Metal oxide photoanodes for solar hydrogen production

The development of sustainable hydrogen production is a key target in the further facilitation of a hydrogen economy. Solar hydrogen generation through the photolytic splitting of water sensitised by semiconductor materials is attractive as it is both renewable and does not lead to problematic by-products, unlike current hydrogen sources such as natural gas. Consequently, the development of these semiconductor materials has undergone considerable research since their discovery over 30 years ago and it would seem prescient to review the more practical results of this research. Among the critical factors influencing the choice of semiconductor material for photoelectrolysis of water are the band-gap energies, flat band potentials and stability towards photocorrosion; the latter of these points directs us to focus on metal oxides. Careful design of thin films of photocatalyst material can eliminate potential routes of losses in performance, i.e., recombination at grain boundaries. Methods to overcome these problems are discussed such as coupling a photoanode for photolysis of water to a photovoltaic cell in a 'tandem cell' device.

Bismuth embrittlement of copper is an atomic size effect

Embrittlement by the segregation of impurity elements to grain boundaries is one of a small number of phenomena that can lead to metallurgical failure by fast fracture(1). Here we settle a question that has been debated for over a hundred years(2): how can minute traces of bismuth in copper cause this ductile metal to fail in a brittle manner? Three hypotheses for Bi embrittlement of Cu exist: two assign an electronic effect to either a strengthening(3) or weakening(4) of bonds, the third postulates a simple atomic size effect(5). Here we report first principles quantum mechanical calculations that allow us to reject the electronic hypotheses, while supporting a size effect. We show that upon segregation to the grain boundary, the large Bi atoms weaken the interatomic bonding by pushing apart the Cu atoms at the interface. The resolution of the mechanism underlying grain boundary weakening should be relevant for all cases of embrittlement by oversize impurities.

Measurement and interpretation of the mid-infrared properties of single crystal and polycrystalline gold

The contribution of electron-phonon scattering and grain boundary scattering to the mid-IR (lambda = 3.392 mum) properties of An has been assessed by examining both bulk, single crystal samples-Au(1 1 1) and Au(1 1 0)-and thin film, polycrystalline An samples at 300 K and 100 K by means of surface plasmon polariton excitation. The investigation constitutes a stringent test for the in-vacuo Otto-configuration prism coupler used to perform the measurements, illustrating its strengths and limitations. Analysis of the optical response is guided by a physically based interpretation of the Drude model. Relative to the reference case of single crystal Au at 100 K (epsilon = - 568 + i17.5), raising the temperature to 300 K causes increased electron-phonon scattering that accounts for a reduction of similar to40 nm in the electron mean free path. Comparison of a polycrystalline sample to the reference case determines a mean free path due to grain boundary scattering of similar to 17 nm, corresponding to about half the mean grain size as determined from atomic force microscopy and indicating a high reflectance coefficient for the An grain boundaries. An analysis combining consideration of grain boundary scattering and the inclusion of a small percentage of voids in the polycrystalline film by means of an effective medium model indicates a value for the grain boundary reflection coefficient in the range 0.55-0.71. (C) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Spontaneous spin polarization and electron localization in constrained geometries: The Wigner transition in nanowires

The Wigner transition in a jellium model of cylindrical nanowires has been investigated by density-functional computations using the local spin-density approximation. A wide range of background densities rho(b) has been explored from the nearly ideal metallic regime (r(s)=[3/4 pi rho(b)](1/3)=1) to the high correlation limit (r(s)=100). Computations have been performed using an unconstrained plane wave expansion for the Kohn-Sham orbitals and a large simulation cell with up to 480 electrons. The electron and spin distributions retain the cylindrical symmetry of the Hamiltonian at high density, while electron localization and spin polarization arise nearly simultaneously in low-density wires (r(s)similar to 30). At sufficiently low density (r(s)>= 40), the ground-state electron distribution is the superposition of well defined and nearly disjoint droplets, whose charge and spin densities integrate almost exactly to one electron and 1/2 mu(B), respectively. Droplets are arranged on radial shells and define a distorted lattice whose structure is intermediate between bcc and fcc. Dislocations and grain boundaries are apparent in the droplets' configuration found by our simulations. Our computations aim at modeling the behavior of experimental low-carried density systems made of lightly doped semiconductor nanostructures or conducting polymers.

