Atmospheric corrosion of quaternary bronzes (Cu-Sn-Zn-Pb): laboratory tests (accelerated ageing in wet & dry conditions)and field studies (the Bottego monument in Parma, Italy).

The interactions between outdoor bronzes and the environment, which lead to bronze corrosion, require a better understanding in order to design effective conservation strategies in the Cultural Heritage field. In the present work, investigations on real patinas of the outdoor monument to Vittorio Bottego (Parma, Italy) and laboratory studies on accelerated corrosion testing of inhibited (by silane-based films, with and without ceria nanoparticles) and non-inhibited quaternary bronzes are reported and discussed. In particular, a wet&dry ageing method was used both for testing the efficiency of the inhibitor and for patinating bronze coupons before applying the inhibitor. A wide range of spectroscopic techniques has been used, for characterizing the core metal (SEM+EDS, XRF, AAS), the corroded surfaces (SEM+EDS, portable XRF, micro-Raman, ATR-IR, Py-GC-MS) and the ageing solutions (AAS). The main conclusions were: 1. The investigations on the Bottego monument confirmed the differentiation of the corrosion products as a function of the exposure geometry, already observed in previous works, further highlighting the need to take into account the different surface features when selecting conservation procedures such as the application of inhibitors (i.e. the relative Sn enrichment in unsheltered areas requires inhibitors which effectively interact not only with Cu but also with Sn). 2. The ageing (pre-patination) cycle on coupons was able to reproduce the relative Sn enrichment that actually happens in real patinated surfaces, making the bronze specimens representative of the real support for bronze inhibitors. 3. The non-toxic silane-based inhibitors display a good protective efficiency towards pre-patinated surfaces, differently from other widely used inhibitors such as benzotriazole (BTA) and its derivatives. 4. The 3-mercapto-propyl-trimethoxy-silane (PropS-SH) additivated with CeO2 nanoparticles generally offered a better corrosion protection than PropS-SH.

108 Sn studied with intermediate-energy Coulomb excitation

In dieser Arbeit wurde der instabile, Neutronenarme Kern 108Sn mit Hilfe der Coulomb-Anregung bei intermediaeren Energien in inverser Kinematik studiert. Diese Methode wurde bisher zur Untersuchung der ersten angeregten 2+ Zustaende und deren E2 Zerfallsraten in Kernen mit Kernladungszahl Z< 30 angewendet. 108Sn ist somit der Kern mit der groeßten Kernladungszahl, bei dem diese Studien bisher stattfanden. Das Ziel dieses Experiments war die Messung der unbekannten reduzierten Uebergangswahrscheinlichkeit B(E2,0+ -> 2+). Der B(E2)-Wert von 0.230(57) e2b2 wurde relativ zu dem bekannten Wert des Isotops 112Sn bestimmt. Das Experiment wurde an der GSI Darmstadt mit Hilfe des RISING Detektors und des Fragmentseperators (FRS) durchgefuehrt. Sekundaere Strahlen (108Sn, 112Sn) mit einer Energie von ca. 150 MeV pro Nukleon wurden auf ein 386 mg/cm2 dickes 197Au Target geschossen. Die Projektilfragmente wurden mit Hilfe des Fragmentseparators selektiert und identifiziert. Zur Selektion des Reaktionskanals und zur Bestimmung des Winkels der gestreuten Fragmente wurde das Teilchenteleskop CATE, das sich hinter dem Target befand, verwendet. Gammastrahlung, die in Koinzidenz mit den Projektilrestkernen emittiert wurde, wurde in den Germanium-Cluster Detektoren des RISING Detektors nachgewiesen. Der gemessene B(E2,0+ -> 2+)-Wert von 108Sn ist in Uebereinstimmung mit neueren Schalenmodellrechnungen, die auf realistischen effektiven Wechselwirkungen basieren und im Rahmen eines verallgemeinerten Seniorit¨ats-Schemas erklaert werden.

