SnO2 nanocrystals synthesized by microwave-assisted hydrothermal method: towards a relationship between structural and optical properties

The exploration of novel synthetic methodologies that control both size and shape of functional nanostructure opens new avenues for the functional application of nanomaterials. Here, we report a new and versatile approach to synthesize SnO2 nanocrystals (rutile-type structure) using microwave-assisted hydrothermal method. Broad peaks in the X-ray diffraction spectra indicate the nanosized nature of the samples which were indexed as a pure cassiterite tetragonal phase. Chemically and physically adsorbed water was estimated by TGA data and FT-Raman spectra to account for a new broad peak around 560 cm(-1) which is related to defective surface modes. In addition, the spherical-like morphology and low dispersed distribution size around 3-5 nm were investigated by HR-TEM and FE-SEM microscopies. Room temperature PL emission presents two broad bands at 438 and 764 nm, indicating the existence of different recombination centers. When the size of the nanospheres decreases, the relative intensity of 513 nm emission increases and the 393 nm one decreases. UV-Visible spectra show substantial changes in the optical absorbance of crystalline SnO2 nanoparticles while the existence of a small tail points out the presence of localized levels inside the forbidden band gap and supplies the necessary condition for the PL emission.

Analysis of nonlinear diffusion equations of second and fourth order

Wegen der fortschreitenden Miniaturisierung von Halbleiterbauteilen spielen Quanteneffekte eine immer wichtigere Rolle. Quantenphänomene werden gewöhnlich durch kinetische Gleichungen beschrieben, aber manchmal hat eine fluid-dynamische Beschreibung Vorteile: die bessere Nutzbarkeit für numerische Simulationen und die einfachere Vorgabe von Randbedingungen. In dieser Arbeit werden drei Diffusionsgleichungen zweiter und vierter Ordnung untersucht. Der erste Teil behandelt die implizite Zeitdiskretisierung und das Langzeitverhalten einer degenerierten Fokker-Planck-Gleichung. Der zweite Teil der Arbeit besteht aus der Untersuchung des viskosen Quantenhydrodynamischen Modells in einer Raumdimension und dessen Langzeitverhaltens. Im letzten Teil wird die Existenz von Lösungen einer parabolischen Gleichung vierter Ordnung in einer Raumdimension bewiesen, und deren Langzeitverhalten studiert.

Struktur- und Reaktionsaufklärung durch Kombination von Theorie und Experiment

Die vorliegende Dissertation beinhaltet Anwendungen der Quantenchemie und methodische Entwicklungen im Bereich der "Coupled-Cluster"-Theorie zu den folgenden Themen: 1.) Die Bestimmung von Geometrieparametern in wasserstoffverbrückten Komplexen mit Pikometer-Genauigkeit durch Kopplung von NMR-Experimenten und quantenchemischen Rechnungen wird an zwei Beispielen dargelegt. 2.) Die hierin auftretenden Unterschiede in Theorie und Experiment werden diskutiert. Hierzu wurde die Schwingungsmittelung des Dipolkopplungstensors implementiert, um Nullpunkt-Effekte betrachten zu können. 3.) Ein weiterer Aspekt der Arbeit behandelt die Strukturaufklärung an diskotischen Flüssigkristallen. Die quantenchemische Modellbildung und das Zusammenspiel mit experimentellen Methoden, vor allem der Festkörper-NMR, wird vorgestellt. 4.) Innerhalb dieser Arbeit wurde mit der Parallelisierung des Quantenchemiepaketes ACESII begonnen. Die grundlegende Strategie und erste Ergebnisse werden vorgestellt. 5.) Zur Skalenreduktion des CCCSD(T)-Verfahrens durch Faktorisierung wurden verschiedene Zerlegungen des Energienenners getestet. Ein sich hieraus ergebendes Verfahren zur Berechnung der CCSD(T)-Energie wurde implementiert. 6.) Die Reaktionsaufklärung der Bildung von HSOH aus di-tert-Butyl-Sulfoxid wird vorgestellt. Dazu wurde die Thermodynamik der Reaktionsschritte mit Methoden der Quantenchemie berechnet.