Microstructure evolution of a 10Cr heat-resistant steel during high temperature creep

The microstructure evolution of a 10Cr ferritic/martensitic heat-resistant steel during creep at 600°C was investigated in this work. Creep tests demonstrated that the 10Cr steel had higher creep strength than conventional ASME-P92 steel at 600°C. The microstructure after creep was studied by transmission electron microscopy, scanning electron microscopy and electron probe microanalysis. It was revealed that the martensitic laths were coarsened with time and eventually developed into subgrains after 8354 h. Laves phase was observed to grow and cluster along the prior austenite grain boundaries during creep and caused the fluctuation of solution and precipitation strengthening effects, which was responsible for the two slope changes on the creep rupture strength vs rupture time curve. It was also revealed that the microstructure evolution could be accelerated by stress, which resulted in the lower hardness in the deformed part of the creep specimen, compared with the aging part.

One-step synthesis of ZnO nanosheets: a blue-white fluorophore

Zinc oxide is synthesised at low temperature (80A degrees C) in nanosheet geometry using a substrate-free, single-step, wet-chemical method and is found to act as a blue-white fluorophore. Investigation by atomic force microscopy, electron microscopy, and X-ray diffraction confirms zinc oxide material of nanosheet morphology where the individual nanosheets are polycrystalline in nature with the crystalline structure being of wurtzite character. Raman spectroscopy indicates the presence of various defects, while photoluminescence measurements show intense green (centre wavelength approximately 515 nm) blue (approximately 450 nm), and less dominant red (approximately 640 nm) emissions due to a variety of vacancy and interstitial defects, mostly associated with surfaces or grain boundaries. The resulting colour coordinate on the CIE-1931 standard is (0.23, 0.33), demonstrating potential for use as a blue-white fluorescent coating in conjunction with ultraviolet emitting LEDs. Although the defects are often treated as draw-backs of ZnO, here we demonstrate useful broadband visible fluorescence properties in as-prepared ZnO. 

Nanoindentation of polysilicon and single crystal silicon: Molecular dynamics simulation and experimental validation

This paper presents novel advances on the deformation behaviour of polycrystalline and single crystal silicon using molecular dynamics (MD) simulation and validation of the same via nanoindentation experiments. In order to unravel the mechanism of deformation, four simulations were performed: Indentation of polycrystalline silicon substrate with a (i) Berkovich pyramidal and a (ii) spherical (arc) indenter, and indentation of a single crystal silicon substrate with these two indenters. The simulation results reveal that high pressure phase transformation (HPPT) in silicon (Si-I to Si-II phase transformation) occurred in all cases, however, its extent and the manner in which it occurred differed significantly between polycrystalline silicon and single crystal silicon, and was the main driver of differences in nanoindentation deformation behaviour between the two types of silicon. An interesting observation was that in polycrystalline silicon, the HPPT was observed to occur preferentially along the grain boundaries than across the grain boundaries. An automated dislocation extraction algorithm (DXA) revealed no dislocations in the deformation zone, suggesting HPPT to be the primary mechanism in inducing plasticity in silicon.

Influence of microstructure on the cutting behaviour of silicon

We use molecular dynamics simulation to study the mechanisms of plasticity during cutting of monocrystalline and polycrystalline silicon. Three scenarios are considered: (i) cutting a single crystal silicon workpiece with a single crystal diamond tool, (ii) cutting a polysilicon workpiece with a single crystal diamond tool, and (iii) cutting a single crystal silicon workpiece with a polycrystalline diamond tool. A long-range analytical bond order potential is used in the simulations, providing a more accurate picture of the atomic-scale mechanisms of brittle fracture, ductile plasticity, and structural changes in silicon. The MD simulation results show a unique phenomenon of brittle cracking typically inclined at an angle of 45° to 55° to the cut surface, leading to the formation of periodic arrays of nanogrooves in monocrystalline silicon, which is a new insight into previously published results. Furthermore, during cutting, silicon is found to undergo solid-state directional amorphisation without prior Si-I to Si-II (beta tin) transformation, which is in direct contrast to many previously published MD studies on this topic. Our simulations also predict that the propensity for amorphisation is significantly higher in single crystal silicon than in polysilicon, signifying that grain boundaries eases the material removal process.

