Bond strength and Raman analysis of the zirconia-feldspathic porcelain interface

The test groups were experimental zirconia, Zirkonzahn zirconia, and Schuetz zirconia. Blocks of partially sintered zirconia were cut into disks (n=20) and then veneered with a feldspathic porcelain. Half of the specimens from each group (n=10) were incubated in 37°C water for 24 hours, and the other half were thermocycled. All the specimens were then subjected to shear testing. The fractured areas were analyzed with optical stereomicroscopy and classified as adhesive, cohesive, or an adhesive-cohesive failure. Spectral patterns were examined to detect bands related to the zirconia and feldspathic porcelain phases. The shear strength data were submitted to 2-way ANOVA. Results No significant differences in shear bond strength were observed among the 3 groups, regardless of whether or not the specimens were thermocycled. Adhesive failures were the most prevalent types of failure (70%). Raman spectra were clearly distinguished for all the materials, which showed the presence of tetragonal and monoclinic phases. Conclusions The controlled production of the experimental zirconia did not influence the results of the bond strength. Raman analysis suggested a process of interdiffusion by the presence of peaks associated with the zirconia and feldspathic ceramics.

Oberflächenmodifizierungen von Siliciumoxid und Poly(ethylen-stat-norbornen) durch Blockcopolymere und an Plasmaschichten gebundene Homopolymere

In der vorliegenden Arbeit erfolgten Oberflächenmodifizierungen durch Polymere nach zwei Ansätzen. Dies war zum einen ein Ansatz, bei dem die Oberflächen mit Diblockcopolymeren versehen wurden. Diese bestanden aus einem Ankerblock, der starke Wechselwirkungen mit der Oberfläche zeigt, und einem Bojenblock, der gezielte Eigenschaften trägt. Zum anderen erfolgten Modifizierungen durch auf Plasmaschichten verankerte Homopolymere. Beide Ansätze erfolgten auf zwei Substraten von unterschiedlichen Eigenschaften. Diese waren das Siliciumoxid, für das Modifizierungen durch radikalische in-situ Oberflächenpolymerisation, und das Poly(ethylen-stat-norbornen), für das Modifizierungen durch ex-situ dargestellte Polymere gewählt wurden. Beim ersten Ansatz zur Modifizierung der Siliciumoxidoberfläche ermöglichte ein adsorbierter Poly(e-caprolacton)-Makroinitiator die Oberflächenpolymerisation hin zu oberflächenverankertem Poly(e-caprolacton)-block-poly(alkyl(meth)acrylat). Beim zweiten Ansatz erfolgte die Abscheidung von plasmapolymerisiertem Allylamin, die Immobilisierung des Azoinitiators 4,4’-Azobis(4-cyanopentansäurechlorid) und die nachfolgende Oberflächenpolymerisation von Methylmethacrylat oder Styrol. Beim ersten Modifizierungsansatz der Poly(ethylen-stat-norbornen)-Oberfläche sollte diese mit thermisch interdiffundierten Poly(ethylen-alt-propylen)-block-poly(dimethylsiloxan) versehen werden. Trotz erfolgreicher Synthese wurde gezeigt, daß keine Interdiffusion stattfand. Im zweiten Modifizierungsansatz wurde die Oberfläche mit aus einem Hexamethyldisiloxan/Sauerstoff-Plasma abgeschiedenem reinem Siliciumoxid beschichtet, woran sich die Adsorption von Poly(dimethylsiloxan) anschloß. Damit konnten die hohen Haftreibungskräfte gegenüber Halogenbutylgummi erfolgreich beseitigt werden.

Untersuchung der Ordnung und Diffusion von Polymerdispersionen bei ihrer Verfilmung