Phasengleichgewichte, Kristallstrukturen und elektrische Eigenschaften der Verbindungen in ternären Systemen M-M’-{Sn, Sb, Bi}

In dieser Arbeit wurden isotherme Schnitte der ternären Systeme Ti-Fe-Sb, Zr-Fe-Sb und Nb-Fe-Sb bei 800 bzw. 600 °C untersucht. Die Bildung von vier von den Binärbereichen getrennten ternären Verbindungen im System Ti-Fe-Sb, drei im System Zr-Fe-Sb und einer Verbindung im System Nb-Fe-Sb wurde festgestellt bzw. bestätigt. In den ersten zwei Systemen ist die Bildung von festen Lösungen auf der Basis von binären sowie ternären Phasen stark ausgeprägt. Es wurde die Abhängigkeit des Strukturtyps der Laves-Phasen M(Fe???Sb?)??? (M = Ti, Zr, Nb) von der Elektronenkonzentration und den Atomradien der Komponenten gezeigt. 18 isotype Verbindungen M?Me’???X??? (M = Zr, Hf; M’ = Fe, Co, Ni; X = Sn, Sb, Bi) des geordneten Fe?P-Strukturtyps wurden synthetisiert. Die Untersuchungen der Transporteigenschaften dieser Verbindungen belegen deren metallischen Charakter. Es wurde die Bildung der neuen equiatomen Verbindungen in den Systemen Zr-Cu-Sn und Hf-Cu-Sn der Strukturtypen TiNiSi bzw. LiGaGe und der Verbindung HfFe???Sb des TiNiSi-Strukturtyps festgestellt. Die Transporteigenschaften der Reihe von festen Lösungen V???Ti?FeSb wurden untersucht. Es wurde gezeigt, dass die größte Erhöhung des Seebeck-Koeffizienten bei der kleinen Konzentration der vierten Komponente erreicht wird. Der höchste Wert des Seebeck-Koeffizienten (370 ?V/K bei 380 K) wurde für die Zusammensetzung V????Ti????FeSb festgestellt. Die Serie der quaternären Phasen Sc???Nb???NiSn, ZrNiIn???Sb???, HfNiIn???Sb???, ZrCo???Cu???Sn und HfCo???Cu???Sn. zeigt die Möglichkeit der Phasenbildung der Strukturtypen AlLiSi, LiGaGe bzw. TiNiSi auch im Fall der Abwesenheit einer oder beider ternärer Randverbindungen. Für die Verbindung Sc???Nb???NiSn wurden Halbleitereigenschaften festgestellt. Insgesamt wurde die Kristallstruktur der 25 neuen, zum ersten Mal synthetisierten ternären und quaternären Verbindungen bestimmt. Schlüsselwörter: Phasendiagramm, Phasengleichgewicht, Kristallstruktur, intermetallische Verbindungen, Halb-Heusler-Verbindungen, thermoelektrische Materialien, elektrischer Widerstand, Seebeck-Koeffizient.

