Tuning the interfacial properties of supported metal nanoclusters

Nanoclusters are objects made up of several to thousands of atoms and form a transitional state of matter between single atoms and bulk materials. Due to their large surface-to-volume ratio, nanoclusters exhibit exciting and yet poorly studied size dependent properties. When deposited directly on bare metal surfaces, the interaction of the cluster with the substrate leads to alteration of the cluster properties, making it less or even non-functional. Surfaces modified with self-assembled monolayers (SAMs) were shown to form an interesting alternative platform, because of the possibility to control wettability by decreasing the surface reactivity and to add functionalities to pre-formed nanoclusters. In this thesis, the underlying size effects and the influence of the nanocluster environment are investigated. The emphasis is on the structural and magnetic properties of nanoclusters and their interaction with thiol SAMs. We report, for the first time, a ferromagnetic-like spin-glass behaviour of uncapped nanosized Au islands tens of nanometres in size. The flattening kinetics of the nanocluster deposition on thiol SAMs are shown to be mediated mainly by the thiol terminal group, as well as the deposition energy and the particle size distribution. On the other hand, a new mechanism for the penetration of the deposited nanoclusters through the monolayers is presented, which is fundamentally different from those reported for atom deposition on alkanethiols. The impinging cluster is shown to compress the thiol layer against the Au surface and subsequently intercalate at the thiol-Au interface. The compressed thiols try then to straighten and push the cluster away from the surface. Depending on the cluster size, this restoring force may or may not enable a covalent cluster-surface bond formation, giving rise to various cluster-surface binding patterns. Compression and straightening of the thiol molecules pinpoint the elastic nature of the SAMs, which has been investigated in this thesis using nanoindentation. The nanoindenation method has been applied to SAMs of varied tail groups, giving insight into the mechanical properties of thiol modified metal surfaces.

Modelling vacuum arcs : from plasma initiation to surface interactions

A better understanding of vacuum arcs is desirable in many of today's 'big science' projects including linear colliders, fusion devices, and satellite systems. For the Compact Linear Collider (CLIC) design, radio-frequency (RF) breakdowns occurring in accelerating cavities influence efficiency optimisation and cost reduction issues. Studying vacuum arcs both theoretically as well as experimentally under well-defined and reproducible direct-current (DC) conditions is the first step towards exploring RF breakdowns. In this thesis, we have studied Cu DC vacuum arcs with a combination of experiments, a particle-in-cell (PIC) model of the arc plasma, and molecular dynamics (MD) simulations of the subsequent surface damaging mechanism. We have also developed the 2D Arc-PIC code and the physics model incorporated in it, especially for the purpose of modelling the plasma initiation in vacuum arcs. Assuming the presence of a field emitter at the cathode initially, we have identified the conditions for plasma formation and have studied the transitions from field emission stage to a fully developed arc. The 'footing' of the plasma is the cathode spot that supplies the arc continuously with particles; the high-density core of the plasma is located above this cathode spot. Our results have shown that once an arc plasma is initiated, and as long as energy is available, the arc is self-maintaining due to the plasma sheath that ensures enhanced field emission and sputtering. The plasma model can already give an estimate on how the time-to-breakdown changes with the neutral evaporation rate, which is yet to be determined by atomistic simulations. Due to the non-linearity of the problem, we have also performed a code-to-code comparison. The reproducibility of plasma behaviour and time-to-breakdown with independent codes increased confidence in the results presented here. Our MD simulations identified high-flux, high-energy ion bombardment as a possible mechanism forming the early-stage surface damage in vacuum arcs. In this mechanism, sputtering occurs mostly in clusters, as a consequence of overlapping heat spikes. Different-sized experimental and simulated craters were found to be self-similar with a crater depth-to-width ratio of about 0.23 (sim) - 0.26 (exp). Experiments, which we carried out to investigate the energy dependence of DC breakdown properties, point at an intrinsic connection between DC and RF scaling laws and suggest the possibility of accumulative effects influencing the field enhancement factor.

