Propagation of the Ignition Front against Airflow in Packed Beds of Wood Particles

Combustion of wood is increasing because of the needs of decreasing the emissions of carbon dioxide and the amount of waste going to landfills. Wood based fuels are often scattered on a large area. The transport distances should be short enough to prevent too high costs, and so the size of heating and power plants using wood fuels is often rather small. Combustion technologies of small-size units have to be developed to reach efficient and environmentally friendly energy production. Furnaces that use different packed bed combustion or gasification techniques areoften most economic in small-scale energy production. Ignition front propagation rate affects the stability, heat release rate and emissions of packed bed combustion. Ignition front propagation against airflow in packed beds of wood fuels has been studied. The research has been carried out mainly experimentally. Theoretical aspects have been considered to draw conclusions about the experimental results. The effects of airflow rate, moisture content of the fuel, size, shape and density of particles, and porosity of the bed on the propagation rate of the ignition front have been studied. The experiments were carried out in a pot furnace. The fuels used in the experiments were mainly real wood fuels that are often burned in the production of energy. The fuel types were thin wood chips, saw dust, shavings, wood chips, and pellets with different sizes. Also a few mixturesof the above were tested. Increase in the moisture content of the fuel decreases the propagation rates of the ignition front and makes the range of possible airflow rates narrower because of the energy needed for the evaporation of water and the dilution of volatile gases due to evaporated steam. Increase in the airflow rate increases the ignition rate until a maximum rate of propagation is reached after which it decreases. The maximum flame propagation rate is not always reached in stoichiometric combustion conditions. Increase in particle size and density transfers the optimum airflow rate towards fuel lean conditions. Mixing of small and large particles is often advantageous, because small particles make itpossible to reach the maximum ignition rate in fuel rich conditions, and large particles widen the range of possible airflow rates. A correlation was found forthe maximum rate of ignition front propagation in different wood fuels. According to the correlation, the maximum ignition mass flux is increased when the sphericity of the particles and the porosity of the bed are increased and the moisture content of the fuel is decreased. Another fit was found between sphericity and porosity. Increase in sphericity decreases the porosity of the bed. The reasons of the observed results are discussed.

Dynamic modeling and simulation of the airflow cleaning device

The objective of the work is to study the flow behavior and to support the design of air cleaner by dynamic simulation.In a paper printing industry, it is necessary to monitor the quality of paper when the paper is being produced. During the production, the quality of the paper can be monitored by camera. Therefore, it is necessary to keep the camera lens clean as wood particles may fall from the paper and lie on the camera lens. In this work, the behavior of the air flow and effect of the airflow on the particles at different inlet angles are simulated. Geometries of a different inlet angles of single-channel and double-channel case were constructed using ANSYS CFD Software. All the simulations were performed in ANSYS Fluent. The simulation results of single-channel and double-channel case revealed significant differences in the behavior of the flow and the particle velocity. The main conclusion from this work are in following. 1) For the single channel case the best angle was 0 degree because in that case, the air flow can keep 60% of the particles away from the lens which would otherwise stay on lens. 2) For the double channel case, the best solution was found when the angle of the first inlet was 0 degree and the angle of second inlet was 45 degree . In that case, the airflow can keep 91% of particles away from the lens which would otherwise stay on lens.

