Bottom up strategies for the morphology control of BaTiO3 particulates

As propriedades funcionais dos materiais ferroeléctricos tais como a polarização reversível, piroelectricidade, piezoelectricidade, elevada actividade óptica não linear e comportamento dieléctrico não linear são fundamentais para a sua aplicação em sensores, microactuadores, detectores de infravermelhos, filtros de fase de microondas e memórias não-voláteis. Nos últimos anos, motivado pelas necessidades industriais de redução do tamanho dos dispositivos microelectrónicos, aumentando a eficiência volumétrica, tem sido feito um grande esforço ao nível da investigação para desenvolver estruturas ferroeléctricas à escala micro- e nano- métrica. É sabido que a redução de tamanho em materiais ferroeléctricos afecta significamente as suas propriedades. Neste sentido e considerando que foi previsto teoreticamente por cálculos ab initio que estruturas do tipo nanocilindros e nanodiscos apresentariam um novo tipo de ordem ferroeléctrica e, na expectativa de alcançar conhecimento para o desenvolvimento de uma nova geração de dispositivos microelectróncos, existe um grande interesse em desenvolver métodos de fabrico de nanoestruturas ferroeléctricas unidimensionais (1D) tais como nanocilindros e nanotubos. As estratégias de fabrico de nanoestruturas 1D até agora descritas na literatura indicam claramente as dificuldades inerentes à sua preparação. Existem duas grandes vias de síntese destas nanoestruturas: i) o método “topdown” que consiste na redução de tamanho de um dado material até à obtenção duma estrutura 1D; e ii) o método “bottom-up” em que átomos, iões e moléculas são agrupados para formar um material 1D. O método “top down” envolve em geral técnicas de desgaste, como o uso do feixe de electrões, que apesar de permitirem elevada precisão no posicionamento e no controlo do tamanho, falham em termos de resolução, exigem muito tempo e causam facilmente defeitos que deterioram as propriedades físicas destes materiais. Na metodologia “bottom up” a utilização de moléculas ou estruturas “molde” tem sido a mais explorada. As estructuras 1D podem também ser preparadas sem recorrer a “moldes”. Neste caso a agregação orientada é promovida pelo recurso a aditivos que controlam o crescimento dos cristais em direcções preferenciais. Neste contexto, neste trabalho utilizaram-se duas estratégias “bottom up” de baixo custo para a preparação de nanopartículas de titanato de bário (BaTiO3) com morfologia controlada: 1) síntese química (em solução e em fase vapor) com utilização de nanotubos de titanato TiNTs) como “moldes” e precursores de titânio 2) síntese química em solução com presença de aditivos. Os nanotubos de titanato de sódio foram preparados por síntese hidrotermal. Como existiam muitas dúvidas acerca da natureza estrutural e do mecanismo de formação dos NTs, a parte inicial do trabalho foi dedicada à realização de um estudo sistemático dos parâmetros intervenientes na síntese e à caracterização da sua estrutura e microestrutura. Foi demonstrado que os NTs têm a fórmula geral A2Ti2O5 (A = H+ or Na+), e não TiO2 (anátase) com defendido por vários autores na literatura, e podem ser preparados por método hidrotermal em meio fortemente alcalino usando como fonte de titânio TiO2 comercial na forma de anátase ou rútilo. A menor reactividade do rútilo exige temperaturas de síntese superiores ou tempos de reacção mais longos. A forma tubular resulta do tratamento hidrotermal e não de processos de lavagem e neutralização subsequentes. Se os NTs forem tratados após a síntese hidrotérmica em água a 200 ºC, transformam-se em nanocilindros. Uma das partes principais desta tese consistiu na investigação do papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3. O potencial funcionamento dos NTs como “moldes” para além de precursores foi testado em reacção com hidróxido de bário em síntese em solução e por reacção com um precursor orgânico de bário em fase vapor. Tendo por base os estudos cinéticos realizados, bem como as alterações estruturais e morfológicas das amostras, é possível concluir que a formação do BaTiO3 a partir de NTs de titanato de sódio, ocorre por dois mecanismos dependendo da temperatura e tempo de reacção. Assim, a baixa temperatura e curto tempo de reacção verifica-se que se formam partículas dendríticas de BaTiO3 cuja superfície é bastante irregular (“wild”) e que apresentam estrutura pseudo-cúbica. Estas partículas formam-se por reacção topotáctica na fronteira dos nanotubos de titanato de sódio. A temperaturas mais altas e/ou reacções mais longas, a reacção é controlada por um mecanismo de dissolução e precipitação com formação de dendrites de BaTiO3 tetragonais com superfície mais regular (“seaweed”). A microscopia de força piezoeléctrica mostrou que as dendrites “seaweeds“ possuem actividade piezoeléctrica superior à das dendrites “wild”, o que confirma o papel desempenhado pela estrutura e pela concentração de defeitos na rede na coerência e ordem ferroeléctrica de nanoestruturas. Os nossos resultados confirmam que os NTs de titanato não actuam facilmente como “moldes” na síntese em solução de BaTiO3 já que a velocidade de dissolução dos NTs em condições alcalinas é superior à velocidade de formação do BaTiO3. Assumindo que a velocidade de reacção dos NTs com o precursor de bário é superior em fase vapor, efectuou-se a deposição de um precursor orgânico de bário por deposição química de vapor sobre um filme de NTs de titnato de sódio depositados por deposição electroforética. Estudou-se a estabilidade dos NTs nas diferentes condições do reactor. Quando os NTs são tratados a temperaturas superiores a 700 ºC, ocorre a transformação dos NTs em nanocilindros de anatase por um mecanismo de agregação orientada. Quando se faz a deposição do precursor de bário, seguida de calcinação a 700 ºC em atmosfera oxidante de O2, verifica-se que a superficie dos NTs fica coberta com nanocristais de BaTiO3 independentemente da concentração de bário. O papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em fase vapor é assim descrito pela primeira vez. Em relação à metodologias de crescimento de partículas na ausência de “moldes” mas com aditivos fez-se um estudo sistemático utilizando 5 aditivos de natureza differente. As diferenças entre aditivos foram sistematizadas tendo em conta as diferenças estruturais e morfológicas verificadas. Está provado que os aditivos podem funcionar como modificadores de crescimento cristalino por alteração do seu padrão de crescimento ou por alteração da cinética de crescimento das faces cristalográficas do cristal. Entre os aditivos testados verificou-se que o ácido poliacrilíco adsorve em faces específicas do BaTiO3 alterando a cinética de crescimento e induzindo a agregação orientada das partículas. O polivinilpirrolidona, o docecilsulfato de sódio e hidroxipropilmetilcelulose actuam mais como inibidores de crescimento do que como modificadores do tipo de crescimento. A D-frutose aumenta a energia de activação da etapa de nucleação não ocorrendo formação de BaTiO3 para as mesmas condições dos outros aditivos. Esta tese clarifica o papel dos NTs de titanato de sódio enquanto precursores e “moldes” no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em solução e em fase vapor. É feita também a abordagem do controlo morfológico do BaTiO3 através do uso de aditivos. As estratégias de preparação de BaTiO3 propostas são de baixo custo, reprodutíveis e fáceis de efectuar. Os resultados contribuem para uma melhor compreensão da relação tamanho – morfologia – propriedade em materiais ferroeléctricos nanométricos com vista à sua potencial aplicação.