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die, für industrielle Applikationen sehr wichtige, Trocknung und Verfilmung von Latexdispersionen untersucht. Unter der Verfilmung wird in diesem Zusammenhang allgemein der Übergang einer Polymerdispersion in einen transparenten, mechanisch stabilen Polymerfilm während ihrer Trocknung verstanden. Für die Untersuchungen wurden schwerpunktmäßig Streumethoden verwendet. Die Untersuchungen haben gezeigt, daß die Streuung eine besonders geeignete Methode zur Untersuchung der Verfilmung ist, die in Abhängigkeit des beobachteten Streuvektorbereichs, der verwendeten Strahlung, der Probenpräparation und des resultierenden Kontrasts eine Vielzahl unterschiedlicher Informationen über die Verfilmung in ihren verschiedenen Phasen liefert. Von besonderem Interesse war es, den prinzipiellen Verlauf der Verfilmung bei den heterogen trocknenden Reinacrylatlatices zu untersuchen. Dazu wurde mit Hilfe der Röntgenultrakleinwinkelstreuung gezielt der Zustand der Partikel in den einzelnen Phasen der heterogen trocknenden Proben beobachtet. Mit Hilfe der Neutronenkleinwinkelstreuung konnte das Verhalten des Emulgators während der Verfilmung und dessen Verteilung im resultierenden Film genauer untersucht werden. Die Röntgenkleinwinkelstreuung erlaubte eine eingehende Untersuchung der Kristallisation des Emulgators im trockenen Film. Geeignete Kontrastierung durch gezielte Deuterierung ermöglichte die Untersuchung des Comonomereinflusses auf die Interdiffusion von Latexpartikeln mit Neutronenkleinwinkelstreuung. Aus den Meßergebnissen wurde ein Modell zur heterogenen Trocknung von Latexdispersionen entwickelt, das den Ablauf der Verfilmung in einem konsistenten Bild zusammenfaßt.

Bruchmechanismen an Polymergrenzflächen

In der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen zur Aufklärung des Versagens thermisch verschweißter Polymergrenzflächen (hier: Polymethylmethacrylat) durchgeführt. Solch ein Wissen kommt in der Praxis bei sogenannten Sollbruchstellen zum Einsatz. Dabei muss die Grenzschicht bis zu einer bestimmten Belastungsintensität stabil bleiben bei höherer Belastung jedoch brechen. Zudem ist eine stabile Risspropagation entlang der Grenzschicht wichtig.Neben der Bruchstabilitätsbestimmung mit Hilfe des Double Cantilever Beam Tests wurden die beim Versagen der Grenzschicht entstandenen Defekte untersucht. Die Analyse der Bruchfläche erfolgte mit Mikroskopie und Höhenprofilometrie. Defekte im Volumen wurden durch Scanning-Ultra Small Angle X-ray Scattering und Scanning Microfokus-Small Angle X-ray Scattering untersucht.Im Modellsystem können Sollbruchstellen bis zu einer Belastungsintensität von maximal 280J/m² durch die Verschweißungsdauer eingestellt werden. Die Untersuchung der Bruchflächen lieferte ein kombiniertes Modell aus Ausheil- und Interdiffusionsprozess. Ferner folgt aus den Streuuntersuchungen, dass beim Modellsystem keine hochgeordneten Defektstrukturen vorliegen. Die entstandenen Strukturen folgen einem Modell diffuser Defektgrenzflächen. Über die gemessene Diffusivität kann zudem auf die Energiedissipation im Bereich um das Rissende geschlossen werden. Sie ist im unmittelbaren Rissbereich am Höchsten und nimmt mit Entfernung davon ab. Dabei haben die Defektbereiche eine Größe bis zu 650µm. Die Richtung der von außen angelegten Belastung spielt bei der räumlichen Orientierung der Defekte keine Rolle.