Strukturelle, chemische und isotopische Analysen nanoskaliger präsolarer und früher solarer Kondensate

Neben astronomischen Beobachtungen mittels boden- und satellitengestützer Instrumente existiert ein weiterer experimenteller Zugang zu astrophysikalischen Fragestellungen in Form einer Auswahl extraterrestrischen Materials, das für Laboruntersuchungen zur Verfügung steht. Hierzu zählen interplanetare Staubpartikel, Proben, die von Raumfahrzeugen zur Erde zurückgebracht wurden und primitive Meteorite. Von besonderem Interesse sind sog. primitive kohlige Chondrite, eine Klasse von Meteoriten, die seit ihrer Entstehung im frühen Sonnensystem kaum verändert wurden. Sie enthalten neben frühem solarem Material präsolare Minerale, die in Sternwinden von Supernovae und roten Riesensternen kondensiert sind und die Bildung unseres Sonnensystems weitgehend unverändert überstanden haben. Strukturelle, chemische und isotopische Analysen dieser Proben besitzen demnach eine große Relevanz für eine Vielzahl astrophysikalischer Forschungsgebiete. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Laboranalysen mittels modernster physikalischer Methoden an Bestandteilen primitiver Meteorite durchgeführt. Aufgrund der Vielfalt der zu untersuchenden Eigenschaften und der geringen Größen der analysierten Partikel zwischen wenigen Nanometern und einigen Mikrometern mussten hierbei hohe Anforderungen an Nachweiseffizienz und Ortsauflösung gestellt werden. Durch die Kombination verschiedener Methoden wurde ein neuer methodologischer Ansatz zur Analyse präsolarer Minerale (beispielsweise SiC) entwickelt. Aufgrund geringer Mengen verfügbaren Materials basiert dieses Konzept auf der parallelen nichtdestruktiven Vorcharakterisierung einer Vielzahl präsolarer Partikel im Hinblick auf ihren Gehalt diagnostischer Spurenelemente. Eine anschließende massenspektrometrische Untersuchung identifizierter Partikel mit hohen Konzentrationen interessanter Elemente ist in der Lage, Informationen zu nukleosynthetischen Bedingungen in ihren stellaren Quellen zu liefern. Weiterhin wurden Analysen meteoritischer Nanodiamanten durchgeführt, deren geringe Größen von wenigen Nanometern zu stark modifizierten Festkörpereigenschaften führen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine quantitative Beschreibung von Quanteneinschluss-Effekten entwickelt, wie sie in diesen größenverteilten Halbleiter-Nanopartikeln auftreten. Die abgeleiteten Ergebnisse besitzen Relevanz für nanotechnologische Forschungen. Den Kern der vorliegenden Arbeit bilden Untersuchungen an frühen solaren Partikeln, sog. refraktären Metall Nuggets (RMN). Mit Hilfe struktureller, chemischer und isotopischer Analysen, sowie dem Vergleich der Ergebnisse mit thermodynamischen Rechnungen, konnte zum ersten Mal ein direkter Nachweis von Kondensationsprozessen im frühen solaren Nebel erbracht werden. Die analysierten RMN gehören zu den ersten Festkörperkondensaten, die im frühen Sonnensystem gebildet wurden und scheinen seit ihrer Entstehung nicht durch sekundäre Prozesse verändert worden zu sein. Weiterhin konnte erstmals die Abkühlrate des Gases des lokalen solaren Nebels, in dem die ersten Kondensationsprozesse stattfanden, zu 0.5 K/Jahr bestimmt werden, wodurch ein detaillierter Blick in die thermodynamische Geschichte des frühen Sonnensystems möglich wird. Die extrahierten Parameter haben weitreichende Auswirkungen auf die Modelle der Entstehung erster solarer Festkörper, welche die Grundbausteine der Planetenbildung darstellen.

