Electrochemical potentials (Quasi-Fermi Levels) and the operation of hot-carrier, impact-ionization, and intermediate-band solar cells

In the framework of the so-called third generation solar cells, three main concepts have been proposed in order to exceed the limiting efficiency of single-gap solar cells: the hot-carrier solar cell, the impact-ionization or multiple-exciton-generation solar cell, and the intermediate-band solar cell. At first sight, the three concepts are different, but in this paper, we illustrate how all these concepts, including the single-gap solar cell, share a common trunk that we call "core photovoltaic material." We demonstrate that each one of these next-generation concepts differentiates in fact from this trunk depending on the hypotheses that are made about the physical principles governing the electron electrochemical potentials. In the process, we also clarify the differences between electron, phonon, and photon chemical potentials (the three fundamental particles involved in the operation of the solar cell). The in-depth discussion of the physics involved about the operation of these cells also provides new insights about the operation of these cells.

The nature of the excited state of the reaction center of photosystem II of green plants: A high-resolution fluorescence spectroscopy study

We studied the electronically excited state of the isolated reaction center of photosystem II with high-resolution fluorescence spectroscopy at 5 K and compared the obtained spectral features with those obtained earlier for the primary electron donor. The results show that there is a striking resemblance between the emitting and charge-separating states in the photosystem II reaction center, such as a very similar shape of the phonon wing with characteristic features at 19 and 80 cm−1, almost identical frequencies of a number of vibrational modes, a very similar double-Gaussian shape of the inhomogeneous distribution function, and relatively strong electron-phonon coupling for both states. We suggest that the emission at 5 K originates either from an exciton state delocalized over the inactive branch of the photosystem or from a fraction of the primary electron donor that is long-lived at 5 K. The latter possibility can be explained by a distribution of the free energy difference of the primary charge separation reaction around zero. Both possibilities are in line with the idea that the state that drives primary charge separation in the reaction center of photosystem II is a collective state, with contributions from all chlorophyll molecules in the central part of the complex.

Determination of the distance between two spin labels attached to a macromolecule.

An EPR "spectroscopic ruler" was developed using a series of alpha-helical polypeptides, each modified with two nitroxide spin labels. The EPR line broadening due to electron-electron dipolar interactions in the frozen state was determined using the Fourier deconvolution method. These dipolar spectra were then used to estimate the distances between the two nitroxides separated by 8-25 A. Results agreed well with a simple alpha-helical model. The standard deviation from the model system was 0.9 A in the range of 8-25 A. This technique is applicable to complex systems such as membrane receptors and channels, which are difficult to access with high-resolution NMR or x-ray crystallography, and is expected to be particularly useful for systems for which optical methods are hampered by the presence of light-interfering membranes or chromophores.

Supercondutividade em ligas de Ta1-xZrx

No presente estudo, amostras policristalinas ricas em Ta e com estequiometrias Ta1-xZrx; x < 0.15; foram preparadas através da mistura apropriada dos elementos metálicos, os quais foram fundidos em forno a arco elétrico sobre uma placa de cobre refrigerada a água e sob atmosfera de argônio de alta pureza. Os padrões de difração de raios-X das ligas, como fundidas (as cast) e tratadas termicamente a 850 °C por 24 h, revelaram a ocorrência de uma estrutura cristalina cúbica de corpo centrada bcc, tipo W, e parâmetros de rede que aumentam suavemente com o aumento do teor de Zr nas ligas. Medidas de susceptibilidade magnética dc, conduzidas nas condições de resfriamento da amostra em campo zero (ZFC) e do resfriamento com o campo magnético aplicado (FC), indicaram que supercondutividade volumétrica é observada abaixo de ~ 5.8, 6.9, 7.0 K em amostras com x = 0.05, 0.08, e 0.10, respectivamente. Essas temperaturas críticas supercondutoras são bastante superiores àquela observada no Ta elementar ~ 4.45 K. Medidas de resistividade elétrica na presença de campos magnéticos aplicados de até 9 T confirmaram a temperatura crítica supercondutora das amostras estudadas. O campo crítico superior Hc2 e o comprimento de coerência E foram estimados a partir dos dados de magnetorresistência. Os valores estimados de Hc2 foram de ~ 0.46, 1.78, 3.85 e 3.97 T, resultando em valores de E ~ 26.0, 13.6, 9.2 e 9.1 nm para as ligas as cast com x = 0.00, 0.05, 0.08 e 0.10, respectivamente. A partir dos dados experimentais do calor específico Cp das ligas, magnitudes estimadas do salto em Cp nas vizinhanças das transições supercondutoras indicaram valores maiores que o previsto pela teoria BCS. Utilizando as equações analíticas derivadas da teoria do acoplamento forte da supercondutividade foi então proposto que o aumento da temperatura de transição supercondutora nas ligas devido a substituição parcial do Ta por Zr está intimamente relacionado ao aumento do acoplamento elétron-fônon, visto que a densidade de estados eletrônicos no nível de Fermi foi estimada ser essencialmente constante através da série Ta1-xZrx com x < 0.10.