Dynamics, rheology and critical properties of colloidal fluid mixtures

Liquids under the influence of external fields exhibit a wide range of intriguing phenomena that can be markedly different from the behaviour of a quiescent system. This work considers two different systems — a glassforming Yukawa system and a colloid-polymer mixture — by Molecular Dynamics (MD) computer simulations coupled to dissipative particle dynamics. The former consists of a 50-50 binary mixture of differently-sized, like-charged colloids interacting via a screened Coulomb (Yukawa) potential. Near the glass transition the influence of an external shear field is studied. In particular, the transition from elastic response to plastic flow is of interest. At first, this model is characterised in equilibrium. Upon decreasing temperature it exhibits the typical dynamics of glassforming liquids, i.e. the structural relaxation time τα grows strongly in a rather small temperature range. This is discussed with respect to the mode-coupling theory of the glass transition (MCT). For the simulation of bulk systems under shear, Lees-Edwards boundary conditions are applied. At constant shear rates γ˙ ≫ 1/τα the relevant time scale is given by 1/γ˙ and the system shows shear thinning behaviour. In order to understand the pronounced differences between a quiescent system and a system under shear, the response to a suddenly commencing or terminating shear flow is studied. After the switch-on of the shear field the shear stress shows an overshoot, marking the transition from elastic to plastic deformation, which is connected to a super-diffusive increase of the mean squared displacement. Since the average static structure only depends on the value of the shear stress, it does not discriminate between those two regimes. The distribution of local stresses, in contrast, becomes broader as soon as the system starts flowing. After a switch-off of the shear field, these additional fluctuations are responsible for the fast decay of stresses, which occurs on a time scale 1/γ˙ . The stress decay after a switch-off in the elastic regime, on the other hand, happens on the much larger time scale of structural relaxation τα. While stresses decrease to zero after a switch-off for temperatures above the glass transition, they decay to a finite value for lower temperatures. The obtained results are important for advancing new theoretical approaches in the framework of mode-coupling theory. Furthermore, they suggest new experimental investigations on colloidal systems. The colloid-polymer mixture is studied in the context of the behaviour near the critical point of phase separation. For the MD simulations a new effective model with soft interaction potentials is introduced and its phase diagram is presented. Here, mainly the equilibrium properties of this model are characterised. While the self-diffusion constants of colloids and polymers do not change strongly when the critical point is approached, critical slowing down of interdiffusion is observed. The order parameter fluctuations can be determined through the long-wavelength limit of static structure factors. For this strongly asymmetric mixture it is shown how the relevant structure factor can be extracted by a diagonalisation of a matrix that contains the partial static structure factors. By presenting first results of this model under shear it is demonstrated that it is suitable for non-equilibrium simulations as well.

Röntgenabsorptionsspektroskopie und magnetischer Röntgenzirkulardichroismus an dünnen Heusler-Filmen

Verbindungen aus nicht ferromagnetischen Bestandteilen, die ferromagnetische Eigenschaf-ten zeigen, sind seit Anfang des 20. Jahrhunderts bekannt und werden nach ihrem Entdecker als Heusler-Verbindungen bezeichnet. Seitdem haben sie nichts von ihrer Faszination eingebüßt, besitzen sie doch eine Fülle besonderer Eigenschaften mit Anwendungen z.B. in der Spintronik.rnAuf der Suche nach geeigneten Legierungen ist es wünschenswert, zunächst grundlegende Eigenschaften wie das magnetische Moment elementspezifisch bestimmen zu können. Hierfür sind Methoden wie Röntgenabsorptionsspektroskopie und magnetischer Röntgenzirkulardichroismus (XAS/XMCD) prädestiniert.rnIm Rahmen dieser Arbeit wurde eine Apparatur entwickelt, mit deren Hilfe XAS- und XMCD-Messungen an dünnen Heusler-Filmen durchgeführt werden können. Da Grenzflächeneigenschaften von besonderem Interesse sind, wurde der experimentelle Aufbau so gewählt, dass gleichzeitig Volumen und Oberflächeneigenschaften untersucht werden können. Durch Vergleich dieser Messdaten erhält man Zugang zu den Grenzflächeneigenschaften.rnSo konnte mit XAS-Messungen nachgewiesen werden, dass sich die chemischen Eigenschaften an der Grenzfläche mancher Filme von denen im Volumen des Films unterscheiden (Oxidation bzw. Interdiffusion der Abdeckschicht). Auch stöchiometrische Unterschiede zwischen Oberfläche und Volumen konnten so identifiziert werden.rnMit Hilfe von XMCD-Messungen wurden elementspezifische magnetische Momente bestimmt und mit theoretischen Vorhersagen verglichen. Auch hierbei konnten Oberflächen- und Volumenmomente miteinander verglichen werden. So wurde z.B. unter Verwendung einer Schichtserie die Anzahl magnetischer Totlagen an beiden Grenzflächen bestimmt. Diese Informationen sind wichtig, um die Qualität dünner Filme steigern zu können.rnDes Weiteren war es auch möglich, temperaturabhängige Änderungen in der Ni2MnGa Zustandsdichte, die von der Theorie vorhergesagt wurden, in den XAS-Spektren nachzuweisen. Schließlich wurde noch eine Methode entwickelt, die es erlaubt, unter bestimmten Voraussetzungen auf die partielle unbesetzte Zustandsdichte (PDOS) zu schließen. Dies liefert wichtige Hinweise auf Lage und Breite der bisher nur theoretisch vorhergesagten Bandlücke. Es ist mit der hier vorgestellten Methode nicht möglich, die gesamte PDOS für alle Elemente zu vermessen, doch können so relativ leicht vielversprechende Kandidaten für weitere Untersuchungen gefunden werden.rn