Effects of self-assembly process of latex spheres on the final topology of macroporous silica

This paper surveys the topology of macroporous silica prepared using latex templates covering the submicrometric range (0.1-0.7 mu m). The behavior of latex spheres in aqueous dispersion has been analyzed by dynamic light scattering (DLS) measurement indicating the most appropriate conditions to form well-defined cubic arrays. The optical behavior of latex spheres has been analyzed by transmittance and reflectance measurements in order to determine their diameter and filling factor when they were assembled in bidimensional arrays. Macroscopic templates have been obtained by a centrifugation process and their crystalline ordering has been confirmed by porosimetry and scanning electron microscopy. These self-assembled structures have been used to produce macroporous silica, whose final topology depends on the pore size distribution of the original template. It has been seen that latex spheres are ordered in a predominant fcc arrangement with slipping of tetragonal pores due to the action of attractive electrostatic interactions. The main effect is to change the spherical shape of voids in macroporous silica into a hexagonal configuration with possible applications to fabricate photonic devices with novel optical properties. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Morphology and topography analysis of mesoporous titania templated by micrometric latex sphere arrays

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Morphology and topography analysis of mesoporous titania templated by micrometric latex sphere arrays

In this work, mesoporous titania is prepared by templating latex sphere arrays with four different sphere diameters at the micrometric scale (phi > 1 mu m). The mesoporous titania homogeneously covers the latex spheres and substrate, forming a thin coating characterized by N-2 adsorption isotherm, small angle X-rays scattering, atomic force, field emission and transmission electronic microscopies. Mesoporous titania has been templated into different shapes such as hollow particles and monoliths according to the amount of sol used to fill the voids of the close packed latex spheres. Titania topography strongly depends on the adsorption of polymeric segments over latex spheres surface, which could be decreased by changing the dimensions of latex spheres (phi = 9.5 mu m) generating a lamellar architecture. Thus, micrometric latex sphere arrays can be used to achieve new surface patterns for mesoporous materials via a fast and inexpensive chemical route for construction of functional devices in different technological fields such as energy conversion, inclusion chemistry and biomaterials. (C) 2011 Elsevier Inc. All rights reserved.