Functional surface chemistry of carbon-based nanostructures

The recently discovered abilities to synthesize single-walled carbon nanotubes and prepare single layer graphene have spurred interest in these sp2-bonded carbon nanostructures. In particular, studies of their potential use in electronic devices are many as silicon integrated circuits are encountering processing limitations, quantum effects, and thermal management issues due to rapid device scaling. Nanotube and graphene implementation in devices does come with significant hurdles itself. Among these issues are the ability to dope these materials and understanding what influences defects have on expected properties. Because these nanostructures are entirely all-surface, with every atom exposed to ambient, introduction of defects and doping by chemical means is expected to be an effective route for addressing these issues. Raman spectroscopy has been a proven characterization method for understanding vibrational and even electronic structure of graphene, nanotubes, and graphite, especially when combined with electrical measurements, due to a wealth of information contained in each spectrum. In Chapter 1, a discussion of the electronic structure of graphene is presented. This outlines the foundation for all sp2-bonded carbon electronic properties and is easily extended to carbon nanotubes. Motivation for why these materials are of interest is readily gained. Chapter 2 presents various synthesis/preparation methods for both nanotubes and graphene, discusses fabrication techniques for making devices, and describes characterization methods such as electrical measurements as well as static and time-resolved Raman spectroscopy. Chapter 3 outlines changes in the Raman spectra of individual metallic single-walled carbon nantoubes (SWNTs) upon sidewall covalent bond formation. It is observed that the initial degree of disorder has a strong influence on covalent sidewall functionalization which has implications on developing electronically selective covalent chemistries and assessing their selectivity in separating metallic and semiconducting SWNTs. Chapter 4 describes how optical phonon population extinction lifetime is affected by covalent functionalization and doping and includes discussions on static Raman linewidths. Increasing defect concentration is shown to decrease G-band phonon population lifetime and increase G-band linewidth. Doping only increases G-band linewidth, leaving non-equilibrium population decay rate unaffected. Phonon mediated electron scattering is especially strong in nanotubes making optical phonon decay of interest for device applications. Optical phonon decay also has implications on device thermal management. Chapter 5 treats doping of graphene showing ambient air can lead to inadvertent Fermi level shifts which exemplifies the sensitivity that sp2-bonded carbon nanostructures have to chemical doping through sidewall adsorption. Removal of this doping allows for an investigation of electron-phonon coupling dependence on temperature, also of interest for devices operating above room temperature. Finally, in Chapter 6, utilizing the information obtained in previous chapters, single carbon nanotube diodes are fabricated and characterized. Electrical performance shows these diodes are nearly ideal and photovoltaic response yields 1.4 nA and 205 mV of short circuit current and open circuit voltage from a single nanotube device. A summary and discussion of future directions in Chapter 7 concludes my work.

