cm−1 was measured in the energy range between 1.75 and 3.5 eV. The band gap energy was estimated in 1.51 eV. Photoluminescence spectroscopy showed an asymmetric broad band emission. The dependence of this emission on the excitation power and temperature was investigated and compared to the predictions of the donor-acceptor-type transitions and radiative recombinations in the model of potential fluctuations. Experimental evidence was found to ascribe the observed emission to radiative transitions involving tail states created by potential fluctuations.

Study of polycrystalline Cu2ZnSnS4 films by Raman scattering

Cu2ZnSnS4 (CZTS) is a p-type semiconductor that has been seen as a possible low-cost replacement for Cu(In,Ga)Se2 in thin film solar cells. So far compound has presented difficulties in its growth, mainly, because of the formation of secondary phases like ZnS, CuxSnSx+1, SnxSy, Cu2−xS and MoS2. X-ray diffraction analysis (XRD), which is mostly used for phase identification cannot resolve some of these phases from the kesterite/stannite CZTS and thus the use of a complementary technique is needed. Raman scattering analysis can help distinguishing these phases not only laterally but also in depth. Knowing the absorption coefficient and using different excitation wavelengths in Raman scattering analysis, one is capable of profiling the different phases present in multi-phase CZTS thin films. This work describes in a concise form the methods used to grow chalcogenide compounds, such as, CZTS, CuxSnSx+1, SnxSy and cubic ZnS based on the sulphurization of stacked metallic precursors. The results of the films’ characterization by XRD, electron backscatter diffraction and scanning electron microscopy/energy dispersive spectroscopy techniques are presented for the CZTS phase. The limitation of XRD to identify some of the possible phases that can remain after the sulphurization process are investigated. The results of the Raman analysis of the phases formed in this growth method and the advantage of using this technique in identifying them are presented. Using different excitation wavelengths it is also analysed the CZTS film in depth showing that this technique can be used as non destructive methods to detect secondary phases.

Growth and characterization of Cu2ZnSn(S,Se)4 thin films for solar cells

Cu2ZnSnS4 (CZTS) and Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) with their band gap energies around 1.45 eV and 1.0 eV, respectively, can be used as the absorber layer in thin film solar cells. By using a mixture of both compounds, Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe), a band gap tuning may be possible. The latter material has already shown promising results such as solar cell efficiencies up to 10.1%. In this work, CZTSSe thin films were grown in order to study its structure and to establish the best growth precursors. SEM micrographs reveal an open columnar structure for most samples and EDS composition profiling of the cross sections show different selenium gradients. X-ray diffractograms show different shifts of the kesterite/stannite (1 1 2) peak, which indicate the presence of CZTSSe. From Raman scattering analysis, it was concluded that all samples had traces of CZTS and CZTSSe. The composition of the CZTSSe layer was estimated using X-ray diffraction and Raman scattering and both results were compared. It was concluded that Se diffused more easily in precursors with ternary Cu–Sn–S phases and metallic Zn than in precursors with ZnS and/or CZTS already formed. It was also showed that a combination of X-ray diffraction and Raman scattering can be used to estimate the ratio of S per Se in CZTSSe samples.

Properties of tantalum oxynitride thin films produced by magnetron sputtering: the influence of processing parameters

The main purpose of this work is to present and to interpret the change of structure and physical properties of tantalum oxynitride (TaNxOy) thin films, produced by dc reactive magnetron sputtering, by varying the processing parameters. A set of TaNxOy films was prepared by varying the reactive gases flow rate, using a N2/O2 gas mixture with a concentration ratio of 17:3. The different films, obtained by this process, exhibited significant differences. The obtained composition and the interpretation of X-ray diffraction results, shows that, depending on the partial pressure of the reactive gases, the films are: essentially dark grey metallic, when the atomic ratio (N + O)/Ta < 0.1, evidencing a tetragonal β-Ta structure; grey-brownish, when 0.1 < (N + O)/Ta < 1, exhibiting a face-centred cubic (fcc) TaN-like structure; and transparent oxide-type, when (N + O)/Ta > 1, evidencing the existence of Ta2O5, but with an amorphous structure. These transparent films exhibit refractive indexes, in the visible region, always higher than 2.0. The wear resistance of the films is relatively good. The best behaviour was obtained for the films with (N + O)/Ta ≈ 0.5 and (N + O)/Ta ≈ 1.3.

A survey of techniques and technologies for web-based real-time interactive rendering

When exploring a virtual environment, realism depends mainly on two factors: realistic images and real-time feedback (motions, behaviour etc.). In this context, photo realism and physical validity of computer generated images required by emerging applications, such as advanced e-commerce, still impose major challenges in the area of rendering research whereas the complexity of lighting phenomena further requires powerful and predictable computing if time constraints must be attained. In this technical report we address the state-of-the-art on rendering, trying to put the focus on approaches, techniques and technologies that might enable real-time interactive web-based clientserver rendering systems. The focus is on the end-systems and not the networking technologies used to interconnect client(s) and server(s).