Quantum transport phenomena and shallow impurity states in CdSb

This work is dedicated to investigation of the energy spectrum of one of the most anisotropic narrow-gap semiconductors, CdSb. At the beginning of the present studies even the model of its energy band structure was not clear. Measurements of galvanomagnetic effects in wide temperature range (1.6 - 300 K) and in magnetic fields up to 30 T were chosen for clarifying of the energy spectrum in the intentionally undoped CdSb single crystals and doped with shallow impurities (In, Ag). Detection of the Shubnikov - de Haas oscillations allowed estimating the fundamental energy spectrum parameters. The shapes of the Fermi surfaces of electrons (sphere) and holes (ellipsoid), the number of the equivalent extremums for valence band (2) and their positions in the Brillouin zone were determined for the first time in this work. Also anisotropy coefficients, components of the tensor of effective masses of carriers, effective masses of density of states, nonparabolicity of the conduction and valence bands, g-factor and its anisotropy for n- and p-CdSb were estimated for the first time during these studies. All the results obtained are compared with the cyclotron resonance data and the corresponding theoretical calculations for p-CdSb. This is basic information for the analyses of the complex transport properties of CdSb and for working out the energy spectrum model of the shallow energy levels of defects and impurities in this semiconductor. It was found out existence of different mechanisms of hopping conductivity in the presence of metal - insulator transition induced by magnetic field in n- and p-CdSb. Quite unusual feature opened in CdSb is that different types of hopping conductivity may take place in the same crystal depending on temperature, magnetic field or even orientation of crystal in magnetic field. Transport properties of undoped p-CdSb samples show that the anisotropy of the resistivity in weak and strong magnetic fields is determined completely by the anisotropy of the effective mass of the holes. Temperature and magnetic field dependence of the Hall coefficient and magnetoresistance is attributed to presence of two groups of holes with different concentrations and mobilities. The analysis demonstrates that below Tcr ~ 20 K and down to ~ 6 - 7 K the low-mobile carriers are itinerant holes with energy E2 ≈ 6 meV. The high-mobile carriers, at all temperatures T < Tcr, are holes activated thermally from a deeper acceptor band to itinerant states of a shallower acceptor band with energy E1 ≈ 3 meV. Analysis of temperature dependences of mobilities confirms the existence of the heavy-hole band or a non-equivalent maximum and two equivalent maxima of the light-hole valence band. Galvanomagnetic effects in n-CdSb reveal the existence of two groups of carriers. These are the electrons of a single minimum in isotropic conduction band and the itinerant electrons of the narrow impurity band, having at low temperatures the energies above the bottom of the conduction band. It is found that above this impurity band exists second impurity band of only localized states and the energy of both impurity bands depend on temperature so that they sink into the band gap when temperature is increased. The bands are splitted by the spin, and in strong magnetic fields the energy difference between them decreases and redistribution of the electrons between the two impurity bands takes place. Mobility of the conduction band carriers demonstrates that scattering in n-CdSb at low temperatures is strongly anisotropic. This is because of domination from scattering on the neutral impurity centers and increasing of the contribution to mobility from scattering by acoustic phonons when temperature increases. Metallic conductivity in zero or weak magnetic field is changed to activated conductivity with increasing of magnetic field. This exhibits a metal-insulator transition (MIT) induced by the magnetic field due to shift of the Fermi level from the interval of extended states to that of the localized states of the electron spectrum near the edge of the conduction band. The Mott variablerange hopping conductivity is observed in the low- and high-field intervals on the insulating side of the MIT. The results yield information about the density of states, the localization radius of the resonant impurity band with completely localized states and about the donor band. In high magnetic fields this band is separated from the conduction band and lies below the resonant impurity bands.

Ilmavirtausten laskennallinen mallinnus

Diplomityössä tutkitaan kolmea erilaista virtausongelmaa CFD-mallinnuksella. Yhteistä näille ongelmille on virtaavana aineena oleva ilma. Lisäksi tapausten perinteinen mittaus on erittäin vaikeaa tai mahdotonta. Ensimmäinen tutkimusongelma on tarrapaperirainan kuivain, jonka tuotantomäärä halutaan nostaa kaksinkertaiseksi. Tämä vaatii kuivatustehon kaksinkertaistamista, koska rainan viipymäaika kuivausalueella puolittuu. Laskentayhtälöillä ja CFD-mallinnuksella tutkitaan puhallussuihkun nopeuden ja lämpötilan muutoksien vaikutusta rainan pinnan lämmön- ja massansiirtokertoimiin. Tuloksena saadaan varioitujen suureiden sekä massan- ja lämmönsiirtokertoimien välille riippuvuuskäyrät, joiden perusteella kuivain voidaan säätää parhaallamahdollisella tavalla. Toinen ongelma käsittelee suunnitteilla olevan kuparikonvertterin sekundaarihuuvan sieppausasteen optimointia. Ilman parannustoimenpiteitä käännetyn konvertterin päästöistä suurin osa karkaa ohi sekundaarihuuvan. Tilannetta tutkitaan konvertterissa syntyvän konvektiivisen nostevirtauksen eli päästöpluumin sekä erilaisten puhallussuihkuratkaisujen CFD-mallinnuksella. Tuloksena saadaan puhallussuihkuilla päästöpluumia poikkeuttava ilmaverho. Suurin osa nousevasta päästöpluumista indusoituu ilmaverhoon ja kulkeutuu poistokanavaan. Kolmas tutkittava kohde on suunnitteilla oleva kuparielektrolyysihalli, jossa ilmanvaihtoperiaatteena on luonnollinen ilmanvaihto ja mekaaninen happosumun keräysjärjestelmä. Ilmanvaihtosysteemin tehokkuus ja sisäilman virtaukset halutaan selvittää ennen hallin rakentamista. CFD-mallinnuksella ja laskentayhtälöillä tutkitaan lämpötila- ja virtauskentät sekä hallin läpi virtaava ilmamäärä ja ilmanvaihtoaste. Tulo- ja poistoilma-aukkojen mitoitukseen ja sijoitukseen liittyvät suunnitteluarvot varmennetaan sekä löydetään ilmanvaihdon ongelmakohdat. Ongelmakohtia tutkitaan ja niille esitetään parannusehdotukset.

