First principles modeling of metallic alloys and alloy surfaces

By alloying metals with other materials, one can modify the metal’s characteristics or compose an alloy which has certain desired characteristics that no pure metal has. The field is vast and complex, and phenomena that govern the behaviour of alloys are numerous. Theories cannot penetrate such complexity, and the scope of experiments is also limited. This is why the relatively new field of ab initio computational methods has much to give to this field. With these methods, one can extend the understanding given by theories, predict how some systems might behave, and be able to obtain information that is not there to see in physical experiments. This thesis pursues to contribute to the collective knowledge of this field in the light of two cases. The first part examines the oxidation of Ag/Cu, namely, the adsorption dynamics and oxygen induced segregation of the surface. Our results demonstrate that the presence of Ag on the Cu(100) surface layer strongly inhibits dissociative adsorption. Our results also confirmed that surface reconstruction does happen, as experiments predicted. Our studies indicate that 0.25 ML of oxygen is enough for Ag to diffuse towards the bulk, under the copper oxide layer. The other part elucidates the complex interplay of various energy and entropy contributions to the phase stability of paramagnetic duplex steel alloys. We were able to produce a phase stability map from first principles, and it agrees with experiments rather well. Our results also show that entropy contributions play a very important role on defining the phase stability. This is, to the author’s knowledge, the first ab initio study upon this subject.

Optical spectroscopy of organic material based on C60

The structure and optical properties of thin films based on C60 materials are studied. Reproducible vacuum method of thin fullerene films production with Cd impurity on Si, glass and mica surfaces is developed. Surface morphology of the films are investigated by AFM and SEM methods. The ab initio quantum - chemical calculations of the geometry, total energy and excited energy states of complex fullerene- cadmium telluride supramolecules are performed. Photoluminescence spectra of composite thin films based on C60 before and after X-ray irradiation were measured. The intensity of additional peaks is defined as the charge composition due to the type of substrate. These results are interpreted as an appearance of the dipole-allowed transitions in the fullerene excited singlet states spectrum cause of an interference with cadmium telluride. X-ray irradiated films were investigated, and additional peaks in photoluminescence spectra were detected. These peaks appear as a result of molecular complexes formation from C60CdTe mixture and dimerization of the films. Density functional B3LYP quantum-chemical calculations for C60CdTe, molecular complexes, (C60)2 and C120O dimers were performed to elucidate some experimental results.

Charge transport in disordered materials : simulations, theory, and numerical modeling of hopping transport and electron-hole recombination