Arbete med naturvetenskap i förskolan : En intervjustudie med pedagoger i förskolan och skolchefer i kommunen

Studiens syfte är att ta del av skolchefernas och pedagogernas syn på naturvetenskap i förskolan och hur pedagogerna beskriver att de arbetar med naturvetenskap i verksamheten. De frågeställningar vi vill ha svar på är: Hur ser skolcheferna och pedagogerna på naturvetenskap i förskolan? Vad har pedagogerna för intresse och kunskaper i naturvetenskap, och hur beskriver pedagogerna att det visar det sig i verksamheten? På vilket sätt är skolcheferna och pedagogerna medvetna om de reviderade strävansmålen för naturvetenskap i Lpfö-98, rev. 2010?För att söka svar på frågeställningarna har vi använt oss av kvalitativa intervjuer med åtta pedagoger fördelade på fyra förskolor uppdelat i två kommuner med varsin skolchef.I studien kom det fram att skolcheferna och pedagogerna tyckte det var viktigt med naturvetenskap i förskolan, de vill ta tillvara barnens nyfikenhet och intresse för naturvetenskap. Pedagogernas tankar om naturvetenskap handlar mest om arbetsområdet biologi, medan arbetsområdena kemi och fysik anses vara svårare och synliggörs inte lika mycket i verksamheten enligt pedagogerna. Skolcheferna och pedagogerna ansåg också att metoder såsom utforskande och experimenterande passar bra för barnen i förskolan. Både skolchefer och pedagoger är medvetna om de nya strävansmålen i Lpfö-98, rev. 2010 och tycker att det är bra med ett tydligt ansvar för förskollärarna.Resultatet av studien visar att pedagogernas intresse och kunskaper inom naturvetenskap är den naturvetenskap, alltså biologi som de förmedlar till barnen i sin verksamhet på förskolan. Hälften av de intervjuade pedagogerna ansåg sig ha ett behov av utbildning inom det naturvetenskapliga ämnet, för att själva kunna bli säkrare och använda flera naturvetenskapliga begrepp i sitt rätta sammanhang.

Naturvetenskap i förskolan : En intervjustudie om pedagogers beskrivning av barns naturvetenskapliga lärande i åldern 1-3 år

Syftet med denna studie är att få kunskap om hur pedagoger i förskolan beskriver att de arbetar med naturvetenskap och barn i åldern 1-3 år samt hur de beskriver sina erfarenheter av hur barn lär sig naturvetenskap. För att söka denna kunskap användes följande frågeställningar: ”Hur beskriver pedagoger sina erfarenheter av hur små barn lär sig naturvetenskap?”, ”Vad beskriver pedagoger att små barn i förskolan behöver lära sig i naturvetenskap?”, ”På vilket sätt uttrycker pedagoger att de skapar förutsättningar för små barns naturvetenskapliga lärande?”, samt ”Hur beskriver pedagoger att de arbetar med naturvetenskap med små barn?”. Studien har genomförts genom intervjuer med fem pedagoger i en kommun i Mellansverige. Respondenterna anser att barns naturvetenskapliga lärande handlar om att barn får undersöka, utforska och uppleva naturvetenskap med sin kropp. Intervjusvaren påvisar att barns spontana naturvetenskapliga verksamhet är en stor del av respondenternas arbete med naturvetenskap i förskolan. Respondenterna ser även sig själva och sitt engagemang och intresse som en viktig förutsättning för barns naturvetenskapliga lärande. Sitt arbete med naturvetenskap i förskolan beskriver respondenterna som att det mest handlar om ämnet biologi. Då respondenterna exemplifierade olika aktiviteter eller händelser som de menar speglar deras naturvetenskapliga verksamhet i förskolan så anger de bland annat arbete med växtprocesser, vattenlek, bygglek, årstider, väder, internet och naturkännedom. Genom dessa exempel påvisar respondenterna även aktiviteter inom kemi, fysik och teknik och inte bara inom biologi.