Nanocrystalline Silicon Based Films for Renewable Energy Applications

The present thesis is focused on the study of innovative Si-based materials for third generation photovoltaics. In particular, silicon oxi-nitride (SiOxNy) thin films and multilayer of Silicon Rich Carbide (SRC)/Si have been characterized in view of their application in photovoltaics. SiOxNy is a promising material for applications in thin-film solar cells as well as for wafer based silicon solar cells, like silicon heterojunction solar cells. However, many issues relevant to the material properties have not been studied yet, such as the role of the deposition condition and precursor gas concentrations on the optical and electronic properties of the films, the composition and structure of the nanocrystals. The results presented in the thesis aim to clarify the effects of annealing and oxygen incorporation within nc-SiOxNy films on its properties in view of the photovoltaic applications. Silicon nano-crystals (Si NCs) embedded in a dielectric matrix were proposed as absorbers in all-Si multi-junction solar cells due to the quantum confinement capability of Si NCs, that allows a better match to the solar spectrum thanks to the size induced tunability of the band gap. Despite the efficient solar radiation absorption capability of this structure, its charge collection and transport properties has still to be fully demonstrated. The results presented in the thesis aim to the understanding of the transport mechanisms at macroscopic and microscopic scale. Experimental results on SiOxNy thin films and SRC/Si multilayers have been obtained at macroscopical and microscopical level using different characterizations techniques, such as Atomic Force Microscopy, Reflection and Transmission measurements, High Resolution Transmission Electron Microscopy, Energy-Dispersive X-ray spectroscopy and Fourier Transform Infrared Spectroscopy. The deep knowledge and improved understanding of the basic physical properties of these quite complex, multi-phase and multi-component systems, made by nanocrystals and amorphous phases, will contribute to improve the efficiency of Si based solar cells.

Optisch detektierte Magnetresonanz an NV-Zentren in Diamant

Die rasante Entwicklung der Computerindustrie durch die stetige Verkleinerung der Transistoren führt immer schneller zum Erreichen der Grenze der Si-Technologie, ab der die Tunnelprozesse in den Transistoren ihre weitere Verkleinerung und Erhöhung ihrer Dichte in den Prozessoren nicht mehr zulassen. Die Zukunft der Computertechnologie liegt in der Verarbeitung der Quanteninformation. Für die Entwicklung von Quantencomputern ist die Detektion und gezielte Manipulation einzelner Spins in Festkörpern von größter Bedeutung. Die Standardmethoden der Spindetektion, wie ESR, erlauben jedoch nur die Detektion von Spinensembles. Die Idee, die das Auslesen von einzelnen Spins ermöglich sollte, besteht darin, die Manipulation getrennt von der Detektion auszuführen.rn Bei dem NV−-Zentrum handelt es sich um eine spezielle Gitterfehlstelle im Diamant, die sich als einen atomaren, optisch auslesbaren Magnetfeldsensor benutzen lässt. Durch die Messung seiner Fluoreszenz sollte es möglich sein die Manipulation anderer, optisch nicht detektierbaren, “Dunkelspins“ in unmittelbarer Nähe des NV-Zentrums mittels der Spin-Spin-Kopplung zu detektieren. Das vorgeschlagene Modell des Quantencomputers basiert auf dem in SWCNT eingeschlossenen N@C60.Die Peapods, wie die Einheiten aus den in Kohlenstoffnanoröhre gepackten Fullerenen mit eingefangenem Stickstoff genannt werden, sollen die Grundlage für die Recheneinheiten eines wahren skalierbaren Quantencomputers bilden. Die in ihnen mit dem Stickstoff-Elektronenspin durchgeführten Rechnungen sollen mit den oberflächennahen NV-Zentren (von Diamantplatten), über denen sie positioniert sein sollen, optisch ausgelesen werden.rnrnDie vorliegende Arbeit hatte das primäre Ziel, die Kopplung der oberflächennahen NV-Einzelzentren an die optisch nicht detektierbaren Spins der Radikal-Moleküle auf der Diamantoberfläche mittels der ODMR-Kopplungsexperimente optisch zu detektieren und damit entscheidende Schritte auf dem Wege der Realisierung eines Quantenregisters zu tun.rn Es wurde ein sich im Entwicklungsstadium befindende ODMR-Setup wieder aufgebaut und seine bisherige Funktionsweise wurde an kommerziellen NV-Zentrum-reichen Nanodiamanten verifiziert. Im nächsten Schritt wurde die Effektivität und Weise der Messung an die Detektion und Manipulation der oberflächennah (< 7 nm Tiefe) implantieren NV-Einzelzenten in Diamantplatten angepasst.Ein sehr großer Teil der Arbeit, der hier nur bedingt beschrieben werden kann, bestand aus derrnAnpassung der existierenden Steuersoftware an die Problematik der praktischen Messung. Anschließend wurde die korrekte Funktion aller implementierten Pulssequenzen und anderer Software-Verbesserungen durch die Messung an oberflächennah implantierten NV-Einzelzentren verifiziert. Auch wurde der Messplatz um die zur Messung der Doppelresonanz notwendigen Komponenten wie einen steuerbaren Elektromagneten und RF-Signalquelle erweitert. Unter der Berücksichtigung der thermischen Stabilität von N@C60 wurde für zukünftige Experimente auch ein optischer Kryostat geplant, gebaut, in das Setup integriert und charakterisiert.rn Die Spin-Spin-Kopplungsexperimente wurden mit dem sauerstoffstabilen Galvinoxyl-Radikalals einem Modell-System für Kopplung durchgeführt. Dabei wurde über die Kopplung mit einem NVZentrum das RF-Spektrum des gekoppelten Radikal-Spins beobachtet. Auch konnte von dem gekoppelten Spin eine Rabi-Nutation aufgenommen werden.rn Es wurden auch weitere Aspekte der Peapod Messung und Oberflächenimplantation betrachtet.Es wurde untersucht, ob sich die NV-Detektion durch die SWCNTs, Peapods oder Fullerene stören lässt. Es zeigte sich, dass die Komponenten des geplanten Quantencomputers, bis auf die C60-Cluster, für eine ODMR-Messanordnung nicht detektierbar sind und die NV-Messung nicht stören werden. Es wurde auch betrachtet, welche Arten von kommerziellen Diamantplatten für die Oberflächenimplantation geeignet sind, für die Kopplungsmessungen geeignete Dichte der implantierten NV-Zentren abgeschätzt und eine Implantation mit abgeschätzter Dichte betrachtet.