Nanoscale mapping of oxygen vacancy kinetics in nanocrystalline Samarium doped ceria thin films

The position-dependent oxygen vacancy dynamics induced by a biased scanning probe microscopy tip in Samarium doped ceria thin films grown on MgO (100) substrates is investigated. The granularity of the samples gives rise to spatially dependent local electrochemical activity, as explored by electrochemical strain microscopy. The kinetics of the oxygen vacancy relaxation process is investigated separately for grain boundaries and grains. Higher oxygen vacancy concentration variation and slower diffusion are observed in the grain boundary regions as compared to the grains.

Probing Bias-Dependent Electrochemical Gas-Solid Reactions in (LaxSr1-x)CoO3-delta Cathode Materials

Spatial variability of bias-dependent electrochemical processes on a (La0.5Sr0.5)(2)CoO4 +/- modified (LaxSr1-x)CoO3- surface is studied using first-order reversal curve method in electrochemical strain microscopy (ESM). The oxygen reduction/evolution reaction (ORR/OER) is activated at voltages as low as 3-4 V with respect to bottom electrode. The degree of bias-induced transformation as quantified by ESM hysteresis loop area increases with applied bias. The variability of electrochemical activity is explored using correlation analysis and the ORR/OER is shown to be activated in grains at relatively low biases, but the final reaction rate is relatively small. At the same time, at grain boundaries, the onset of reaction process corresponds to larger voltages, but limiting reactivity is much higher. The reaction mechanism in ESM of mixed electronic-ionic conductor is further analyzed. These studies both establish the framework for probing bias-dependent electrochemical processes in solids and demonstrate rich spectrum of electrochemical transformations underpinning catalytic activity in cobaltites.

Polarization retention loss in PbTiO3 ferroelectric films due to leakage currents

The relationship between retention loss in single crystal PbTiO3 ferroelectric thin films and leakage currents is demonstrated by piezoresponse and conductive atomic force microscopy measurements. It was found that the polarization reversal in the absence of an electric field followed a stretched exponential behavior 1-exp[-(t/k)(d)] with exponent d>1, which is distinct from a dispersive random walk process with d <. The latter has been observed in polycrystalline films for which retention loss was associated with grain boundaries. The leakage current indicates power law scaling at short length scales, which strongly depends on the applied electric field. Additional information of the microstructure, which contributes to an explanation of the presence of leakage currents, is presented with high resolution transmission electron microscopy analysis.

INTERPLAY OF CAF2 SUBSTRATE ROUGHENING AND FILM DEPOSITION RATE ON RADIATIVE SCATTERING OF SURFACE-PLASMON POLARITONS FROM AG FILMS

The radiative decay of surface plasmon polaritons has been investigated in an attempt to characterize the surface roughness of Ag films prepared under different conditions. The polaritons were excited by the method of attenuated total reflection of light. The films were deposited on the face of a 60-degrees BK-7 glass prism at a rate that was deliberately fixed in two different ranges (centred on 0.1 and 10 nm s-1) and in some cases a CaF2 underlayer was used to roughen the film surfaces. The intensity of the scattered light emitted from the opposite face of the films was measured as a function of direction for each using the same sensitivity scale and was correlated with the preparation of the film. It was found that on nominally smooth substrates fast-deposited thinner films give out more light and are deduced to have greater short wavelength (300-600 nm) roughness amplitude. There is also evidence for long wavelenth (7 mum) periodic roughness due to the prism substrate itself. On CaF2 roughened surfaces the light output from the films is further increased and the peak intensity is backward directed with respect to the exciting laser beam direction. Here roughness on a lateral scale of 350 nm is responsible. Also, elastic scattering of surface plasmon polaritons at grain boundaries reduces the light output from fast deposited, small grain, films on CaF2 roughened surfaces. Overall, a consistent picture of roughness induced radiative polariton decay emerges for all cases studied.