Cycle time properties of the PROFIBUS timed-token protocol

A recent trend in distributed computer-controlled systems (DCCS) is to interconnect the distributed computing elements by means of multi-point broadcast networks. Since the network medium is shared between a number of network nodes, access contention exists and must be solved by a medium access control (MAC) protocol. Usually, DCCS impose real-time constraints. In essence, by real-time constraints we mean that traffic must be sent and received within a bounded interval, otherwise a timing fault is said to occur. This motivates the use of communication networks with a MAC protocol that guarantees bounded access and response times to message requests. PROFIBUS is a communication network in which the MAC protocol is based on a simplified version of the timed-token protocol. In this paper we address the cycle time properties of the PROFIBUS MAC protocol, since the knowledge of these properties is of paramount importance for guaranteeing the real-time behaviour of a distributed computer-controlled system which is supported by this type of network.

Supporting real-time distributed computer-controlled systems with multi-hop P-NET networks

Fieldbus communication networks aim to interconnect sensors, actuators and controllers within process control applications. Therefore, they constitute the foundation upon which real-time distributed computer-controlled systems can be implemented. P-NET is a fieldbus communication standard, which uses a virtual token-passing medium-access-control mechanism. In this paper pre-run-time schedulability conditions for supporting real-time traffic with P-NET networks are established. Essentially, formulae to evaluate the upper bound of the end-to-end communication delay in P-NET messages are provided. Using this upper bound, a feasibility test is then provided to check the timing requirements for accessing remote process variables. This paper also shows how P-NET network segmentation can significantly reduce the end-to-end communication delays for messages with stringent timing requirements.

Hybrid wired/wireless PROFIBUS networks supported by bridges/routers

Fieldbus networks are becoming increasingly popular in industrial computer-controlled systems. More recently, there has been the desire to extend the capabilities of fieldbuses to cover functionalities not previously considered in such networks, with particular emphasis on industrial wireless communications. Thinking about wireless means considering hybrid wired/wireless solutions capable of interoperating with legacy (wired) systems. One possible solution is to use intermediate systems (IS) acting as repeaters to interconnect the wired and wireless parts. In contrast, we analyze a solution where intermediate systems are implemented as bridges/routers. We detail the main advantages in terms of dependability and timeliness, and propose mechanisms to manage message transactions and intercell mobility.

Fieldbus networks: real-time from the perspective of the application tasks

Fieldbus communication networks aim to interconnect sensors, actuators and controllers within distributed computer-controlled systems. Therefore they constitute the foundation upon which real-time applications are to be implemented. A potential leap towards the use of fieldbus in such time-critical applications lies in the evaluation of its temporal behaviour. In the past few years several research works have been performed on a number of fieldbuses. However, these have mostly focused on the message passing mechanisms, without taking into account the communicating application tasks running in those distributed systems. The main contribution of this paper is to provide an approach for engineering real-time fieldbus systems where the schedulability analysis of the distributed system integrates both the characteristics of the application tasks and the characteristics of the message transactions performed by these tasks. In particular, we address the case of system where the Process-Pascal multitasking language is used to develop P-NET based distributed applications

Non pre-emptive scheduling of messages on SMTV token-passing networks

Fieldbus communication networks aim to interconnect sensors, actuators and controllers within distributed computer-controlled systems. Therefore, they constitute the foundation upon which real-time applications are to be implemented. A specific class of fieldbus communication networks is based on a simplified version of token-passing protocols, where each station may transfer, at most, a single message per token visit (SMTV). In this paper, we establish an analogy between non-preemptive task scheduling in single processors and the scheduling of messages on SMTV token-passing networks. Moreover, we clearly show that concepts such as blocking and interference in non-preemptive task scheduling have their counterparts in the scheduling of messages on SMTV token-passing networks. Based on this task/message scheduling analogy, we provide pre-run-time schedulability conditions for supporting real-time messages with SMTV token-passing networks. We provide both utilisation-based and response time tests to perform the pre-run-time schedulability analysis of real-time messages on SMTV token-passing networks, considering RM/DM (rate monotonic/deadline monotonic) and EDF (earliest deadline first) priority assignment schemes

A vision of cyber-physical internet

When the Internet was born, the purpose was to interconnect computers to share digital data at large-scale. On the other hand, when embedded systems were born, the objective was to control system components under real-time constraints through sensing devices, typically at small to medium scales. With the great evolution of the Information and Communication Technology (ICT), the tendency is to enable ubiquitous and pervasive computing to control everything (physical processes and physical objects) anytime and at a large-scale. This new vision gave recently rise to the paradigm of Cyber-Physical Systems (CPS). In this position paper, we provide a realistic vision to the concept of the Cyber-Physical Internet (CPI), discuss its design requirements and present the limitations of the current networking abstractions to fulfill these requirements. We also debate whether it is more productive to adopt a system integration approach or a radical design approach for building large-scale CPS. Finally, we present a sample of realtime challenges that must be considered in the design of the Cyber-Physical Internet.