Accurate Predictions of Water Cluster Formation, (H2O)n=2-10

An efficient mixed molecular dynamics/quantum mechanics model has been applied to the water cluster system. The use of the MP2 method and correlation consistent basis sets, with appropriate correction for BSSE, allows for the accurate calculation of electronic and free energies for the formation of clusters of 2−10 water molecules. This approach reveals new low energy conformers for (H2O)n=7,9,10. The water heptamer conformers comprise five different structural motifs ranging from a three-dimensional prism to a quasi-planar book structure. A prism-like structure is favored energetically at low temperatures, but a chair-like structure is the global Gibbs free energy minimum past 200 K. The water nonamers exhibit less complexity with all the low energy structures shaped like a prism. The decamer has 30 conformers that are within 2 kcal/mol of the Gibbs free energy minimum structure at 298 K. These structures are categorized into four conformer classes, and a pentagonal prism is the most stable structure from 0 to 320 K. Results can be used as benchmark values for empirical water models and density functionals, and the method can be applied to larger water clusters.

Atmospheric Implications for Formation of Clusters of Ammonium and 1−10 Water Molecules

A mixed molecular dynamics/quantum mechanics model has been applied to the ammonium/water clustering system. The use of the high level MP2 calculation method and correlated basis sets, such as aug-cc-pVDZ and aug-cc-pVTZ, lends confidence in the accuracy of the extrapolated energies. These calculations provide electronic and free energies for the formation of clusters of ammonium and 1−10 water molecules at two different temperatures. Structures and thermodynamic values are in good agreement with previous experimental and theoretical results. The estimated concentration of these clusters in the troposphere was calculated using atmospheric amounts of ammonium and water. Results show the favorability of forming these clusters and implications for ion-induced nucleation in the atmosphere.