Microstructural evolution and mechanical properties of short-term thermally exposed 9/12Cr heat-resistant steels

The microstructural evolution during short-term (up to 3000 hours) thermal exposure of three 9/12Cr heat-resistant steels was studied, as well as the mechanical properties after exposure. The tempered martensitic lath structure, as well as the precipitation of carbide and MX type carbonitrides in the steel matrix, was stable after 3000 hours of exposure at 873 K (600 °C). A microstructure observation showed that during the short-term thermal exposure process, the change of mechanical properties was caused mainly by the formation and growth of Laves-phase precipitates in the steels. On thermal exposure, with an increase of cobalt and tungsten contents, cobalt could promote the segregation of tungsten along the martensite lath to form Laves phase, and a large size and high density of Laves-phase precipitates along the grain boundaries could lead to the brittle intergranular fracture of the steels.

Preparação e caracterização de materiais com constante dieléctrica colossal baseados em CCTO

A procura de materiais com elevada constante dieléctrica (E’) motivou nos últimos anos uma intensa pesquisa neste domínio. Entre as várias aplicações destes materiais destacam-se os dispositivos de memória baseados em componentes capacitivos, como as DRAM, em que o valor da constante dieléctrica estática (Es) determina o seu nível de miniaturização. Entre estes materiais, o CaCu3Ti4O12 (CCTO) tem sido apontado como sendo bastante interessante na perspectiva das aplicações tecnológicas e do ponto de vista científico. O CCTO tem a estrutura da perovsquite, apresentando valores elevados de E’ e uma grande estabilidade numa vasta gama de temperaturas (100 – 400 K) e frequências (100 Hz – 1 MHz). Contudo, as elevadas perdas dieléctricas (tan ) têm sido um entrave à sua aplicação tecnológica. Neste trabalho foram preparados materiais derivados do CCTO pelos métodos de reacção do estado sólido, sol-gel e fusão de zona com laser, com o principal objectivo de optimizar as amostras preparadas ao nível estrutural e morfológico, de modo a reduzir tan e aumentar a gama de frequências na qual se verifique E’colossal. Do ponto de vista da sua caracterização estrutural e morfológica usaram-se técnicas de difracção de raios X, microscopia electrónica de varrimento, espectroscopia de dispersão de raios X e espectroscopia de Raman. Para a caracterização eléctrica foram medidas a condutividade ac e dc, a impedância complexa e E’ em função da temperatura e frequência. As medidas dieléctricas mostraram a existência de mecanismos de relaxação, que foram ajustados usando o modelo de Cole-Cole. Discutiu-se a correlação entre os parâmetros de relaxação obtidos e os resultados estruturais das amostras. Atendendo a que o mecanismo de polarização que está na origem das propriedades incomuns do CCTO ainda permanece em discussão, foram produzidas amostras com uma grande diversidade morfológica, variando as condições de síntese. Foram ainda dopadas amostras de CCTO com os óxidos TeO2 e GeO2. Constatou-se que a resposta dieléctrica das amostras de CCTO policristalinas é muito dependente do tamanho de grão. Em regra, verificou-se o aumento de Es e a diminuição da resistência dos grãos e fronteiras de grão com o aumento do tamanho de grão.