Anomalous spin-related quantum phase in mesoscopic hole rings

We have obtained numerically exact results for the spin-related geometric quantum phases that arise in p-type semiconductor ring structures. The interplay between gate-controllable (Rashba) spin splitting and quantum-confinement-induced mixing between hole-spin states causes a much higher sensitivity of magnetoconductance oscillations to external parameters than previously expected. Our results imply a much-enhanced functionality of hole-ring spin-interference devices and shed new light on recent experimental findings.

Sagnac rotational phase shifts in a mesoscopic electron interferometer with spin-orbit interactions

The Sagnac effect is an important phase coherent effect in optical and atom interferometers where rotations of the interferometer with respect to an inertial reference frame result in a shift in the interference pattern proportional to the rotation rate. Here, we analyze the Sagnac effect in a mesoscopic semiconductor electron interferometer. We include in our analysis the Rashba spin-orbit interactions in the ring. Our results indicate that spin-orbit interactions increase the rotation-induced phase shift. We discuss the potential experimental observability of the Sagnac phase shift in such mesoscopic systems.

Effects of a quantum measurement on the electric conductivity : Application to graphene

We generalize the standard linear-response (Kubo) theory to obtain the conductivity of a system that is subject to a quantum measurement of the current. Our approach can be used to specifically elucidate how back-action inherent to quantum measurements affects electronic transport. To illustrate the utility of our general formalism, we calculate the frequency-dependent conductivity of graphene and discuss the effect of measurement-induced decoherence on its value in the dc limit. We are able to resolve an ambiguity related to the parametric dependence of the minimal conductivity.

Refraction in spacetime

Refraction, interference, and diffraction are distinguishing features of wavelike phenomena. Although they are usually associated only with a purely spatial wave-propagation pattern, analogs to interference and diffraction involving the spatio-temporal dynamics of waves in one dimension have been discussed. We complete the triplet of analogies by discussing how spatio-temporal analogs to refraction are exhibited by a quantum particle in one dimension that is scattering off a step barrier. Similarly, birefringence in spacetime occurs for a spin-1/2 particle in a magnetic field.

Fysikundervisningen i årskurs F-6 : En systematisk litteraturstudie om hur fysikundervisning kan utföras utanför klassrummet

Sammandrag Syftet med denna litteraturstudie var att kartlägga forskning om hur fysikundervisning kan utföras utanför klassrummet och avser undervisningen i årskurs F-6. Frågeställningarna har besvarats med hjälp av en systematisk litteraturstudie i databaserna Google Scholar, ERIC, avhandlingar.se, NorDiNa och DiVA. Resultaten visar att stora delar av kursplanen i fysik går att tillämpa utanför klassrummet och det område som berörs mest i litteraturen är kopplat till undervisning om kraft och rörelse. Många platser utomhus kan användas för undervisningen i fysik, t.ex. skolgården, som är det vanligaste exemplet, men även, tivolin, nöjesparker, museum och utställningar. Bland annat lyfts fördelarna med att bedriva undervisning i en autentisk miljö samt möjligheten att bättre fånga elevernas intresse för fysik fram. Utmaningarna handlar främst om kompetensutveckling hos pedagogerna, både inom ämnet fysik och om utomhuspedagogik generellt.

Gravitational self-localization for spherical masses

In this work, I consider the center-of-mass wave function for a homogenous sphere under the influence of the self-interaction due to Newtonian gravity. I solve for the ground state numerically and calculate the average radius as a measure of its size. For small masses, M≲10−17 kg, the radial size is independent of density, and the ground state extends beyond the extent of the sphere. For masses larger than this, the ground state is contained within the sphere and to a good approximation given by the solution for an effective radial harmonic-oscillator potential. This work thus determines the limits of applicability of the point-mass Newton Schrödinger equations for spherical masses. In addition, I calculate the fringe visibility for matter-wave interferometry and find that in the low-mass case, interferometry can in principle be performed, whereas for the latter case, it becomes impossible. Based on this, I discuss this transition as a possible boundary for the quantum-classical crossover, independent of the usually evoked environmental decoherence. The two regimes meet at sphere sizes R≈10−7 m, and the density of the material causes only minor variations in this value.