LTO- laitteiden vuosihyötysuhteiden vertailututkimus

Tämän työn tavoitteena oli laskea ja vertailla eroja lämmön talteenottolaitteistojen vuosihyötysuhteissa. Tavoitteena oli erityisesti löytää selkeät perusteet Suomen Rakennusmääräyskokoelman osassa D2 esitetyille arvoille vuosihyötysuhdetta laskettaessa. Työn kirjallisuusosassa on käsitelty yleisellä tasolla erityyppisten lämmön talteenottolaitteistojen teoriaa, toimintaperiaatteita ja soveltuvuutta erilaisiin käyttöolosuhteisiin. Työn empiirisessä osassa selvitettiin laboratorio-olosuhteissa virtauksessa mitattujen lämpötila- ja kosteusolosuhteiden vaikutusta lämmön talteenottolaitteiden toimintaan. Lisäksi työssä esitellään yleisellä tasolla mittauksissa käytettyjen mittalaitteiden toimintaa. Suoritettujen mittausten ja laskennan perusteella havaittiin, että laitteistojen vuosihyötysuhteiden välille saatiin odotetunlaisia eroja. Parhaimpiin tuloksiin päästiin regeneratiivisella lämmön talteenottolaitteella.

Ilmakehan hiukkasmaisten ioniyhdisteiden online-mittaus

Ilmakehän hiukkaset aiheuttavat merkittäviä ympäristö- ja terveyshaittoja, joihin vaikuttaa hiukkasten kemiallinen koostumus. Hiukkasten kemiallisesta koostumuksesta voidaan hankkia tietoa hiukkasmittauksilla. Työn tavoitteena oli rakentaa jatkuvatoiminen mittausjärjestelmä, jolla voidaan mitata ilmakehän aerosolihiukkasten ionipitoisuuksia. Mittausjärjestelmä koostuu virtuaali-impaktorista, denuderputkista, PILS-laitteesta ja ionikromatografista. Näyteilmavirtaus kulkee ensin esierottimena toimivan virtuaali-impaktorm lävitse, joka poistaa aerodynaamiselta halkaisijaltaan 1,3 um:a suuremmat hiukkaset ilmavirtauksesta. Näyte, joka sisältää 1,3 um:a pienemmät hiukkaset kulkee virtuaali-impaktorin jälkeen kahden 1 % KOH-liuoksella käsitellyn denuderputken lävitse, joilla poistetaan hiukkasmääritystä häiritsevät happamat kaasut näytevirtauksesta. Denuderputkien jälkeen ilmavirtaus saapuu PILS-laitteeseen, jossa hiukkaset kasvatetaan vesihöyryn avulla aerosolipisaroiksi, törmäytetään keräyslevyyn ja sekoitetaan sen jälkeen sisäistä standardiainetta (NaBr) sisältavään kuljetusliuokseen. Kuljetusliuoksen ja aerosolipisaroiden seoksesta koostuva näyteliuos johdetaan PILS-laitteesta ionikromatografille analysoitavaksi. Mittausjärjestelmään liitetyllä ionikromatografilla voidaan analysoida neljä näytetta tunnissa. Näytteistä määritettävät anionit olivat sulfaatti, nitraatti ja kloridi. PILS-mittausjärjestelmää testattiin keräämällä hiukkasnäytteitä samanaikaisesti PILS-laitteella sekä virtuaali-impaktorilla tai suodatinkeräimellä ja vertaamalla saatuja aerosolihiukkasten sulfaattipitoisuuksia keskenään. Testeissa kerättiin joko VOAG-laitteella tuotettuja ammoniumsulfaattihiukkasia tai laboratorion huoneilmaa. PILS-mittausjärjestelmällä mitatut sulfaattipitoisuudet olivat 2-20 % pienempia kuin suodatinkeraimella mitatut, kun kerättiin keinotekoisesti tuotettuja ammoniumsulfaattihiukkasia. Huoneilmaa kerättäessä PILS-mittausjärjestelmällä saadut pitoisuudet olivat noin 10 % pienempiä kuin suodatinkeräystulokset. Koetulokset osoittivat, että mittausjärjestelmällä saadaan analysoiduksi luotettavasti hiukkasten sulfaattipitoisuudet.