Microstructure design of Titanate-based electroceramics

Electrocerâmicos são uma classe de materiais avançados com propriedades eléctricas valiosas para aplicações. Estas propriedades são geralmente muito dependentes da microestrutura dos materiais. Portanto, o objectivo geral deste trabalho é investigar o desenho da resposta dieléctrica de filmes espessos obtidos por Deposição Electroforética (EPD) e cerâmicos monolíticos, através do controlo da evolução da microestrutura durante a sinterização de electrocerâmicos à base de titanatos. Aplicações sem fios na indústria microelectrónica e de comunicações, em rápido crescimento, tornaram-se um importante mercado para os fabricantes de semicondutores. Devido à constante necessidade de miniaturização, redução de custos e maior funcionalidade e integração, a tecnologia de filmes espessos está a tornar-se uma abordagem de processamento de materiais funcionais cada vez mais importante. Uma técnica adequada neste contexto é EPD. Os filmes espessos resultantes necessitam de um passo subsequente de sinterização que é afectada pelo substrato subjacente, tendo este um forte efeito sobre a evolução da microestrutura. Relacionado com a miniaturização e a discriminação do sinal, materiais dieléctricos usados como componentes operando a frequências das microondas em aplicações na industria microelectrónica de comunicações devem apresentar baixas perdas dieléctricas e elevadas permitividade dieléctrica e estabilidade com a temperatura. Materiais do sistema BaO-Ln2O3- TiO2 (BLnT: Ln = La ou Nd), como BaLa4Ti4O15 (BLT) e Ba4.5Nd9Ti18O54 (BNT), cumprem esses requisitos e são interessantes para aplicações, por exemplo, em estações de base para comunicações móveis ou em ressonadores para telefones móveis, onde a miniaturização dos dispositivos é muito importante. Por sua vez, o titanato de estrôncio (SrTiO3, STO) é um ferroeléctrico incipiente com constante dieléctrica elevada e baixas perdas, que encontra aplicação em, por exemplo, condensadores de camada interna, tirando partido de fronteiras de grão altamente resistivas. A dependência da permitividade dieléctrica do campo eléctrico aplicado torna este material muito interessante para aplicações em dispositivos de microondas sintonizáveis. Materiais à base de STO são também interessantes para aplicações termoeléctricas, que podem contribuir para a redução da actual dependência de combustíveis fósseis por meio da geração de energia a partir de calor desaproveitado. No entanto, as mesmas fronteiras de grão resistivas são um obstáculo relativamente à eficiência do STO para aplicações termoeléctricas. Para além do efeito do substrato durante a sinterização constrangida, outros factores, como a presença de fase líquida, a não-estequiometria ou a temperatura de sinterização, afectam significativamente não apenas a microestrutura dos materiais funcionais, mas também a sua resposta dieléctrica. Se adequadamente compreendidos, estes factores podem ser intencionalmente usados para desenhar a microestrutura dos electrocerâmicos e, desta forma, as suas propriedades dieléctricas. O efeito da não-estequiometria (razão Sr/Ti 0.995-1.02) no crescimento de grão e resposta dieléctrica de cerâmicos de STO foi investigado neste trabalho. A mobilidade das fronteiras de grão aumenta com a diminuição da razão Sr/Ti. A resistividade do interior dos grãos e das fronteiras de grão é sistematicamente diminuída em amostras não-estequiométricas de STO, em comparação com o material estequiométrico. O efeito é muito mais forte para as fronteiras de grão do que para o seu interior. Dependências sistemáticas da não-estequiometria foram também observadas relativamente à dependência da condutividade da temperatura (muito mais afectada no caso da contribuição das fronteiras de grão), à capacitância do interior e fronteiras de grão e à espessura das fronteiras de grão. Uma anomalia no crescimento de grão em cerâmicos de STO ricos em Ti foi também observada e sistematicamente analisada. Foram detectadas três descontinuidades na dependência do tipo Arrhenius do crescimento de grão relativamente à temperatura com diminuições no tamanho de grão a temperaturas em torno de 1500, 1550 e 1605 °C. Além disso, descontinuidades semelhantes foram também observadas na dependência da energia de activação relativamente à condutividade das fronteiras de grão e na espessura das fronteiras de grão, avaliadas por Espectroscopia de Impedância. Estas notáveis coincidências suportam fortemente a formação de diferentes complexos de