Optical Characterization and Optimization of Display Components : Some Applications to Liquid-Crystal-Based and Electrochromics-Based Devices

This dissertation is focused on theoretical and experimental studies of optical properties of materials and multilayer structures composing liquid crystal displays (LCDs) and electrochromic (EC) devices. By applying spectroscopic ellipsometry, we have determined the optical constants of thin films of electrochromic tungsten oxide (WOx) and nickel oxide (NiOy), the films’ thickness and roughness. These films, which were obtained at spattering conditions possess high transmittance that is important for achieving good visibility and high contrast in an EC device. Another application of the general spectroscopic ellipsometry relates to the study of a photo-alignment layer of a mixture of azo-dyes SD-1 and SDA-2. We have found the optical constants of this mixture before and after illuminating it by polarized UV light. The results obtained confirm the diffusion model to explain the formation of the photo-induced order in azo-dye films. We have developed new techniques for fast characterization of twisted nematic LC cells in transmissive and reflective modes. Our techniques are based on the characteristics functions that we have introduced for determination of parameters of non-uniform birefringent media. These characteristic functions are found by simple procedures and can be utilised for simultaneous determination of retardation, its wavelength dispersion, and twist angle, as well as for solving associated optimization problems. Cholesteric LCD that possesses some unique properties, such as bistability and good selective scattering, however, has a disadvantage – relatively high driving voltage (tens of volts). The way we propose to reduce the driving voltage consists of applying a stack of thin (~1µm) LC layers. We have studied the ability of a layer of a surface stabilized ferroelectric liquid crystal coupled with several retardation plates for birefringent color generation. We have demonstrated that in order to accomplish good color characteristics and high brightness of the display, one or two retardation plates are sufficient.

Extramuralt lärande i forskarmiljö : Gymnasieforskarskola för klasser inom NV-programmen

Kan det vara så att extramuralt lärande i forskarmiljö för elever vid gymnasiets naturvetenskapliga program kan öka motivationen till vidare studier inom naturvetenskap? Extramuralt lärande innebär allt lärande som sker under aktiviteter utanför skolan. Jag har i den här studien följt och intervjuat en klass i åk 2 som tillbringat en vecka på forskarskola i Garpenberg. En av frågorna i denna studie var om arbetssättet påverkat dem, och i så fall hur, om det har lockat eller avskräckt? Resultatet visar att alla elever i den här studien tyckte att forskarveckan var rolig och intressant. Ungefär 80% hade redan innan bestämt sig för att läsa vidare, men ca 45% ansåg att deras motivation till att läsa vidare hade ökat i och med forskarskolan. Höstens resultat ligger lite över genomsnittet som visar att ca 31% av gymnasieeleverna som under de sex åren som forskarskolan funnits har upplevt en ökad studiemotivation. En internationell studie från England inom extramuralt lärande visar på att många elever tycker att skolundervisningen är tråkig, irrelevant och för gammal och att den har en design som endast tilltalat ett fåtal elever. Däremot tycker eleverna att extramuralt lärande vid s k Science centers, botaniska trädgårdar och museum m fl presenterar vetenskapen på ett intressant och inspirerande sätt. Jag försöker i den här studien att se lärandet ur ett sociokulturellt perspektiv samt dra paralleller mellan tidigare studier om Science centers och min undersökning om forskarskolan som båda erbjuder extramuralt lärande. Jag anser dock att forskarskolan gör det lite mer konkret eftersom eleverna får genomföra ett projekt som de sedan redovisar inför alla forskare och övriga elever. Upplägget för ett besök på ett museum eller vetenskapscentra ser lite annorlunda ut. De allra flesta eleverna i studien insåg nyttan med att läsa ämnen som matematik, fysik, kemi och biologi, och de tyckte att arbetsformen att kombinera fältstudier med teori och laboratorieverksamhet var mycket givande. Eleverna ansåg att de under forskarskolan fått en inblick i hur det kan vara att arbeta som forskare men det var endast en elev som kunde tänka sig det yrket i framtiden. Studiens resultat gäller endast för de elever som deltagit i enkätundersökningen och kan inte sägas vara generaliserbart för alla elever på gymnasiets NV-program.