Kernspektroskopische Untersuchungen in der 132 Sn-Region

In der vorliegenden Arbeit werden die r-Prozesskerne rund um den N=82-Schalenabschluß untersucht. Dabei gelang es die bisher unbekannten Halbwertszeiten und Pn-Werte der Antimonisotope 137-139-Sb und von 139-Te zu messen. Des Weiteren wurden die Ergebnisse von Shergur et. al. zu extrem neutronenreichen Zinnisotopen (137,138-Sn) mit neuen Messungen untermauert und verbessert. Alle erhaltenen Ergebnisse werden mit entsprechenden Modellrechnungen verglichen und ihr Einfluss auf moderne Netzwerkrechnungen zum r-Prozess diskutiert. Des Weiteren gelang erstmalig die Aufnahmen von gamma-spektroskopischen Daten für das r-Prozessnuklid 136-Sn in Singlespektren. Aufgrund der hinlänglich bekannten Probleme mit Isobarenkontaminationen für Ionenstrahlen von sehr exotischen Molekülen an ISOL-Einrichtungen werden unterschiedliche technische Entwicklungen zur Verbesserung der Strahlqualität aufgezeigt. Ein besonderer Schwerpunkt liegt hier auf der neu eingeführten Technik der molekularen Seitenbänder an Massenseparatoren. Hier gelang es durch gezielte Zugabe von Schwefel in das Target ein starke SnS(+)-Seitenband zu etablieren und so bei guter Strahlintensität eine deutliche Reduktion des Isobarenuntergrunds zu erreichen. Ebenso werden die Möglichkeiten einer temperaturkontrollierten Quarztransferline zwischen Target und Ionenquelle zur Minimierung von Kontaminationen bespro-chen. Zur Verbesserung der Selektivität von Experimenten an sehr neutronenreichen Elementen wurde ein Detektorsystem zur n,gamma-Koinzidenzmessung entwickelt. Im Gegensatz zu früheren Versuchen dieser Art, gelang es durch eine entsprechende neue Elektronik striktere Koinzidenzbedingungen zu realisieren und so das Koinzidenzfenster deutlich zu verkleinern.

Proprieta elettriche e ottiche di film di ge impiantati con sn.

In questo lavoro di tesi vengono studiate le proprietà ottiche ed elettriche di film sottili di germanio, impiantati con ioni stagno. I campioni, realizzati tramite tecnica CVD (\emph{Chemical Vapor Deposition}), sono stati realizzati in condizioni operative differenti, il che ha permesso di ottenere materiali con proprietà strutturali e fisiche diverse. Si è posta particolare attenzione alla presenza di strutture nanoporose, presenti in alcuni di questi campioni, che possono dar vita ad effetti di confinamento quantico, associato ad uno spostamento dell'energy gap rispetto al materiale bulk. Le analisi sono state effettuate sia tramite misure SPV (\emph{Surface Photovoltage}), che hanno permesso di indagare le proprietà ottiche, sia tramite tecnica IV (\emph{corrente-tensione}), volta ad evidenziare le proprietà elettriche dei diversi campioni. I risultati ottenuti sono, infine, stati confrontati con un campione di riferimento di film di germanio non impiantato, mettendone in luce le differenze strutturali e fisiche. Lo studio di questo materiale, oltre ad avere un'importanza di carattere fondamentale, è di interesse anche per le possibili ricadute applicative. Infatti, i materiali nanoporosi possono essere impiegati in vari campi, come ad esempio nell'elettronica, nello sviluppo di pannelli fotovoltaici e nella purificazione di gas e liquidi.

