Proton conductivity and luminiscence properties of lanthanide aminotriphosphonates

Metal phosphonates are multifunctional solids with tunable properties, such as internal H-bond networks, and high chemical and thermal stability [1]. In the present work, we describe the synthesis, structural characterization, luminescent properties and proton conduction performance of a new family of isostructural cationic compounds with general formula [Ln(H4NMP)(H2O)2]Cl·2H2O [Ln = La3+, Pr3+, Sm3+, Gd3+, Tb3+, Dy3+, Ho3+, H6NMP = nitrilotris(methylphosphonic acid)]. These solids are formed by positively charge layers, which consist of isolated LnO8 polyhedra and bridge chelating NMP2- ligands, held apart by chloride ions and water molecules. This arrangement result in extended interlayer hydrogen networks with possible proton transfer pathways. The proton conductivity of Gd3+ sample, selected as prototype of the series, was measured. In the range between range 25º and 80 ºC, the conductivity increase with the temperature up to a maximum value of 3.10-4 S·cm-1, at relative humidity of 95 %. The activation energy obtained from the Arrhenius plot (Figure 1) is in the range corresponding to a Grotthuss transfer mechanism.

Estudo da influência da temperatura de brasagem nas uniões zircônia/aço inox 304 utilizando metalização mecânica

Metal-Ceramic (M/C) Zirconia-stainless steel interfaces have been processed through brazing techniques due to the excellent combination of properties such as high temperature stability, high corrosion resistance and good mechanical properties. However, some M/C interfaces show some defects, like porosity and cracks results in the degradation of the interfaces, leading even to its total rupture. Most of time, those defects are associated with an improper brazing parameters selection to the M/C system. In this work, ZrO2 Y-TZP and ZrO2 Mg - PSZ were joint with the stainless steel grade 304 by brazing using a eutectic silver-copper (Ag28Cu) interlayer alloy with different thermal cycles. Ceramic surfaces were previous mechanically metallized with titanium to improve adhesion of the system. The effect of temperature on the M/C interface was studied. SEM-EDS and 3 point flexural bend test were performed to evaluate morphology, chemical composition and mechanical resistance of the M/C interfaces. Lower thermal cycle temperatures produced better results of mechanical resistance, and more regular/ homogeneous reaction layers between braze alloy and metal-ceramic surfaces. Also was proved the AgCu braze alloy activation in situ by titanium

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.

Dysprosium transport in Nd-Fe-B pellets

The addition of heavy rare earth (RE) elements to Nd2Fe14B based magnets to form (Nd,Dy)2Fe14B is known to increase the coercivity and high temperature performance required for hybrid vehicle electric motors and other extreme temperature applications. Attempts to conserve heavy rare earth elements for high temperature (RE)2Fe14B based magnets have led to the development of a grain boundary diffusion process for bulk magnets. This process relies on transport of a heavy rare earth, such as Dy, into a bulk Nd2Fe14B magnet along pores, a low volume fraction of eutectic liquid along grain boundary grain triple junctions and grain boundaries. This enriches the grain surfaces in Dy through the thickness of the bulk magnet, leading to larger increases coercivity with a smaller Dy concentration than can be achieved with homogeneous alloys. Attempts to carry out the same process during sintering require significant control of Dy transport efficiency. The macroscopic transport of Dy in Nd2.7Fe14B1.4 based powder packs is studied using a 'layered' pellet, where Nd2.7Fe14B1.4powder is an interlayer and Dy source as a center layer. The sintering of this layered pellet provided evidence for very large effective diffusion lengths aided by Dy rich liquid flow through connected porosity. Approaches to controlling Dy transportation include decreasing the liquid phase transport capability of the powder pack by increasing the melting point of the Dy source and the decreasing amount of RE rich liquid in the powder packs. The solid-liquid reaction is studied in which melt spun Nd2.7Fe14B1.4 ribbons are PVD coated with Dy-Fe eutectic composition and then thermally treated. The resulting microstructure from the reaction between Dy-Fe eutectic coating and Nd2.7Fe14B1.4 ribbon is interpreted as support for a proposed dissolution/reprecipitation process between solid and liquid phases. The estimate the diffusion coefficient and the effective diffusion length of Dy sources in Nd2.7Fe14B1.4 layered pellets and melt spun ribbons were obtained from the calculation of Fick's second law combined with EDS results from the experiment. The results indicate that the effective diffusion coefficient of Dy in the layered pellets is higher than the diffusion in ribbons due to its higher porosity than ribbons.