Viilukuivurin suunnittelu kuivaustehon ja -laadun parantamiseksi

Työn tarkoitus tutkia viilukuivurin ilmankiertoa. Tietojen pohjalta suunnitellaan alustava 6-kerroskuivuri. Lisäksi diplomityössä tutkitaan erilaisten kuivausparametrien vaikutusta kuivaustapahtumaan. Viilunkuivauksessa on tärkeää tasainen kuivaustulos. Kuivaustapahtumaan vaikuttavat monet parametrit, joista yksi tärkeimmistä on kuivausilman nopeus suuttimissa. Kun viilukuivurin kuivausilman kierto on tasapainossa, saadaan kuivurin jokaisen kerroksen suutinnopeus yhtäläiseksi. Työ tarkastelee kuivurin kennon eri osien: puhaltimen, patterin, kanavien ja suutinlaatikoiden vaikutusta kuivausilman virtaamiin. Tietojen perusteella on tarkoitus optimoida kuivausolosuhteet kennon eri osissa. Teorian lisäksi työssä on tarkasteltu erilaisten virtausmallien avulla kuivausilman kiertoa kennossa. Eri kuivausparametrien vaikutusta on tutkittu viilun kuivumista simuloivalla ohjelmalla. Kuivurin konstruktion kuormituskestävyyttä on arvioitu FEM-malleilla. Lopputuloksena on saatu alustava malli VTS6x6200 kuivurille.

Laivan ilmastointijärjestelmän perussuunnittelu ja mitoitus

Diplomityön tavoitteena on tarkastella risteilyaluksen ilmastointijärjestelmän suunnittelua ilmamäärien mitoituksen kannalta esisuunnitteluvaiheessa ja lopullisia laskelmia tehtäessä. Teoriaosassa tutustutaan hyvän sisäilmaston tekijöihin ja tarkastellaan ilmankäsittelyä laivoissa yleensä. Tilakohtaisia mitoituksia varten työssä esitellään perusteita, joita suunnittelijan on tunnettava ja huomioitava. Työn tuloksena esitellään laskentaohjelma, joka luo pohjaa tarkempaan ilmamäärälaskentaan standardin ISO 7547 mukaisesti. Ohjelman avulla ilmastoitavaan tilaan saadaan raitisilmamäärään, ilmanvaihtokertoimeen tai lämpökuormiin perustuva ilmamäärä. Esisuunnitteluvaiheessa alustavia ilmamäärälaskelmia tarvitaan tilavarausten riittävyyden tarkasteluun sekä tarjouskeskustelujen aloittamiseen toimittajien kanssa. Ilmamäärän arviointi perustuu vertailulaivoista määritettyihin eri tilatyyppien ja tilojen keskimääräisiin ilmanvaihtokertoimiin. Tilatyyppeihin perustuvilla kertoimilla saadaan tietokoneen avulla nopeasti karkea kuva ilmamäärien suuruusluokasta, tilabudjetin nimityksiin perustuvalla menetelmällä saadaan tarkempia arvioita ilmamääristä.