57 Fe and 119 Sn Mössbauer studies on new Heusler compounds for spintronic applications

Seit der Entwicklung einer großen Vielfalt von Anwendungsmöglichkeiten der Spintronik auf Basis von Heusler Verbindungen innerhalb der letzten Dekade kann der Forschungsfortschritt an dieser Material Klasse in einer Vielzahl von Publikationen verfolgt werden. Eine typische Heusler Verbindung X2YZ besteht aus zwei Übergangsmetallen (X, Y) und einem Hauptgruppenelement (Z). Diese Arbeit berichtet von Heusler Verbindungen mit besonderem Augenmerk auf deren potentielle halbmetallische Eigenschaften und davon insbesondere solche, die eine richtungsabhängige magnetische Anisotropie (perpendicular magnetic anisotropy- PMA) zeigen könnten. PMA ist insbesondere für Spin transfer Torque (STT) Bauelemente von großem Interesse und tritt in tetragonalrnverzerrten Heusler Verbindungen auf. Bei STT-Elementen werden mittels spinpolarisierter Ströme die magnetische Orientierung von magnetischen Schichten beeinflusst.rnDie signifikantesten Ergebnisse dieser Arbeit sind: die Synthese neuer kubischen Heusler Phasen Fe2YZ, die theoretisch als tetragonal vorausgesagt wurden (Kapitel 1), die Synthese von Mn2FeGa, das in der tetragonal verzerrten Struktur kristallisiert und Potential für STT Anwendungen zeigt (Kapitel 2); die Synthese von Fe2MnGa, das einen magnetischen Phasenübergang mit exchange-bias (EB) Effekt zeigt, der auf einer Koexistenz von ferromagnetischen (FM) und antiferromagnetischen (AFM) Phasen beruht (Kapitel 3); Schlussendlich wird in Kapitel 4 die Synthese von Mn3−xRhxSn diskutiert, in welcher insbesondere tetragonales Mn2RhSn als potentielles Material für Anwendungen in derrnSpintronik vorgestellt wird.rnIn dieser Arbeit wurden hauptsächlich Heusler Verbindungen mit mößbaueraktiven Elementen 57Fe und 119Sn, synthetisiert und untersucht. Im Falle der hier untersuchten Heusler Verbindungen spielt die Charakterisierung durch Mößbauer Spektroskopie eine entscheidende Rolle, da Heusler Verbindungen meistens ein gewisses Maß an Fehlordnung aufweisen, welche deren magnetischen und strukturellen Eigenschaften beeinflussen kann. Die Art der Fehlordnung jedoch kann nur schwer durch standard Pulver-Röntgendiffraktion bestimmt werden, weshalb wir die Vorteile der Mößbauer Spektroskopie als lokale Methode nutzen, um den Typ und den Grad der Fehlordnung aufzuklären. rnDiese Arbeit ist wie folgt gegliedert:rnIn Kapitel 1 wurden die neuen, kubisch-weichferromagnetischen Heuslerphasen Fe2NiGe, Fe2CuGa und Fe2CuAl synthetisiert und charakterisiert. In vorangegangenen theoretischen Studien wurde für deren Existenz in tetragonaler Heuslerstruktur vorhergesagt.rnUngeachtet dessen belegten unsere experimentellen Untersuchungen, dass diese Verbindungen hauptsächlich in der kubischen invers Heusler(X-) struktur mit unterschiedlichen Anteilen an atomarer Fehlordnung kristallisieren. Alle Verbindungen sind weiche Ferromagneten mit hoher Curietemperatur bis zu 900K, weswegen alle als potentielle Materialien für magnetische Anwendungen geeignet sind. In Kapitel 2 wurde Mn2FeGa synthetisiert. Es zeigte sich, dass Mn2FeGa nach Temperatur Nachbehandlung bei 400°C die invers tetragonale Struktur (I4m2) annimmt. Theoretisch wurde die Existenz in der inversen kubischen Heuslerstruktur vorausgesagt. Abhängig von den Synthesebedingungen ändern sich die magnetischen und strukturellen Eigenschaften von Mn2FeGa eklatant. Deshalb ändert sich die Kristallstruktur von M2FeGa bei Temperung bei 800 °C zu einer pseudokubischen Cu3Au-artigen Struktur, in welcher Fe- und Mn-Atome statistisch verteilt vorliegen. Dieser Übergang der Kristallstrukturen wurde durch Mößbauer Spektroskopie anhand des Vorliegens oder Fehlens der Quadrupolaufspaltung im Falle der invers tetragonalen bzw. pseudokubischen Modifikation nachgewiesen. In Kapitel 3 wurde Fe2MnGa ebenfalls erfolgreich synthetisiert und durch verschiedene Methoden charakterisiert. Der Zusammenhang von Kristallstruktur und magnetischen Eigenschaften wurde durch verschiedene Temperungskonditionen und mechanischer Behandlung untersucht. Der Schwerpunkt lag auf einer geschmolzenen Probe ohne weitere Temperung, die einen FM-AFM Phasenübergang zeigte. Diese magnetische Phasenumwandlung führt zu einem starken EB-Verhalten, welches seinen Ursprung hauptsächlich in der Koexistenz von FM- und AFM-Phasen unterhalb der FMAFM- Übergangstemperatur hat. Kapitel 4 ist den neuen Mn-basierten Heusler-Verbindungen Mn3−xRhxSn gewidmet, bei denen wir versuchten, durch den Austausch von Mn durch das größere Rh eine Umwandlung zu einer tetragonalen Struktur von den hexagonalen Mn3Sn-Struktur zu erreichen. Als interessant stellten sich Mn2RhSn und Mn2.1Rh0.9Sn heraus, da sie aus nur einer Phase vorzuliegen scheinen, wohingegen die anderen Verbindungen aus gemischten Phasen mit gleichzeitiger starken Fehlordnung bestehen. Im abschließenden Anhang wurden die Fehlordnung und gelegentliche Mischphasen einer großen Auswahl von Mn3−xFexGa Materialien mit 1≤x≤3, dokumentiert.rn