Chemical approaches of penicillin allergy—III Isolation of the penicillin-free carrier receptor protein (CRP) on a polymeric 7-deoxy penicillin analogue template and its role in penicillin immunogeneses in rabbit and man

Specific penicillin-carrier receptor proteins (CRP) have been isolated from the sera of penicillin allergic rabbits and human subjects in the unconjugated native state in electrophoretically homogeneous form by employing a synthetic polymeric affinity template containing the 7-deoxy analogue of penicillin G. The synthesis of the 7-deoxy analogue has been described. In this affinity system the antipenicillin-antibody is desorbed by 0·9M thiourea and the CRP in 8M urea. The CRP after incubation with penicillin is converted into the full-fledged antigen. Studies on the origin of CRP and the nature of antibody as well as comparative studies on the properties of the rabbit antibody and those of antibodies elicited by a BSA-BPO conjugate are reported.

A template-free, combustion-chemical route to macroporous nickel monoliths displaying a hierarchy of pore sizes

Recently, we demonstrated a very general route to monolithic macroporous materials prepared without the use of templates (Rajamathi et al. J. Mater. Chem. 2001, 11, 2489). The route involves finding a precursor containing two metals, A and B, whose oxides are largely immiscible. Firing of the precursor followed by suitable sintering results in a monolith from which one of the oxide phases can be chemically leached out to yield a macroporous mass of the other oxide phase. The metals A and B that we employed in the demonstration were Ni and Zn. From the NiO-ZnO monolith that was obtained by decomposing the precursor, ZnO could be leached out at high pH to yield macroporous NiO. In the present work, we show that combustion-chemical (also called self-propagating) decomposition of a mixture of Ni and Zn nitrates with urea as a fuel yields an intimate mixture of the oxides that can be sintered and leached with alkali to form a macroporous NiO monolith. The new process that we present here thereby avoids the need for a crystalline single-source precursor. A novel and unanticipated aspect of the present work is that the combination of high temperatures and rapid quenching associated with combustion synthesis results in an intimate mixture of wurtzite ZnO and the metastable rock-salt Ni1-xZnxO where x is about 0.3. Leaching this monolith with alkali gives a macroporous mass of rock-salt Ni1-xZnxO, which upon reduction in H-2/Ar forms macroporous Ni and ZnO. There are thus two stages in the process that lead to two modes of pore formation. The first is associated with leaching of ZnO by alkali. The second is associated with the reduction of porous Ni1-xZnxO to give porous Ni and ZnO.

Structural and optical properties of Al1-xInxN epilayers on GaN template grown by metalorganic chemical vapor deposition

This paper reports that Al1-xInxN epilayers were grown on GaN template by metalorganic chemical vapor deposition with an In content of 7%-20%. X-ray diffraction results indicate that all these Al1-xInxN epilayers have a relatively low density of threading dislocations. Rutherford backscattering/channeling measurements provide the exact compositional information and show that a gradual variation in composition of the Al1-xInxN epilayer happens along the growth direction. The experimental results of optical reflection clearly show the bandgap energies of Al1-xInxN epilayers. A bowing parameter of 6.5 eV is obtained from the compositional dependence of the energy gap. The cathodoluminescence peak energy of the Al1-xInxN epilayer is much lower than its bandgap, indicating a relatively large Stokes shift in the Al1-xInxN sample.