Fonctionnalisation covalente de monocouches et bicouches de graphène

Le graphène est une nanostructure de carbone hybridé sp2 dont les propriétés électroniques et optiques en font un matériau novateur avec un très large potentiel d’application. Cependant, la production à large échelle de ce matériau reste encore un défi et de nombreuses propriétés physiques et chimiques doivent être étudiées plus en profondeur pour mieux les exploiter. La fonctionnalisation covalente est une réaction chimique qui a un impact important dans l’étude de ces propriétés, car celle-ci a pour conséquence une perte de la structure cristalline des carbones sp2. Néanmoins, la réaction a été très peu explorée pour ce qui est du graphène déposé sur des surfaces, car la réactivité chimique de ce dernier est grandement dépendante de l’environnement chimique. Il est donc important d’étudier la fonctionnalisation de ce type de graphène pour bien comprendre à la fois la réactivité chimique et la modification des propriétés électroniques et optiques pour pouvoir exploiter les retombées. D’un autre côté, les bicouches de graphène sont connues pour avoir des propriétés très différentes comparées à la monocouche à cause d’un empilement des structures électroniques, mais la croissance contrôlée de ceux-ci est encore très difficile, car la cinétique de croissance n’est pas encore maîtrisée. Ainsi, ce mémoire de maîtrise va porter sur l’étude de la réactivité chimique du graphène à la fonctionnalisation covalente et de l’étude des propriétés optiques du graphène. Dans un premier temps, nous avons effectué des croissances de graphène en utilisant la technique de dépôt chimique en phase vapeur. Après avoir réussi à obtenir du graphène monocouche, nous faisons varier les paramètres de croissance et nous nous rendons compte que les bicouches apparaissent lorsque le gaz carboné nécessaire à la croissance reste présent durant l’étape de refroidissement. À partir de cette observation, nous proposons un modèle cinétique de croissance des bicouches. Ensuite, nous effectuons une étude approfondie de la fonctionnalisation du graphène monocouche et bicouche. Tout d’abord, nous démontrons qu’il y a une interaction avec le substrat qui inhibe grandement le greffage covalent sur la surface du graphène. Cet effet peut cependant être contré de plusieurs façons différentes : 1) en dopant chimiquement le graphène avec des molécules réductrices, il est possible de modifier le potentiel électrochimique afin de favoriser la réaction; 2) en utilisant un substrat affectant peu les propriétés électroniques du graphène; 3) en utilisant la méthode d’électrogreffage avec une cellule électrochimique, car elle permet une modulation contrôlée du potentiel électrochimique du graphène. De plus, nous nous rendons compte que la réactivité chimique des bicouches est moindre dû à la rigidité de structure due à l’interaction entre les couches. En dernier lieu, nous démontrons la pertinence de la spectroscopie infrarouge pour étudier l’effet de la fonctionnalisation et l’effet des bicouches sur les propriétés optiques du graphène. Nous réussissons à observer des bandes du graphène bicouche dans la région du moyen infrarouge qui dépendent du dopage. Normalement interdites selon les règles de sélection pour la monocouche, ces bandes apparaissent néanmoins lorsque fonctionnalisée et changent grandement en amplitude dépendamment des niveaux de dopage et de fonctionnalisation.

Fonctionnalisation covalente de monocouches et bicouches de graphène

Le graphène est une nanostructure de carbone hybridé sp2 dont les propriétés électroniques et optiques en font un matériau novateur avec un très large potentiel d’application. Cependant, la production à large échelle de ce matériau reste encore un défi et de nombreuses propriétés physiques et chimiques doivent être étudiées plus en profondeur pour mieux les exploiter. La fonctionnalisation covalente est une réaction chimique qui a un impact important dans l’étude de ces propriétés, car celle-ci a pour conséquence une perte de la structure cristalline des carbones sp2. Néanmoins, la réaction a été très peu explorée pour ce qui est du graphène déposé sur des surfaces, car la réactivité chimique de ce dernier est grandement dépendante de l’environnement chimique. Il est donc important d’étudier la fonctionnalisation de ce type de graphène pour bien comprendre à la fois la réactivité chimique et la modification des propriétés électroniques et optiques pour pouvoir exploiter les retombées. D’un autre côté, les bicouches de graphène sont connues pour avoir des propriétés très différentes comparées à la monocouche à cause d’un empilement des structures électroniques, mais la croissance contrôlée de ceux-ci est encore très difficile, car la cinétique de croissance n’est pas encore maîtrisée. Ainsi, ce mémoire de maîtrise va porter sur l’étude de la réactivité chimique du graphène à la fonctionnalisation covalente et de l’étude des propriétés optiques du graphène. Dans un premier temps, nous avons effectué des croissances de graphène en utilisant la technique de dépôt chimique en phase vapeur. Après avoir réussi à obtenir du graphène monocouche, nous faisons varier les paramètres de croissance et nous nous rendons compte que les bicouches apparaissent lorsque le gaz carboné nécessaire à la croissance reste présent durant l’étape de refroidissement. À partir de cette observation, nous proposons un modèle cinétique de croissance des bicouches. Ensuite, nous effectuons une étude approfondie de la fonctionnalisation du graphène monocouche et bicouche. Tout d’abord, nous démontrons qu’il y a une interaction avec le substrat qui inhibe grandement le greffage covalent sur la surface du graphène. Cet effet peut cependant être contré de plusieurs façons différentes : 1) en dopant chimiquement le graphène avec des molécules réductrices, il est possible de modifier le potentiel électrochimique afin de favoriser la réaction; 2) en utilisant un substrat affectant peu les propriétés électroniques du graphène; 3) en utilisant la méthode d’électrogreffage avec une cellule électrochimique, car elle permet une modulation contrôlée du potentiel électrochimique du graphène. De plus, nous nous rendons compte que la réactivité chimique des bicouches est moindre dû à la rigidité de structure due à l’interaction entre les couches. En dernier lieu, nous démontrons la pertinence de la spectroscopie infrarouge pour étudier l’effet de la fonctionnalisation et l’effet des bicouches sur les propriétés optiques du graphène. Nous réussissons à observer des bandes du graphène bicouche dans la région du moyen infrarouge qui dépendent du dopage. Normalement interdites selon les règles de sélection pour la monocouche, ces bandes apparaissent néanmoins lorsque fonctionnalisée et changent grandement en amplitude dépendamment des niveaux de dopage et de fonctionnalisation.