Analysis of transport properties of mechanically alloyed [Pb1-xSnxTe]

The work described in this thesis had two objectives. The first objective was to develop a physically based computational model that could be used to predict the electronic conductivity, Seebeck coefficient, and thermal conductivity of Pb1-xSnxTe alloys over the 400 K to 700 K temperature as a function of Sn content and doping level. The second objective was to determine how the secondary phase inclusions observed in Pb1-xSnxTe alloys made by consolidating mechanically alloyed elemental powders impact the ability of the material to harvest waste heat and generate electricity in the 400 K to 700 K temperature range. The motivation for this work was that though the promise of this alloy as an unusually efficient thermoelectric power generator material in the 400 K to 700 K range had been demonstrated in the literature, methods to reproducibly control and subsequently optimize the materials thermoelectric figure of merit remain elusive. Mechanical alloying, though not typically used to fabricate these alloys, is a potential method for cost-effectively engineering these properties. Given that there are deviations from crystalline perfection in mechanically alloyed material such as secondary phase inclusions, the question arises as to whether these defects are detrimental to thermoelectric function or alternatively, whether they enhance thermoelectric function of the alloy. The hypothesis formed at the onset of this work was that the small secondary phase SnO2 inclusions observed to be present in the mechanically alloyed Pb1-xSnxTe would increase the thermoelectric figure of merit of the material over the temperature range of interest. It was proposed that the increase in the figure of merit would arise because the inclusions in the material would not reduce the electrical conductivity to as great an extent as the thermal conductivity. If this were to be true, then the experimentally measured electronic conductivity in mechanically alloyed Pb1-xSnxTe alloys that have these inclusions would not be less than that expected in alloys without these inclusions while the portion of the thermal conductivity that is not due to charge carriers (the lattice thermal conductivity) would be less than what would be expected from alloys that do not have these inclusions. Furthermore, it would be possible to approximate the observed changes in the electrical and thermal transport properties using existing physical models for the scattering of electrons and phonons by small inclusions. The approach taken to investigate this hypothesis was to first experimentally characterize the mobile carrier concentration at room temperature along with the extent and type of secondary phase inclusions present in a series of three mechanically alloyed Pb1-xSnxTe alloys with different Sn content. Second, the physically based computational model was developed. This model was used to determine what the electronic conductivity, Seebeck coefficient, total thermal conductivity, and the portion of the thermal conductivity not due to mobile charge carriers would be in these particular Pb1-xSnxTe alloys if there were to be no secondary phase inclusions. Third, the electronic conductivity, Seebeck coefficient and total thermal conductivity was experimentally measured for these three alloys with inclusions present at elevated temperatures. The model predictions for electrical conductivity and Seebeck coefficient were directly compared to the experimental elevated temperature electrical transport measurements. The computational model was then used to extract the lattice thermal conductivity from the experimentally measured total thermal conductivity. This lattice thermal conductivity was then compared to what would be expected from the alloys in the absence of secondary phase inclusions. Secondary phase inclusions were determined by X-ray diffraction analysis to be present in all three alloys to a varying extent. The inclusions were found not to significantly degrade electrical conductivity at temperatures above ~ 400 K in these alloys, though they do dramatically impact electronic mobility at room temperature. It is shown that, at temperatures above ~ 400 K, electrons are scattered predominantly by optical and acoustical phonons rather than by an alloy scattering mechanism or the inclusions. The experimental electrical conductivity and Seebeck coefficient data at elevated temperatures were found to be within ~ 10 % of what would be expected for material without inclusions. The inclusions were not found to reduce the lattice thermal conductivity at elevated temperatures. The experimentally measured thermal conductivity data was found to be consistent with the lattice thermal conductivity that would arise due to two scattering processes: Phonon phonon scattering (Umklapp scattering) and the scattering of phonons by the disorder induced by the formation of a PbTe-SnTe solid solution (alloy scattering). As opposed to the case in electrical transport, the alloy scattering mechanism in thermal transport is shown to be a significant contributor to the total thermal resistance. An estimation of the extent to which the mean free time between phonon scattering events would be reduced due to the presence of the inclusions is consistent with the above analysis of the experimental data. The first important result of this work was the development of an experimentally validated, physically based computational model that can be used to predict the electronic conductivity, Seebeck coefficient, and thermal conductivity of Pb1-xSnxTe alloys over the 400 K to 700 K temperature as a function of Sn content and doping level. This model will be critical in future work as a tool to first determine what the highest thermoelectric figure of merit one can expect from this alloy system at a given temperature and, second, as a tool to determine the optimum Sn content and doping level to achieve this figure of merit. The second important result of this work is the determination that the secondary phase inclusions that were observed to be present in the Pb1-xSnxTe made by mechanical alloying do not keep the material from having the same electrical and thermal transport that would be expected from “perfect" single crystal material at elevated temperatures. The analytical approach described in this work will be critical in future investigations to predict how changing the size, type, and volume fraction of secondary phase inclusions can be used to impact thermal and electrical transport in this materials system.