Min avhandling behandlar hur oordnade material leder elektrisk ström. Bland materialen som studeras finns ledande polymerer, d.v.s. plaster som leder ström, och mer allmänt organiska halvledare. Av de här materialen har man kunnat bygga elektroniska komponenter, och man hoppas på att kunna trycka hela kretsar av organiska material. För de här tillämpningarna är det viktigt att förstå hur materialen själva leder elektrisk ström. Termen oordnade material syftar på material som saknar kristallstruktur. Oordningen gör att elektronernas tillstånd blir lokaliserade i rummet, så att en elektron i ett visst tillstånd är begränsad t.ex. till en molekyl eller ett segment av en polymer. Det här kan jämföras med kristallina material, där ett elektrontillstånd är utspritt över hela kristallen (men i stället har en väldefinierad rörelsemängd). Elektronerna (eller hålen) i det oordnade materialet kan röra sig genom att tunnelera mellan de lokaliserade tillstånden. Utgående från egenskaperna för den här tunneleringsprocessen, kan man bestämma transportegenskaperna för hela materialet. Det här är utgångspunkten för den så kallade hopptransportmodellen, som jag har använt mig av. Hopptransportmodellen innehåller flera drastiska förenklingar. Till exempel betraktas elektrontillstånden som punktformiga, så att tunneleringssannolikheten mellan två tillstånd endast beror på avståndet mellan dem, och inte på deras relativa orientation. En annan förenkling är att behandla det kvantmekaniska tunneleringsproblemet som en klassisk process, en slumpvandring. Trots de här grova approximationerna visar hopptransportmodellen ändå många av de fenomen som uppträder i de verkliga materialen som man vill modellera. Man kan kanske säga att hopptransportmodellen är den enklaste modell för oordnade material som fortfarande är intressant att studera. Man har inte hittat exakta analytiska lösningar för hopptransportmodellen, därför använder man approximationer och numeriska metoder, ofta i form av datorberäkningar. Vi har använt både analytiska metoder och numeriska beräkningar för att studera olika aspekter av hopptransportmodellen. En viktig del av artiklarna som min avhandling baserar sig på är att jämföra analytiska och numeriska resultat. Min andel av arbetet har främst varit att utveckla de numeriska metoderna och applicera dem på hopptransportmodellen. Därför fokuserar jag på den här delen av arbetet i avhandlingens introduktionsdel. Ett sätt att studera hopptransportmodellen numeriskt är att direkt utföra en slumpvandringsprocess med ett datorprogram. Genom att föra statisik över slumpvandringen kan man beräkna olika transportegenskaper i modellen. Det här är en så kallad Monte Carlo-metod, eftersom själva beräkningen är en slumpmässig process. I stället för att följa rörelsebanan för enskilda elektroner, kan man beräkna sannolikheten vid jämvikt för att hitta en elektron i olika tillstånd. Man ställer upp ett system av ekvationer, som relaterar sannolikheterna för att hitta elektronen i olika tillstånd i systemet med flödet, strömmen, mellan de olika tillstånden. Genom att lösa ekvationssystemet fås sannolikhetsfördelningen för elektronerna. Från sannolikhetsfördelningen kan sedan strömmen och materialets transportegenskaper beräknas. En aspekt av hopptransportmodellen som vi studerat är elektronernas diffusion, d.v.s. deras slumpmässiga rörelse. Om man betraktar en samling elektroner, så sprider den med tiden ut sig över ett större område. Det är känt att diffusionshastigheten beror av elfältet, så att elektronerna sprider sig fortare om de påverkas av ett elektriskt fält. Vi har undersökt den här processen, och visat att beteendet är väldigt olika i endimensionella system, jämfört med två- och tredimensionella. I två och tre dimensioner beror diffusionskoefficienten kvadratiskt av elfältet, medan beroendet i en dimension är linjärt. En annan aspekt vi studerat är negativ differentiell konduktivitet, d.v.s. att strömmen i ett material minskar då man ökar spänningen över det. Eftersom det här fenomenet har uppmätts i organiska minnesceller, ville vi undersöka om fenomenet också kan uppstå i hopptransportmodellen. Det visade sig att det i modellen finns två olika mekanismer som kan ge upphov till negativ differentiell konduktivitet. Dels kan elektronerna fastna i fällor, återvändsgränder i systemet, som är sådana att det är svårare att ta sig ur dem då elfältet är stort. Då kan elektronernas medelhastighet och därmed strömmen i materialet minska med ökande elfält. Elektrisk växelverkan mellan elektronerna kan också leda till samma beteende, genom en så kallad coulombblockad. En coulombblockad kan uppstå om antalet ledningselektroner i materialet ökar med ökande spänning. Elektronerna repellerar varandra och ett större antal elektroner kan leda till att transporten blir långsammare, d.v.s. att strömmen minskar.

Uudistumiskykyinen strategian toteuttaminen, case Oy Hartwall Ab

Tutkielman tutkimusongelmana oli, miten organisaatio voi toteuttaa strategiaansa uudistumiskykyisesti. Tutkimusongelmaa tutkittiin kartoittavasti, kuvailevasti ja selittävästi. Tutkimuksessa lähdettiin liikkeelle strategian toteuttamisen teoreettisen tarkastelupohjan rakentamisesta. Strategian toteuttamisen näkökulmat yhdistettiin Ståhlen (1999) kehittämään kolmiulotteiseen tietoympäristömalliin. Tämänsynteesin pohjalta luotiin uudistumiskykyinen strategian toteuttaminen -malli. Mallin perusteella vastattiin tutkimusongelmaan ja ehdotettiin case-yritykselle strategian toteuttamisen kehittämistoimenpiteitä. Tutkielman tutkimusstrategiana käytettiin Survey-tutkimusta. Tällä pyrittiin tutkimaan case-yrityksen myyntiorganisaation uudistumiskyvyn tasoa ja analysoimaanuudistumiskyky -mittauksen tulosten pohjalta organisaation uudistumiskykyistä strategian toteuttamista. Tutkimuksen metodiksi valittiin kyselylomakepohjainen KM-factor¿-mittari. KM-factor¿-mittaus suoritettiin case-yritys Oy Hartwall Ab:ssä kevään 2004 aikana. Mittauksen perusjoukkona oli Oy Hartwall Ab:n myyntiorganisaatio. Mittauksen otoskoko oli N=64, henkilöstö: N=49, johto: N=15. Henkilöstönvastausprosentti oli 71 %:a ja johdon 78 %:a. Kyselylomake oli internet-pohjainen. KM-factor¿-mittauksen tulokset analysoi businessXray Oy. Tutkielman tekijä analysoi KM-factor¿-mittauksen tuloksia hyödyntämällä uudistumiskykyinen strategian toteuttaminen -mallia. Organisaatio voi toteuttaa strategiaansa uudistumiskykyisesti toteuttamalla ja uudistamalla strategiaansa yhtenäisesti strategisen fokuksensa mukaisesti. Tämä onnistuu toteuttamalla strategiaa uudistumiskykyisen strategian toteuttamisen -mallin mukaisesti. Mallia hyödyntämällä organisaation johto kykenee organisoimaanstrategian toteutuksen yrityksen strategisen fokuksen mukaisesti.