Au@Hg nanoalloy formation through direct amalgamation: Structural, spectroscopic, and computational evidence for slow nanoscale diffusion

Dynamic core-shell nanoparticles have received increasing attention in recent years. This paper presents a detailed study of Au-Hg nanoalloys, whose composing elements show a large difference in cohesive energy. A simple method to prepare Au@Hg particles with precise control over the composition up to 15 atom% mercury is introduced, based on reacting a citrate stabilized gold sol with elemental mercury. Transmission electron microscopy shows an increase of particle size with increasing mercury content and, together with X-ray powder diffraction, points towards the presence of a core-shell structure with a gold core surrounded by an Au-Hg solid solution layer. The amalgamation process is described by pseudo-zero-order reaction kinetics, which indicates slow dissolution of mercury in water as the rate determining step, followed by fast scavenging by nanoparticles in solution. Once adsorbed at the surface, slow diffusion of Hg into the particle lattice occurs, to a depth of ca. 3 nm, independent of Hg concentration. Discrete dipole approximation calculations relate the UV-vis spectra to the microscopic details of the nanoalloy structure. Segregation energies and metal distribution in the nanoalloys were modeled by density functional theory calculations. The results indicate slow metal interdiffusion at the nanoscale, which has important implications for synthetic methods aimed at core-shell particles.

Computational study of atomic mobility for bcc phase in Ti-Al-Fe system

Experimental diffusion data were critically assessed to develop the atomic mobility for the bcc phase of the Ti–Al–Fe system by using the DICTRA software. Good agreements were obtained from comprehensive comparisons made between the calculated and the experimental diffusion coefficients. The developed atomic mobility was then validated by well predicting the interdiffusion behavior observed from the diffusion-couple experiments in available literature.

TEM characterization of nanostructure and chemistry of semiconductor quantum structures

The power of advanced transmission electron microscopy in determining the nanostructures and chemistry of nanosized materials on the applications in semiconductor quantum structures was demonstrated.

Atomic composition profile change of SiGe islands during Si capping

The 6% Ge isocomposition profile change of individual SiGe islands during Si capping at 640 degrees C is investigated by atomic force microscopy combined with a selective etching procedure. The island shape transforms from a dome to a {103}-faceted pyramid at a Si capping thickness of 0.32 nm, followed by the decreasing of pyramid facet inclination with increasing Si capping layer thickness. The 6% Ge isocomposition profiles show that the island with more highly Si enriched at its one base corner before Si capping becomes to be more highly Si intermixed along pyramid base diagonals during Si capping. This Si enrichment evolution inside an island during Si capping can be attributed to the exchange of capped Si atoms that aggregated to the island by surface diffusion with Ge atoms from inside the island by both atomic surface segregation and interdiffusion rather than to the atomic interdiffusion at the interface between the island and the Si substrate. In addition, the observed Si enrichment along the island base diagonals is attempted to be explained on the basis of the elastic constant anisotropy of the Si and Ge materials in (001) plane. (c) 2006 American Institute of Physics.

Microstructural study of aluminide surface coatings on single crystal nickel base superalloy substrates

Aluminide diffusion coatings are frequently employed to enhance the oxidation resistance of nickel base superalloys. However, there is a concern that the presence of an aluminide coating could influence the properties of the coated superalloy, especially in respect of fatigue behaviour. To understand the nature of the effects of surface coatings on the fatigue properties of superalloys, an understanding of microstructural development within both the coating and the coating/substrate interfacial zone during high temperature fatigue testing is necessary. This paper is concerned with microstructural changes in aluminide diffusion coatings on single crystal γ′ strengthened superalloy substrates during the course of high temperature fatigue testing. The 'edge on' transmission electron microscopy technique is employed to study cross-sections of two stage (aluminization plus diffusion treatment) coated superalloy samples. The paper examines the degradation of the coating produced by phase transformations induced by loss of aluminum from the coating and/or aging of the coating. Aluminum removal both by interdiffusion with the substrate and by oxidation of the coating surface is considered. Microstructural development in the portion of the substrate influenced by interdiffusion with the coating is also discussed.