Accurate Predictions of Water Cluster Formation, (H2O)n=2−10

An efficient mixed molecular dynamics/quantum mechanics model has been applied to the water cluster system. The use of the MP2 method and correlation consistent basis sets, with appropriate correction for BSSE, allows for the accurate calculation of electronic and free energies for the formation of clusters of 2−10 water molecules. This approach reveals new low energy conformers for (H2O)n=7,9,10. The water heptamer conformers comprise five different structural motifs ranging from a three-dimensional prism to a quasi-planar book structure. A prism-like structure is favored energetically at low temperatures, but a chair-like structure is the global Gibbs free energy minimum past 200 K. The water nonamers exhibit less complexity with all the low energy structures shaped like a prism. The decamer has 30 conformers that are within 2 kcal/mol of the Gibbs free energy minimum structure at 298 K. These structures are categorized into four conformer classes, and a pentagonal prism is the most stable structure from 0 to 320 K. Results can be used as benchmark values for empirical water models and density functionals, and the method can be applied to larger water clusters.

Charge and spin transport in nanoscale junction from first principles

Recently nanoscale junctions consisting of 0-D nanostructures (single molecule) or 1-D nanostructures (semiconducting nanowire) sandwiched between two metal electrodes are successfully fabricated and characterized. What lacks in the recent developments is the understanding of the mechanism behind the observed phenomena at the level of atoms and electrons. For example, the origin of observed switching effect in a semiconducting nanowire due to the influence of an external gate bias is not yet understood at the electronic structure level. On the same context, different experimental groups have reported different signs in tunneling magneto-resistance for the same organic spin valve structure, which has baffled researchers working in this field. In this thesis, we present the answers to some of these subtle questions by investigating the charge and spin transport in different nanoscale junctions. A parameter-free, single particle Green’s function approach in conjunction with a posteriori density functional theory (DFT) involving a hybrid orbital dependent functional is used to calculate the tunneling current in the coherent transport limit. The effect of spin polarization is explicitly incorporated to investigate spin transport in a nanoscale junction. Through the electron transport studies in PbS nanowire junction, a new orbital controlled mechanism behind the switching of the current is proposed. It can explain the switching behavior, not only in PbS nanowire, but in other lead-chalcogenide nanowires as well. Beside this, the electronic structure properties of this nanowire are studied using periodic DFT. The quantum confinement effect was investigated by calculating the bandgap of PbS nanowires with different diameters. Subsequently, we explain an observed semiconducting to metallic phase transition of this nanowire by calculating the bandgap of the nanowire under uniform radial strain. The compressive radial strain on the nanowire was found to be responsible for the metallic to semiconducting phase transition. Apart from studying one dimensional nanostructure, we also present transport properties in zero dimensional single molecular junctions. We proposed a new codoping approach in a single molecular carborane junction, where a cation and an anion are simultaneously doped to find the role of a single atom in the device. The main purpose was to build a molecular junction where a single atom can dictate the flow of electrons in a circuit. Recent observations of both positive and negative sign in tunneling magnetoresistance (TMR) the using same organic spin-valve structure hasmystified researchers. From our spin dependent transport studies in a prototypical organic molecular tunneling device, we found that a 3% change in metal-molecule interfacial distance can alter the sign of TMR. Changing the interfacial distance by 3%, the number of participating eigenstates as well as their orbital characteristic changes for anti-parallel configuration of the magnetization at the two electrodes, leading to the sign reversal of the TMR. Apart from this, the magnetic proximity effect under applied bias is investigated quantitatively, which can be used to understand the observed unexpectedmagnetismin carbon basedmaterials when they are in close proximity with magnetic substrates.

Application of photoreflectance to advanced multilayer structures for photovoltaics

Photoreflectance (PR) is a convenient characterization tool able to reveal optoelectronic properties of semiconductor materials and structures. It is a simple non-destructive and contactless technique which can be used in air at room temperature. We will present experimental results of the characterization carried out by means of PR on different types of advanced photovoltaic (PV) structures, including quantum-dot-based prototypes of intermediate band solar cells, quantum-well structures, highly mismatched alloys, and III?V-based multi-junction devices, thereby demonstrating the suitability of PR as a powerful diagnostic tool. Examples will be given to illustrate the value of this spectroscopic technique for PV including (i) the analysis of the PR spectra in search of critical points associated to absorption onsets; (ii) distinguishing signatures related to quantum confinement from those originating from delocalized band states; (iii) determining the intensity of the electric field related to built-in potentials at interfaces according to the Franz?Keldysh (FK) theory; and (v) determining the nature of different oscillatory PR signals among those ascribed to FK-oscillations, interferometric and photorefractive effects. The aim is to attract the interest of researchers in the field of PV to modulation spectroscopies, as they can be helpful in the analysis of their devices.