fronteira de grão com transições entre os regimes de crescimento de grão observados, que podem ser correlacionados com diferentes mobilidades de fronteira de grão e propriedades dieléctricas. Um modelo é sugerido, que se baseia na diminuição da fase líquida localizada nas fronteiras de grão, como o aumento da temperatura de sinterização, um cenário compatível com um fenómeno de solubilidade retrógrada, observado anteriormente em metais e semicondutores, mas não em cerâmicos. A EPD de filmes espessos de STO em substratos de folha de Pt e a sinterização constrangida dos filmes fabricados foram também preliminarmente tratadas. Filmes espessos de STO foram depositados com êxito por EPD sobre substratos de Pt e, depois de sinterizados, atingiram densidades elevadas. Um aumento da densificação e do tamanho de grão assim como o alargamento da distribuição de tamanho do grão foram observados com a diminuição da razão Sr/Ti, tal como anteriormente observado em amostras cerâmicas. Grãos equiaxiados foram observados para todas as composições, mas um certo grau de anisotropia na orientação dos poros foi detectado: os poros revelaram uma orientação vertical preferencial. Este trabalho focou-se também na sinterização constrangida do sistema BLnT (Ln = La ou Nd), nomeadamente de filmes espessos de BLT e BNT sobre substratos de folha de platina, e na relação do desenvolvimento de anisotropia microestrutural com as propriedades dieléctricas. As observações durante a sinterização constrangida foram comparadas com cerâmicos monolíticos equivalentes sinterizados livremente. Filmes espessos de BLnT (Ln = La ou Nd) com elevada densidade foram obtidos por EPD e subsequente sinterização constrangida. A anisometria cristalográfica do material em conjunto com um passo de sinterização constrangida resultou em grãos alongados e microestruturas anisotrópicas. O efeito do stress do substrato durante a sinterização constrangida originou graus mais elevados de anisotropia (grãos e poros alongados e orientação preferencial, bem como textura cristalográfica) nos filmes sinterizados relativamente aos cerâmicos equivalentes sinterizados livremente, não obstante o estado equivalente das amostras em verde. A densificação dos filmes de BLnT (Ln = La ou Nd) é retardada em comparação com os cerâmicos, mas depois de longos tempos de sinterização densidades semelhantes são obtidas. No entanto, em oposição a observações na sinterização constrangida de outros sistemas, o crescimento do grão em filmes de BLnT (Ln = La ou Nd) é favorecido pelo constrangimento causado pelo substrato. Além disso, grãos e poros alongados orientados paralelamente ao substrato foram desenvolvidos durante a sinterização constrangida de filmes espessos. Verificou-se uma forte correlação entre a evolução de grãos e poros, que começou assim que o crescimento do grão se iniciou. Um efeito da tensão do substrato no aumento do crescimento de grão, bem como um forte “Zener pinning”, origina microestruturas altamente texturizadas, o que também é observado a nível cristalográfico. Efeitos marcantes da anisotropia microestrutural foram também detectados nas propriedades dieléctricas dos filmes de BLnT (Ln = La ou Nd). Juntamente com o aumento da razão de aspecto dos grãos, do factor de orientação e do grau de textura cristalográfica, a permitividade relativa é ligeiramente diminuída e o coeficiente de temperatura da permitividade evolui de negativo para positivo com o aumento do tempo isotérmico de sinterização. Este trabalho mostra que a não-estequiometria pode ser usada para controlar a mobilidade das fronteiras de grão e, portanto, desenhar a microestrutura e as propriedades dieléctricas de electrocerâmicos à base de STO, com ênfase nas propriedades das fronteiras de grão. O papel da não-estequiometria no STO e dos complexos de fronteira de grão no desenvolvimento microestrutural é discutido e novas oportunidades para desenhar as propriedades de materiais funcionais são abertas. As observações relativamente à sinterização constrangida apontam para o efeito de tensões mecânicas desenvolvidas devido ao substrato subjacente no desenvolvimento da microestrutura de materiais funcionais. É assim esperado que a escolha adequada de substrato permitia desenhar a microestrutura de filmes espessos funcionais com desempenho optimizado. “Stress Assisted Grain Growth” (SAGG) é então proposto como uma técnica potencial para desenhar a microestrutura de materiais funcionais, originando microestruturas anisotrópicas texturizadas com propriedades desejadas.