Segmentation model for small and medium size business sector: Case Oy Compaq Computer Ab

Markkinasegmentointi nousi esiin ensi kerran jo 50-luvulla ja se on ollut siitä lähtien yksi markkinoinnin peruskäsitteistä. Suuri osa segmentointia käsittelevästä tutkimuksesta on kuitenkin keskittynyt kuluttajamarkkinoiden segmentointiin yritys- ja teollisuusmarkkinoiden segmentoinnin jäädessä vähemmälle huomiolle. Tämän tutkimuksen tavoitteena on luoda segmentointimalli teollismarkkinoille tietotekniikan tuotteiden ja palveluiden tarjoajan näkökulmasta. Tarkoituksena on selvittää mahdollistavatko case-yrityksen nykyiset asiakastietokannat tehokkaan segmentoinnin, selvittää sopivat segmentointikriteerit sekä arvioida tulisiko tietokantoja kehittää ja kuinka niitä tulisi kehittää tehokkaamman segmentoinnin mahdollistamiseksi. Tarkoitus on luoda yksi malli eri liiketoimintayksiköille yhteisesti. Näin ollen eri yksiköiden tavoitteet tulee ottaa huomioon eturistiriitojen välttämiseksi. Tutkimusmetodologia on tapaustutkimus. Lähteinä tutkimuksessa käytettiin sekundäärisiä lähteitä sekä primäärejä lähteitä kuten case-yrityksen omia tietokantoja sekä haastatteluita. Tutkimuksen lähtökohtana oli tutkimusongelma: Voiko tietokantoihin perustuvaa segmentointia käyttää kannattavaan asiakassuhdejohtamiseen PK-yritys sektorilla? Tavoitteena on luoda segmentointimalli, joka hyödyntää tietokannoissa olevia tietoja tinkimättä kuitenkaan tehokkaan ja kannattavan segmentoinnin ehdoista. Teoriaosa tutkii segmentointia yleensä painottuen kuitenkin teolliseen markkinasegmentointiin. Tarkoituksena on luoda selkeä kuva erilaisista lähestymistavoista aiheeseen ja syventää näkemystä tärkeimpien teorioiden osalta. Tietokantojen analysointi osoitti selviä puutteita asiakastiedoissa. Peruskontaktitiedot löytyvät mutta segmentointia varten tietoa on erittäin rajoitetusti. Tietojen saantia jälleenmyyjiltä ja tukkureilta tulisi parantaa loppuasiakastietojen saannin takia. Segmentointi nykyisten tietojen varassa perustuu lähinnä sekundäärisiin tietoihin kuten toimialaan ja yrityskokoon. Näitäkään tietoja ei ole saatavilla kaikkien tietokannassa olevien yritysten kohdalta.

Tautomerism and Fragmentation of Biologically Active Hetero Atom (O, N)-Containing Acyclic and Cyclic Compounds Under Electron Ionization

In this thesis a total of 86 compounds containing the hetero atoms oxygen and nitrogen were studied under electron ionization mass spectrometry (EIMS). These compounds are biologically active and were synthesized by various research groups. The main attention of this study was paid on the fragmentations related to different tautomeric forms of 2- phenacylpyridines, 2-phenacylquinolines, 8-aryl-3,4-dioxo-2H,8H-6,7-dihydroimidazo- [2,1-c][1,2,4]triazines and aryl- and benzyl-substituted 2,3-dihydroimidazo[1,2-a]pyrimidine-5,7-(1H,6H)-diones. Also regio/stereospecific effects on fragmentations of pyrrolo- and isoindoloquinazolinones and naphthoxazine, naphthpyrrolo-oxazinone and naphthoxazino-benzoxazine derivatives were screened. Results were compared with NMR data, when available. The first part of thesis consists of theory and literature review of different types of tautomerism and fragmentation mechanisms in EIMS. The effects of tautomerism in biological systems are also briefly reviewed. In the second part of the thesis the own results of the author, based on six publications,are discussed. For 2-phenacylpyridines and 2-phenacylquinolines the correlation of different Hammett substituent constants to the relative abundances (RA) or total ion currents (% TIC) of selected ions were investigated. Although it was not possible to assign most of the ions formed unambiguously to the different tautomers, the linear fits of their RAs and % TICs can be related to changing contributions of different tautomeric forms. For dioxoimidazotriazines and imidazopyrimidinediones the effects of substituents were rather weak. The fragmentations were also found useful for obtaining structural information. Some stereoisomeric pairs of pyrrolo- and isoindoloquinazolines and regiomeric pairs of naphtoxazine derivatives showed clear differences in thir mass spectra. Some mechanisms are suggested for their fragmentations.