On the Absence of Carrier Drift in Two-Terminal Devices and the Origin of Their Lowest Resistance per Carrier RK= h/q^2

After a criticism on today’s model for electrical noise in resistors, we pass to use a Quantum-compliant model based on the discreteness of electrical charge in a complex Admittance. From this new model we show that carrier drift viewed as charged particle motion in response to an electric field is unlike to occur in bulk regions of Solid-State devices where carriers react as dipoles against this field. The absence of the shot noise that charges drifting in resistors should produce and the evolution of the Phase Noise with the active power existing in the resonators of L-C oscillators, are two effects added in proof for this conduction model without carrier drift where the resistance of any two-terminal device becomes discrete and has a minimum value per carrier that is the Quantum resistance RK/(2pi)

The 2.1 angstrom crystal structure of the far-red fluorescent protein HcRed: Inherent conformational flexibility of the chromophore

We have determined the crystal structure of HcRed, a far-red fluorescent protein isolated from Heteractis crispa, to 2.1 resolution. HcRed was observed to form a dimer, in contrast to the monomeric form of green fluorescent protein (GFP) or the tetrameric forms of the GFP-like proteins (eqFP611, Rtms5 and DsRed). Unlike the well-defined chromophore conformation observed in GFP and the GFP-like proteins, the HcRed chromophore was observed to be considerably mobile. Within the HcRed structure, the cyclic tripeptide chromophore, Glu64-Tyr65-Gly66, was observed to adopt both a cis coplanar and a tran. non-coplanar conformation. As a result of these two con formations, the hydroxyphenyl moiety of the chromophore makes distinct interactions within the interior of the b-can. These data together with a quantum chemical model of the chromophore, suggest the cis coplanar conformation to be consistent with the fluorescent properties of HcRed, and the trans non-coplanar conformation to be consistent with non-fluorescent properties of hcCP, the chromoprotein parent of HcRed. Moreover, within the GFP-like family, it appears that where conformational freedom is permissible then flexibility in the chromophore conformation is possible. 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Strain distributionand electronic property modifications in Si/Ge axial nanowires hetrostructures

Molecular dynamics simulations were carried out for Si/Ge axial nanowire heterostructures using modified effective atom method (MEAM) potentials. A Si–Ge MEAM interatomic cross potential was developed based on available experimental data and was used for these studies. The atomic distortions and strain distributions near the Si/Ge interfaces are predicted for nanowires with their axes oriented along the [111] direction. The cases of 10 and 25 nm diameter Si/Ge biwires and of 25 nm diameter Si/Ge/Si axial heterostructures with the Ge disk 1 nm thick were studied. Substantial distortions in the height of the atoms adjacent to the interface were found for the biwires but not for the Ge disks. Strains as high as 3.5% were found for the Ge disk and values of 2%–2.5% were found at the Si and Ge interfacial layers in the biwires. Deformation potential theory was used to estimate the influence of the strains on the band gap, and reductions in band gap to as small as 40% of bulk values are predicted for the Ge disks. The localized regions of increased strain and resulting energy minima were also found within the Si/Ge biwire interfaces with the larger effects on the Ge side of the interface. The regions of strain maxima near and within the interfaces are anticipated to be useful for tailoring band gaps and producing quantum confinement of carriers. These results suggest that nanowire heterostructures provide greater design flexibility in band structure modification than is possible with planar layer growth.

Physics and mathematics of dispersion-managed optical solitons

We review the main physical and mathematical properties of dispersion-managed (DM) optical solitons. Theory of DM solitons can be presented at two levels of accuracy: first, simple, but nevertheless, quantitative models based on ordinary differential equations governing evolution of the soliton width and phase parameter (the so-called chirp); and second, a comprehensive path-average theory that is capable of describing in detail both the fine structure of DM soliton form and its evolution along the fiber line. An analogy between DM soliton and a macroscopic nonlinear quantum oscillator model is also discussed. © 2003 Académie des sciences/Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS. All rights reserved.