Kipsilevyn kuivaamisessa tarvittavan puhallutettavan ilmamäärän ja ohjauksen optimointi

Tämä insinöörityö on tehty Saint-Gobain Rakennustuotteet Oy:n Kirkkonummen tehtaan kipsilevyjen kuivauksessa käytettävästä kuivurista. Kuivurissa on monta erilaista tekijää, jotka vaikuttavat kuivumiseen. Työssä keskitytään ilmavirtauksien optimoimiseen tasokohtaisesti kuivurin sisällä. Kuivurissa on kahdeksan tasoa, joilta jokaiselta voi tulla eri tavalla kuivuneita kipsilevyjä. Tämä johtuu tasoilla olevista erilaisista olosuhteista. Tasojen lisäksi on kuivurissa myös kuusi vyöhykettä, jotka ovat rakenteeltaan erilaisia. Tämän työn tarkoituksena on jakaa ilmavirtaukset tasokohtaisesti mahdollisimman tasaisiksi. Ilmavirtausten jakautumista voidaan muuttaa säätöpelleillä, joiden jälkeen ilmavirtaus kulkeutuu kanavia pitkin tasoille. Eri vyöhykkeiden säätöpellit ja ilmakanavat eroavat toisistaan, minkä takia säätöpeltien asennot eivät ole samoja eri vyöhykkeillä. Säätöpeltiä avaamalla tai sulkemalla lisätään tai vähennetään ilmavirtausta. Ilmavirtausten muutokset mitattiin ilmavirtausmittarilla ja pitot-putkella. Mittauspisteet sijaitsivat kuivurin sivuilla. Ensimmäisellä vyöhykkeellä ei ollut tasokohtaisia mittauspisteitä, minkä takia sieltä ei voinut mitata tasokohtaisia virtauksia. Toisella, kolmannella ja viidennellä vyöhykkeillä mittauspisteet olivat tuloilmapuolella. Neljännellä vyöhykkeellä mittauspisteet sijaitsivat poistoilmapuolella ja kuudennella vyöhykkeellä mittauspisteitä ei ollut tehty. Työn alussa käsitellään kuivauksen teoriaa ja siihen vaikuttavia tekijöitä. Keskiosassa kerrotaan kuivureiden toiminnasta yleisesti, minkä jälkeen tarkastellaan Kirkkonummen tehtaan kuivurin toimintaa. Loppuosassa esitellään mittaustulokset ilmavirtauksien jakautumisista tasoille. Tuloksissa kerrotaan, kuinka ilmavirtaukset jakautuivat tasoille eri vyöhykkeillä ennen työn aloittamista. Testimittauksien tuloksista havaitaan, miten ilmavirtaus jakaantuu silloin, kun säätöpellit ovat testimittauasennoissa. Testimittausten ansiosta saatiin selville, kuinka säätöpeltien asentoja tulisi muuttaa, jotta tasojen virtaukset olisivat yhtä suuria. Muutosten jälkeen ilmavirtauksista saatiin tasaisemmat.

Pneumatic Conveying of Granular Materials in a Pilot Scale Downer-Riser System

Studies regarding the field of this work aim to substitute industrial mechanical conveyors with pneumatic conveyors to overcome the disadvantages in solids flow regulation and risks posed to production and health. The experimental part of this work examines how the granular material properties, fluidizing airflow rate, equipment geometry, and pressures along the pipes affect the mass flow rate through the system. The results are compared with those obtained from previous experiments conducted with alumina. Experiments were carried out with a pilot scale downer-riser system at Outotec Research Center Frankfurt. Granular materi-als used in this work are named as sand, ilmenite, iron ore 1 and iron ore 2.

Lastuttavuuskokeiden kartoitus ja suunnitelma m-terästen laadun testaamiseen soveltuvasta uudesta lastuttavuuspikakokeesta