Desenvolvimento de métodos rápidos para deteção de drogas no meio aquático

A vasta aplicação de antibióticos em sistemas de aquacultura tem conduzido ao aparecimento de espécies microbianas resistentes, devendo ser evitada ou, se possível, minimizada. A minimização implica um controlo muito rigoroso das doses aplicadas, algo que só pode ser realizado se todo o processo analítico for simples, barato e puder ser implementado no local. O presente trabalho descreve para este efeito um sistema sensor constituído por papel quimicamente modificado, cujo procedimento analítico foi semelhante à monitorização de pH através das conhecidas tiras indicadoras de pH universal. O papel foi modificado com base em reacções de monocamadas e assumiu uma coloração típica após contacto com o antibiótico. A intensidade da coloração estava também relacionada com a concentração desse antibiótico. Como prova deste conceito, o sensor proposto foi desenhado tendo em vista a monitorização de oxitetraciclina, um dos antibióticos utilizados neste contexto com elevada frequência. A modificação do papel foi baseada na alteração química das unidades de glucose na matriz sólida por reacção covalente com reagentes apropriados. Foram utilizadas duas estratégias diferentes para este efeito: uma foi baseada em reacções de tipo sol-gel e a outra em reacção de adição nucleófila. Posteriormente, o papel foi modificado com espécies metálicas capazes de mudar de cor na presença da oxitetraciclina. Estas modificações químicas foram avaliadas e optimizadas relativamente a vários parâmetros, no sentido de promover uma variação de cor intensa face à concentração de antibiótico. Procedeu-se ainda ao controlo desta modificação por técnicas de espectroscopia de infravermelho. A variação de cor foi avaliada por comparação visual, mas registada por imagem digital. Os materiais sensores preparados foram ainda caracterizados do ponto de vista do seu desempenho analítico. Incluíram-se aqui a identificação de uma relação linear entre coordenadas de cor e concentração, a atribuição de uma gama de concentrações capaz de fornecer uma resposta previsível e resposta cruzada face a outros antibióticos. Procedeu-se ainda à aplicação dos sensores numa amostra de água ambiental dopada com antibiótico. De uma forma geral, foi possível estabelecer um processo simples de modificação de papel capaz de aferir a presença e a quantidade de tetraciclinas, mais concretamente a oxitetraciclina. O processo aqui estabelecido é promissor, antevendo a concretização de uma metodologia simples, barata e local para a monitorização de anitbióticos em águas.

Estudo e análise das redes centradas em conteúdos

A Internet, conforme a conhecemos, foi projetada com base na pilha de protocolos TCP/IP, que foi desenvolvida nos anos 60 e 70 utilizando um paradigma centrado nos endereços individuais de cada máquina (denominado host-centric). Este paradigma foi extremamente bem-sucedido em interligar máquinas através de encaminhamento baseado no endereço IP. Estudos recentes demonstram que, parte significativa do tráfego atual da Internet centra-se na transferência de conteúdos, em vez das tradicionais aplicações de rede, conforme foi originalmente concebido. Surgiram então novos modelos de comunicação, entre eles, protocolos de rede ponto-a-ponto, onde cada máquina da rede pode efetuar distribuição de conteúdo (denominadas de redes peer-to-peer), para melhorar a distribuição e a troca de conteúdos na Internet. Por conseguinte, nos últimos anos o paradigma host-centric começou a ser posto em causa e apareceu uma nova abordagem de Redes Centradas na Informação (ICN - information-centric networking). Tendo em conta que a Internet, hoje em dia, basicamente é uma rede de transferência de conteúdos e informações, porque não centrar a sua evolução neste sentido, ao invés de comunicações host-to-host? O paradigma de Rede Centrada no Conteúdo (CCN - Content Centric Networking) simplifica a solução de determinados problemas de segurança relacionados com a arquitetura TCP/IP e é uma das principais propostas da nova abordagem de Redes Centradas na Informação. Um dos principais problemas do modelo TCP/IP é a proteção do conteúdo. Atualmente, para garantirmos a autenticidade e a integridade dos dados partilhados na rede, é necessário garantir a segurança do repositório e do caminho que os dados devem percorrer até ao seu destino final. No entanto, a contínua ineficácia perante os ataques de negação de serviço praticados na Internet, sugere a necessidade de que seja a própria infraestrutura da rede a fornecer mecanismos para os mitigar. Um dos principais pilares do paradigma de comunicação da CCN é focalizar-se no próprio conteúdo e não na sua localização física. Desde o seu aparecimento em 2009 e como consequência da evolução e adaptação a sua designação mudou atualmente para Redes de Conteúdos com Nome (NNC – Named Network Content). Nesta dissertação, efetuaremos um estudo de uma visão geral da arquitetura CCN, apresentando as suas principais características, quais os componentes que a compõem e como os seus mecanismos mitigam os tradicionais problemas de comunicação e de segurança. Serão efetuadas experiências com o CCNx, que é um protótipo composto por um conjunto de funcionalidades e ferramentas, que possibilitam a implementação deste paradigma. O objetivo é analisar criticamente algumas das propostas existentes, determinar oportunidades, desafios e perspectivas para investigação futura.