Effect of a chitosan additive to a Sn(2+)-containing toothpaste on its anti-erosive/anti-abrasive efficacy-a controlled randomised in situ trial

OBJECTIVES It is well known that Sn(2+) is a notable anti-erosive agent. There are indications that biopolymers such as chitosan can enhance the effect of Sn(2+), at least in vitro. However, little information exists about their anti-erosive/anti-abrasive in situ effects. In the present in situ study, the efficacy of Sn(2+)-containing toothpastes in the presence or absence of chitosan was tested. METHODS Ten subjects participated in the randomised crossover study, wearing mandibular appliances with human enamel specimens. Specimens were extraorally demineralised (7 days, 0.5 % citric acid, pH 2.6; 6 × 2 min/day) and intraorally exposed to toothpaste suspensions (2 × 2 min/day). Within the suspension immersion time, one half of the specimens were additionally brushed intraorally with a powered toothbrush (5 s, 2.5 N). Tested preparations were a placebo toothpaste (negative control), two experimental toothpastes (F/Sn = 1,400 ppm F(-), 3,500 ppm Sn(2+); F/Sn/chitosan = 1,400 ppm F(-), 3,500 ppm Sn(2+), 0.5 % chitosan) and an SnF2-containing gel (positive control, GelKam = 3,000 ppm Sn(2+), 1,000 ppm F(-)). Substance loss was quantified profilometrically (μm). RESULTS In the placebo group, tissue loss was 11.2 ± 4.6 (immersion in suspension) and 17.7 ± 4.7 (immersion in suspension + brushing). Immersion in each Sn(2+)-containing suspension significantly reduced tissue loss (p ≤ 0.01); after immersion in suspension + brushing, only the treatments with GelKam (5.4 ± 5.5) and with F/Sn/chitosan (9.6 ± 5.6) significantly reduced loss [both p ≤ 0.05 compared to placebo; F/Sn 12.8 ± 6.4 (not significant)] CONCLUSION Chitosan enhanced the efficacy of the Sn(2+)-containing toothpaste as an anti-erosive/anti-abrasive agent. CLINICAL RELEVANCE The use of Sn(2+)- and chitosan-containing toothpaste is a good option for symptomatic therapy in patients with regular acid impacts.