Simple Question, Complex Answer : Pathways Towards a 50% Decrease in Building Energy Use

Addressing building energy use is a pressing issue for building sector decision makers across Europe. In Sweden, some regions have adopted a target of reducing energy use in buildings by 50% until 2050. However, building codes currently do not support as ambitious objectives as these, and novel approaches to addressing energy use in buildings from a regional perspective are called for. The purpose of this licentiate thesis was to provide a deeper understanding of most relevant issues with regard to energy use in buildings from a broad perspective and to suggest pathways towards reaching the long-term savings objective. Current trends in building sector structure and energy use point to detached houses constructed before 1981 playing a key role in the energy transition, especially in the rural areas of Sweden. In the Swedish county of Dalarna, which was used as a study area in this thesis, these houses account for almost 70% of the residential heating demand. Building energy simulations of eight sample houses from county show that there is considerable techno-economic potential for energy savings in these houses, but not quite enough to reach the 50% savings objective. Two case studies from rural Sweden show that savings well beyond 50% are achievable, both when access to capital and use of high technology are granted and when they are not. However, on a broader scale both direct and indirect rebound effects will have to be expected, which calls for more refined approaches to energy savings. Furthermore, research has shown that the techno-economic potential is in fact never realised, not even in the most well-designed intervention programmes, due to the inherent complexity of human behaviour with respect to energy use. This is not taken account of in neither current nor previous Swedish energy use legislation. Therefore an approach that considers the technical prerequisites, economic aspects and the perspective of the many home owners, based on Community-Based Social Marketing methodology, is suggested as a way forward towards reaching the energy savings target.

Fysikundervisning inom årskurserna 1-6 : Hur klasslärare respektive lärare på science center ser på fysikundervisning

Studiens syfte är att skapa kunskap om hur några lärare vid science center respektive klasslärare bedriver fysikundervisning för elever i årskurs 1-6. Studien har ett konstruktivistiskt perspektiv och grundar sig på intervjuer. Följande tre frågor har ställts och besvarats: 1) Vilket innehåll från kursplanen i fysik genomförs utanför klassrummet enligt lärare vid science center respektive klasslärare? Båda lärarkategorierna bedriver undervisning i Kraft och rörelse, Fysiken i naturen, Fysiken i vardagslivet, samt Fysiken och världsbilden. 2) Vilka arbetssätt uppger lärare vid science center respektive klasslärare att de använder sig av vid fysikundervisning? Båda lärarkategorierna uppger ett undersökande arbetssätt, fältstudier och observationer samt kommunikativt arbetssätt. 3) Vilka likheter och skillnader finns mellan den undervisning i fysik som beskrivs av lärarna vid science center jämfört med den undervisning som beskrivs av klasslärarna? Den största likheten är att båda lärarkategorierna utgår från ett undersökande arbetssätt. Den mest framträdande skillnaden är att lärare vid science center inte använder sig av dokumentation. En slutsats är att båda lärarkategorierna bedriver fysikundervisning utanför klassrummet med ett varierat centralt innehåll. Klasslärarna väljer i hög grad själva arbetssätt men att dessa varierar beroende på vilka resurser som finns samt vilken erfarenhet läraren har. Science center kan erbjuda andra aktiviteter eftersom det där finns andra resurser än på skolorna och i skolornas närmaste omgivning.