Sistemas de fachadas em perfilaria de alumínio, painel compósito em Alucobond e estruturas metálicas

A memória descritiva do estágio transcreve e revela os conhecimentos adquiridos ao longo do curso e aplicados ao longo do estágio, bem como todos aqueles obtidos e aperfeiçoados no estágio, nomeadamente no que espeita a planeamento, controlo de custos, aprovisionamento, preparação dos materiais e elaboração de autos de medição. Para um melhor aprofundamento destes conceitos, foi proposto pela empresa, o acompanhamento técnico de duas obras, contudo, ambas distintas quer ao nível de materiais e execução. Primeiramente, é feita uma pequena apresentação da empresa assim como uma descrição global das duas obras que foram propostas pela empresa, para fazer o acompanhamento técnico ao longo do estágio Apresentados os traços gerais do estágio é realizada uma pequena exposição teórica dos dois principais elementos, alumínio e aço, constituintes dos principais materiais utilizados nas duas obras em acompanhamento, indicando alguns dados sobre o seu modo de produção e caracterização física e mecânica. Nos dois capítulos seguintes faz-se uma descrição dos principais trabalhos realizados em ambas as obras. Na obra da rua Alfredo do Guisado são enunciados todas as tarefas da produção e da preparação em oficina para aplicação em obra de uma fachada ventilada em painel compósito de Alucobond. No que respeita a obra da Caetano Parts é feito o enquadramento do acompanhamento técnico em todas as tarefas desempenhadas pelas oficinas, descrevendo todos os processos envolvidos desde a preparação, aprovisionamento, tratamento e montagem dos diferentes materiais em obra. Por fim, são apresentadas algumas considerações finais do estágio desenvolvido.

Sustentabilidade na construção metálica

O desenvolvimento sustentável é um dos grandes desafios dos nossos tempos com inúmeras consequências em várias áreas da nossa sociedade. É uma questão abrangente e essencial para a sobrevivência do modo de vida tal como o conhecemos actualmente. A construção sustentável tem um papel muito importante no desenvolvimento, não só ao nível económico mas também social e cultural. Embora não contemple a energia incorporada, a avaliação do ciclo de vida (ACV), no sector da construção, é um dos métodos mais comuns para avaliar o nível de sustentabilidade. Este trabalho visa os metais como uma das mais promissoras e actuais respostas do sector da construção às crescentes preocupações em relação ao desenvolvimento sustentável. O ferro e derivados são normalmente a base das construções metálicas, residindo no seu potencial de reutilização e reciclagem um dos seus principais factores de sustentabilidade. As estruturas metálicas apresentam características especificas que se coadunam com os requisitos da construção sustentável e que tornam este tipo de construção extremamente versátil e interessante. Neste trabalho, é efectuada uma abordagem sobre a construção metálica ao longo de três partes. A primeira parte é constituída por uma introdução histórica ao ferro e seus derivados enunciando exemplos de construções até aos nossos dias, e pela classificação dos vários tipos de metais e ligas metálicas. Na segunda parte, é abordado o conceito de sustentável e o seu enquadramento no sector da construção, e é feita uma introdução à metodologia de avaliação de ciclo de vida. Na terceira parte, é abordado um exemplo prático de uma estrutura metálica em que são elaboradas e comparadas três soluções. Na origem da diversidade dos elementos comparativos estão o tipo de aço, a origem da energia utilizada no seu fabrico e o tipo de solução técnica adoptada. O objectivo deste trabalho é compreender as repercussões do conceito de sustentabilidade no sector da construção, e desenvolver um método simplificado de avaliação dos impactos ambientais e económicos de soluções metálicas.