ELECTRON TRANSPORT IN LOW-DIMENSIONAL NANOSTRUCTURES - THEORETICAL STUDY WITH APPLICATION

Graphene as a carbon monolayer has attracted extensive research interest in recent years. My research work within the frame of density functional theory has suggested that positioning graphene in proximity to h-BN may induce a finite energy gap in graphene, which is important for device applications. For an AB-stacked graphene/BN bilayer, a finite gap is induced at the equilibrium configuration. This induced gap shows a linear relationship with the applied strain. For a graphene/BN/graphene trilayer, a negligible gap is predicted in the ground state due to the overall symmetry of the system. When an electric field is applied, a tunable gap can be obtained for both AAA and ABA stackings. Enhanced tunneling current in the AA-stacked bilayer nanoribbons is predicted compared to either single-layer or AB-stacked bilayer nanoribbons. Interlayer separation between the nanoribbons is shown to have a profound impact on the conducting features. The effect of boron or nitrogen doping on the electronic transport properties of C60 fullerene is studied. The BC59 fullerene exhibits a considerably higher current than the pristine or nitrogen doped fullerenes beyond the applied bias of 1 V, suggesting it can be an effective semiconductor in p-type devices. The interaction between nucleic acid bases - adenine (A), guanine (G), cytosine (C), thymine (T) and uracil (U) - and a hydrogen-passivated silicon nanowire (SiNW) is investigated. The binding energy of the bases with the SiNW shows the order: G > A~C~T~U. This suggests that the interaction strength of a hydrogen passivated SiNW with the nucleic acid bases is nearly the same-G being an exception. The nature of the interaction is suggested to be electrostatic.

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.

Engineering interfacial silicon dioxide for improved metal-insulator-semiconductor silicon photoanode water splitting performance

Silicon photoanodes protected by atomic layer deposited (ALD) TiO2 show promise as components of water splitting devices that may enable the large-scale production of solar fuels and chemicals. Minimizing the resistance of the oxide corrosion protection layer is essential for fabricating efficient devices with good fill factor. Recent literature reports have shown that the interfacial SiO2 layer, interposed between the protective ALD-TiO2 and the Si anode, acts as a tunnel oxide that limits hole conduction from the photoabsorbing substrate to the surface oxygen evolution catalyst. Herein, we report a significant reduction of bilayer resistance, achieved by forming stable, ultrathin (<1.3 nm) SiO2 layers, allowing fabrication of water splitting photoanodes with hole conductances near the maximum achievable with the given catalyst and Si substrate. Three methods for controlling the SiO2 interlayer thickness on the Si(100) surface for ALD-TiO2 protected anodes were employed: (1) TiO2 deposition directly on an HF-etched Si(100) surface, (2) TiO2 deposition after SiO2 atomic layer deposition on an HF-etched Si(100) surface, and (3) oxygen scavenging, post-TiO2 deposition to decompose the SiO2 layer using a Ti overlayer. Each of these methods provides a progressively superior means of reliably thinning the interfacial SiO2 layer, enabling the fabrication of efficient and stable water oxidation silicon anodes.

Numerical and experimental analysis of 3D printed smart structures and systems

Three dimensional (3D) printers of continuous fiber reinforced composites, such as MarkTwo (MT) by Markforged, can be used to manufacture such structures. To date, research works devoted to the study and application of flexible elements and CMs realized with MT printer are only a few and very recent. A good numerical and/or analytical tool for the mechanical behavior analysis of the new composites is still missing. In addition, there is still a gap in obtaining the material properties used (e.g. elastic modulus) as it is usually unknown and sensitive to printing parameters used (e.g. infill density), making the numerical simulation inaccurate. Consequently, the aim of this thesis is to present several work developed. The first is a preliminary investigation on the tensile and flexural response of Straight Beam Flexures (SBF) realized with MT printer and featuring different interlayer fiber volume-fraction and orientation, as well as different laminate position within the sample. The second is to develop a numerical analysis within the Carrera' s Unified Formulation (CUF) framework, based on component-wise (CW) approach, including a novel preprocessing tool that has been developed to account all regions printed in an easy and time efficient way. Among its benefits, the CUF-CW approach enables building an accurate database for collecting first natural frequencies modes results, then predicting Young' s modulus based on an inverse problem formulation. To validate the tool, the numerical results are compared to the experimental natural frequencies evaluated using a digital image correlation method. Further, we take the CUF-CW model and use static condensation to analyze smart structures which can be decomposed into a large number of similar components. Third, the potentiality of MT in combination with topology optimization and compliant joints design (CJD) is investigated for the realization of automated machinery mechanisms subjected to inertial loads.