Polymer supported metal complexes as catalysts for oxidation of thiosalts by molecular oxygen IV. Quaternised poly(4-vinyl pyridine) complexes with Cu2+ as template

Copper(II) complexes of quaternised poly(4-vinylpyridine) (PVP) of different degrees of quaternisation and copper content have been prepared by crosslinking the polymer with 1,2-dibromoethane in the presence of Cu2+ ion as template. The stability constant of the PVP---Cu(II) complexes is found to increase with the degree of crosslinking quaternisation of the resin, but the rate at which Cu2+ is adsorbed by the resin decreases. An optimum combination of both stability and rate can be achieved with a moderate degree (31%) of crosslinking. A kinetic study reveals that quaternisation increases significantly the catalytic activity of the complex for the oxidation of S2O2−3 by O2 compared with PVP----Cu(II) without quaternisation, but it deactivates the complex for the oxidation of both S3O2−6 and S4O2−6. The batch reactor oxidation kinetics at pH 2.16, where the rate is observed to be maximum, is well explained by the Langmuir—Hinshelwood model assuming the coordination of both O2 and thioanion to Cu(II) as a precursor to the oxidation reaction.

Template-free multicomponent coordination-driven self-assembly of Pd(II)/Pt(II) molecular cages

Recent years have seen a tremendous increase in the interest for constructing hollowed-out molecular frameworks, for their potential uses. Metal-ligand coordination-driven self-assembly has provided multitudes of opportunities in the formation of molecular architectures of desired shapes and sizes, with the help of the information already coded in the components. This article summarizes the recent developments in the construction of multicomponent molecular cages through this process, with a focus on the decreasing relevance of templates, and use of these systems in catalysis/host-guest chemistry.

Improving Nucleation in the Fabrication of High-Quality 3D Macro-Porous Copper Film through The Surface-Modification of A Polystyrene Colloid-Assembled Template

A new approach is developed to the fabrication of high-quality three-dimensional macro-porous copper films. A highly-ordered macroporous copper film is successfully produced on a polystyrene sphere (PS) template that has been modified by sodium dodecyl sulfate (SDS). It is shown that this procedure can change a hydrophobic surface of PS template into a hydrophilic surface. The present study is devoted to the influence of the electrolyte solution transport on the nucleation process. It is demonstrated that the permeability of the electrolyte solution in the nanochannels of the PS template plays an important role in the chemical electrodeposition of high-quality macroporous copper film. The permeability is drastically enhanced in our experiment through the surface modi. cation of the PS templates. The method could be used to homogeneously produce a large number of nucleations on a substrate, which is a key factor for the fabrication of the high-quality macroporous copper film.

The parameter space of graphene chemical vapor deposition on polycrystalline Cu

A systematic study of the parameter space of graphene chemical vapor deposition (CVD) on polycrystalline Cu foils is presented, aiming at a more fundamental process rationale in particular regarding the choice of carbon precursor and mitigation of Cu sublimation. CH 4 as precursor requires H 2 dilution and temperatures ≥1000 °C to keep the Cu surface reduced and yield a high-quality, complete monolayer graphene coverage. The H 2 atmosphere etches as-grown graphene; hence, maintaining a balanced CH 4/H 2 ratio is critical. Such balance is more easily achieved at low-pressure conditions, at which however Cu sublimation reaches deleterious levels. In contrast, C 6H 6 as precursor requires no reactive diluent and consistently gives similar graphene quality at 100-150 °C lower temperatures. The lower process temperature and more robust processing conditions allow the problem of Cu sublimation to be effectively addressed. Graphene formation is not inherently self-limited to a monolayer for any of the precursors. Rather, the higher the supplied carbon chemical potential, the higher the likelihood of film inhomogeneity and primary and secondary multilayer graphene nucleation. For the latter, domain boundaries of the inherently polycrystalline CVD graphene offer pathways for a continued carbon supply to the catalyst. Graphene formation is significantly affected by the Cu crystallography; i.e., the evolution of microstructure and texture of the catalyst template form an integral part of the CVD process. © 2012 American Chemical Society.

A study of the degree of relaxation of AlGaN epilayers on GaN template

The strain state of 570nm AlXGa1-xN layers grown on 600nm GaN template by metal organic chemical vapor deposition was studied using Rutherford backscattering (RBS)/channeling and triple-axis X-ray diffraction measurements. The results showed that the degree of relaxation (R) of AlxGa1-xN layers increased almost linearly when x less than or equal to 0.42 and reached to 70% when x = 0.42. Above 0.42, the value of R varied slowly and AI(x)Ga(1-x)N layers almost full relaxed when x = 1 (AIN). In this work the underlying GaN layer was in compressive strain, which resulted in the reduction of lattice misfit between GaN and AlxGa1-xN, and a 570nm AlxGa1-xN layer with the composition of about 0.16 might be grown on GaN coherently from the extrapolation. The different shape of (0004) diffraction peak was discussed to be related to the relaxation. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.