Fingerprints of a size-dependent crossover in the dimensionality of electronic conduction in Au-seeded Ge nanowires

We studied the electrical transport properties of Au-seeded germanium nanowires with radii ranging from 11 to 80 nm at ambient conditions. We found a non-trivial dependence of the electrical conductivity, mobility and carrier density on the radius size. In particular, two regimes were identified for large (lightly doped) and small (stronger doped) nanowires in which the charge-carrier drift is dominated by electron-phonon and ionized-impurity scattering, respectively. This goes in hand with the finding that the electrostatic properties for radii below ca. 37 nm have quasi one-dimensional character as reflected by the extracted screening lengths.

Electron-electron interactions in polyacetylene

Experimental evidence for strong electron-electron interactions in polyacetylene is presented. These include (i) observation of a dipole forbidden state below the optical gap, (ii) observation of negative spin densities at sites at which noninteracting models predict zero spin density (iii) vanishing optical gap, in the infinite chain limit, in the closely related symmetrical linear cyanine dyes. To correctly explain these features it is necessary to solve correlated model Hamiltonians. Using diagrammatic valence bond method model exact solutions of correlated models of finite-size systems can be obtained and various physical properties of the low-lying states can be computed. These properties, when extrapolated to the infinite chain limit explain many of the experimental features observed in polyacetylene.

Effects of electron-electron interactions on the electronic Raman scattering of graphite in high magnetic fields

We report the observation of strongly temperature (T)-dependent spectral lines in electronic Raman-scattering spectra of graphite in a high magnetic field up to 45 T applied along the c axis. The magnetic field quantizes the in-plane motion, while the out-of-plane motion remains free, effectively reducing the system dimension from 3 to 1. Optically created electron-hole pairs interact with, or shake up, the one-dimensional Fermi sea in the lowest Landau subbands. Based on the Tomonaga-Luttinger liquid theory, we show that interaction effects modify the spectral line shape from (ω-Δ)-1/2 to (ω-Δ)2α-1/2 at T = 0. At finite T, we predict a thermal broadening factor that increases linearly with T. Our model reproduces the observed T-dependent line shape, determining the electron-electron interaction parameter α to be ∼0.05 at 40 T. © 2014 American Physical Society.

Ultrafast non-thermal electron dynamics in single layer graphene

The impulsive optical excitation of carriers in graphene creates an out-of-equilibrium distribution, which thermalizes on an ultrafast timescale [1-4]. This hot Fermi-Dirac (FD) distribution subsequently cools via phonon emission within few hundreds of femtoseconds. While the relaxation mechanisms mediated by phonons have been extensively investigated, the initial stages, ruled by fundamental electron-electron (e-e) interactions still pose a challenge. © 2013 IEEE.

Strong Spin-Orbit Interactions in an InAlAs/InGaAs/InAlAs Two-Dimensional Electron Gas by Weak Antilocalization Analysis

Spin-orbit interactions in a two-dimensional electron gas were studied in an InAlAs/InGaAs/InAlAs quantum well. Since weak anti localization effects take place far beyond the diffusive regime, (i.e., the ratio of the characteristic magnetic field, at which the magnetoresistance correction maximum occurs, to the transport magnetic field is more than ten) the experimental data are examined by the Golub theory, which is applicable to both diffusive regime and ballistic regime. Satisfactory fitting lines to the experimental data have been achieved using the Golub theory. In the strong spin-orbit interaction two-dimensional electron gas system, the large spin splitting energy of 6.08 meV is observed mainly due to the high electron concentration in the quantum well. The temperature dependence of the phase-breaking rate is qualitatively in agreement with the theoretical predictions. (C) 2009 The Japan Society of Applied Physics