Teräksen hyvällä lastuttavuudella tarkoitetaan useita eri tekijöitä, joita ovat esimerkiksi terän pitkä kestoikä, prosessin kannalta edullinen lastun muoto sekä lastuttavan kappaleen hyvä mittatarkkuus ja pinnan laatu. Materiaalin lastuttavuuden mittaamisella teräksen valmistaja pyrkii varmistumaan siitä, että asiakkaan teräkselle asettamat lastuttavuusvaatimukset täyttyisivät mahdollisimman hyvin. Tämä diplomityö on tehty Ovako Bar Oy Ab:lle Imatran terästehtaalle. Diplomityön tavoitteena oli kartoittaa olemassa olevat lastuttavuuskokeet ja laatia suunnitelma M-teräksen laadun testaamiseen soveltuvasta uudesta lastuttavuuskokeesta Ovakon yli 20 vuotta vanhan lastuttavuuskokeen eli Mq-kokeen tilalle. Mq-kokeen toimivuus on erittäin riippuvainen käytettävästä teräpalasta. Kyseisten teräpalojen valmistus on lopetettu eikä vastaavaa teräpalaa ole saatavilla. Tämän vuoksi oli tarve selvittää mahdollisuuksia korvata Mq-koe. Uuden lastuttavuuskokeen suunnittelua ohjaavat lastuttavuuskokeelle asetettavat vaatimukset, joita ovat luotettavuus, nopeus, helppokäyttöisyys ja pieni koemateriaalimäärän tarve. Tämän työn kirjallisuusosuudessa esitetyistä poraamalla, sorvaamalla ja jyrsimällä tehtävistä lastuttavuuskokeista ei löydy suoraa ratkaisua M-teräksen testaamiseen. Työn soveltavassa osuudessa esitetään kolme koevariaatiota uudeksi lastuttavuuskokeeksi. Ensimmäinen on Mq-koe täydennettynä sitä tukevilla lastuttavuuskokeilla ja siihen liittyvien ongelmien poistaminen. Toinen koevariaatio on pistosorvauskoe, ja kolmantena koekappaleen ja teräpalan väliseen resistanssiin perustuva koe. Kokeiden toimivuudesta M-teräksen testaukseen ei tarkalleen tiedetä, joten työssä on laadittu koejärjestely kokeiden toimivuuden testaamiseksi. Työn keskeisimpiä havaintoja on, että M-teräksen ja normaalin teräksen välinen ero terän kestoiässä mitattuna on kaventunut nykyaikaisten pinnoitettujen teräpalojen vuoksi. Tämä asettaa suuren haasteen uuden kokeen laadinnalle. Lyhyessä kokeellisessa osuudessa testattu pistosorvauskoe kuitenkin antoi myönteisiä tuloksia sen kehityspotentiaalista toimia M-teräksen lastuttavuuskokeena. Diplomityö antaa Ovakolle näkemyksiä erilaisista lastuttavuuskoe vaihtoehdoista ja niiden mahdollisista hyödyistä, haitoista ja mahdollisuuksista. Työssä esitettyjen vaihtoehtojen pohjalta pystytään laatimaan uusi lastuttavuuspikakoe.

Magnetic and transport properties of InGaAs quantum wells with Mn

In the present work structural, magnetic and transport properties of InGaAs quantum wells (QW) prepared by MBE with an remote Mn layer are investigated. By means of high-resolution X-ray diffractometry the structure of the samples is analyzed. It is shown that Mn ions penetrate into the QW. Influence of the thickness of GaAs spacer and annealing at 286 ºС on the properties of the system is shown. It is shown that annealing of the samples led to Mn activation and narrowing of the Mn layer. Substantial role of 2D holes in ferromagnetic ordering in Mn layer is shown. Evidence for that is observation of maximum at 25 – 55 K on the resistivity temperature dependence. Position of maximum, which is used for quantitative assessment of the Curie temperature, correlates with calculations of the Curie temperature for structures with indirect interaction via 2D holes’ channel. Dependence of the Curie temperature on the spacer thickness shows, that creation of applicable spintronic devices needs high-precision equipment to manufacture extra fine structures. The magnetotransport measurements show that charge carrier mobility is very low. This leads to deficiency of the anomalous Hall effect. At the same time, magnetic field dependences of the magnetization at different temperatures demonstrate that systems are ferromagnetically ordered. These facts, most probably, give evidence of presence of the ferromagnetic MnAs clusters.

Galvanomagnetic Phenomena in Ga1_xMnxAs

In this work temperature dependences of resistivity in zero field have been obtained for epitaxially grown Ga1_xMnxAs thin films with 6 % and 8 % Mn content in 50 300 K temperature range. Decrease of resistivity has been observed. Negative magnetoresistance has been explained by empirical spin dependent hopping model. Hall effect has been studied and anomalous Hall effect, inherent to ferromagnetic materials, has been observed. Both normal and anomalous Hall coefficients have been calculated from experimental data, as well as hole densities. Activation energy of impurity level has been estimated.

Magnetic and transport properties of II-V diluted magnetic semiconductors doped with manganese and nickel

This thesis is devoted to investigations of three typical representatives of the II-V diluted magnetic semiconductors, Zn1-xMnxAs2, (Zn1-xMnx)3As2 and p-CdSb:Ni. When this work started the family of the II-V semiconductors was presented by only the compounds belonging to the subgroup II3-V2, as (Zn1-xMnx)3As2, whereas the rest of the materials mentioned above were not investigated at all. Pronounced low-field magnetic irreversibility, accompanied with a ferromagnetic transition, are observed in Zn1-xMnxAs2 and (Zn1-xMnx)3As2 near 300 K. These features give evidence for presence of MnAs nanosize magnetic clusters, responsible for frustrated ground magnetic state. In addition, (Zn1-xMnx)3As2 demonstrates large paramagnetic response due to considerable amount of single Mn ions and small antiferromagnetic clusters. Similar paramagnetic system existing in Zn1-xMnxAs2 is much weaker. Distinct low-field magnetic irreversibility, accompanied with a rapid saturation of the magnetization with increasing magnetic field, is observed near the room temperature in p- CdSb:Ni, as well. Such behavior is connected to the frustrated magnetic state, determined by Ni-rich magnetic Ni1-xSbx nanoclusters. Their large non-sphericity and preferable orientations are responsible for strong anisotropy of the coercivity and saturation magnetization of p- CdSb:Ni. Parameters of the Ni1-xSbx nanoclusters are estimated. Low-temperature resistivity of p-CdSb:Ni is governed by a hopping mechanism of charge transfer. The variable-range hopping conductivity, observed in zero magnetic field, demonstrates a tendency of transformation into the nearest-neighbor hopping conductivity in non-zero magnetic filed. The Hall effect in p-CdSb:Ni exhibits presence of a positive normal and a negative anomalous contributions to the Hall resistivity. The normal Hall coefficient is governed mainly by holes activated into the valence band, whereas the anomalous Hall effect, attributable to the Ni1-xSbx nanoclusters with ferromagnetically ordered internal spins, exhibits a low-temperature power-law resistivity scaling.

Magnetic and transport properties of LaMnO3+δ, La1-xCaxMnO3, La1-xCaxMn1-yFeyO3 and La1-xSrxMn1-yFeyO3

Interest to hole-doped mixed-valence manganite perovskites is connected to the ‘colossal’ magnetoresistance. This effect or huge drop of the resistivity, ρ, in external magnetic field, B, attains usually the maximum value near the ferromagnetic Curie temperature, TC. In this thesis are investigated conductivity mechanisms and magnetic properties of the manganite perovskite compounds LaMnO3+, La1-xCaxMnO3, La1-xCaxMn1-yFeyO3 and La1- xSrxMn1-yFeyO3. When the present work was started the key role of the phase separation and its influence on the properties of the colossal magnetoresistive materials were not clear. Our main results are based on temperature dependencies of the magnetoresistance and magnetothermopower, investigated in the temperature interval of 4.2 - 300 K in magnetic fields up to 10 T. The magnetization was studied in the same temperature range in weak (up to 0.1 T) magnetic fields. LaMnO3+δ is the parent compound for preparation of the hole-doped CMR materials. The dependences of such parameters as the Curie temperature, TC, the Coulomb gap, Δ, the rigid gap, γ, and the localization radius, a, on pressure, p, are observed in LaMnO3+δ. It has been established that the dependences above can be interpreted by increase of the electron bandwidth and decrease of the polaron potential well when p is increased. Generally, pressure stimulates delocalization of the electrons in LaMnO3+δ. Doping of LaMnO3 with Ca, leading to La1-xCaxMnO3, changes the Mn3+/Mn4+ ratio significantly and brings an additional disorder to the crystal lattice. Phase separation in a form of mixture of the ferromagnetic and the spin glass phases was observed and investigated in La1- xCaxMnO3 at x between 0 and 0.4. Influence of the replacement of Mn by Fe is studied in La0.7Ca0.3Mn1−yFeyO3 and La0.7Sr0.3Mn1−yFeyO3. Asymmetry of the soft Coulomb gap and of the rigid gap in the density of localized states, small shift of the centre of the gaps with respect to the Fermi level and cubic asymmetry of the density of states are obtained in La0.7Ca0.3Mn1−yFeyO3. Damping of TC with y is connected to breaking of the double-exchange interaction by doping with Fe, whereas the irreversibility and the critical behavior of the magnetic susceptibility are determined by the phase separation and the frustrated magnetic state of La0.7Sr0.3Mn1−yFeyO3.