Decomposition of the B2-type matrix

The microstructural stability of aluminide diffusion coatings, prepared by means of a two-stage pack-aluminization treatment on single-crystal nickel-base superalloy substrates, is considered in this article. Edge-on specimens of coated superalloy are studied using transmission electron microscopy (TEM). The effects of coating thickness and post-coating heat treatment (duration, temperature, and atmosphere) on coating microstructure are examined. The article discusses the partial transformation of the matrix of the coating, from a B2-type phase (nominally NiAl) to a L12 phase (nominally Ni3(Al, Ti)), during exposure at temperatures of 850 °C and 950 °C in air and in vacuum for up to 138 hours. Three possible processes that can account for decom- position of the coating matrix are investigated, namely, interdiffusion between the coating and the substrate, oxidation of the coating surface, and aging of the coating. Of these processes, aging of the coating is shown to be the predominant factor in the coating transformation under the conditions considered. © 1992 The Minerals, Metals and Materials Society, and ASM International.

Microstructural development in aluminide diffusion coatings on nickel-base superalloy single crystals

An investigation has been made of the microstructural stability of aluminide diffusion coatings during post-coating thermal exposure. This study has employed edge-on transmission electron microscopy to examine high-activity pack aluminised single crystals of a gamma prime strengthened nickel-base superalloy. The influence of exposure temperature, duration and atmosphere as well as the initial coating thickness has been assessed. Two major processes have been found to contribute to microstructural changes in the coating. These are, firstly, the transformation of the coating matrix (β-phase, nominally NiAl) to other Ni-Al based phases, especially γ' (nominally Ni3(Al, Ti)) and, secondly, the precipitation of chromium containing phases. The work has enabled the roles of three processes contributing to γ formation, namely: oxidation of the coating surface, interdiffusion with the substrate and ageing of the coating, to be understood. In addition, the factors leading to the formation of a sequence of chromium-containing phases have been identified.

CO adsorption over Pd nanoparticles:a general framework for IR simulations on nanoparticles

CO vibrational spectra over catalytic nanoparticles under high coverages/pressures are discussed from a DFT perspective. Hybrid B3LYP and PBE DFT calculations of CO chemisorbed over Pd4 and Pd13 nanoclusters, and a 1.1 nm Pd38 nanoparticle, have been performed in order to simulate the corresponding coverage dependent infrared (IR) absorption spectra, and hence provide a quantitative foundation for the interpretation of experimental IR spectra of CO over Pd nanocatalysts. B3LYP simulated IR intensities are used to quantify site occupation numbers through comparison with experimental DRIFTS spectra, allowing an atomistic model of CO surface coverage to be created. DFT adsorption energetics for low CO coverage (θ → 0) suggest the CO binding strength follows the order hollow > bridge > linear, even for dispersion-corrected functionals for sub-nanometre Pd nanoclusters. For a Pd38 nanoparticle, hollow and bridge-bound are energetically similar (hollow ≈ bridge > atop). It is well known that this ordering has not been found at the high coverages used experimentally, wherein atop CO has a much higher population than observed over Pd(111), confirmed by our DRIFTS spectra for Pd nanoparticles supported on a KIT-6 silica, and hence site populations were calculated through a comparison of DFT and spectroscopic data. At high CO coverage (θ = 1), all three adsorbed CO species co-exist on Pd38, and their interdiffusion is thermally feasible at STP. Under such high surface coverages, DFT predicts that bridge-bound CO chains are thermodynamically stable and isoenergetic to an entirely hollow bound Pd/CO system. The Pd38 nanoparticle undergoes a linear (3.5%), isotropic expansion with increasing CO coverage, accompanied by 63 and 30 cm− 1 blue-shifts of hollow and linear bound CO respectively.

Fabrication et caractérisation de cellules solaires organiques nanostructurées par la méthode de nanoimpression thermique

La morphologie des couches actives des cellules solaires organiques joue un rôle important sur l’efficacité de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique de ces dispositifs. Les hétérojonctions planaires et les hétérojonctions en volume sont les plus communément utilisées. Cependant, la morphologie idéale pour l’efficacité se situerait à mis chemin entre celles-ci. Il s’agit de l’hétérojonction nanostructurée qui augmenterait la surface entre les couches actives de matériaux tout en favorisant le transport des porteurs de charge. L’objectif de ce projet de maîtrise est d’étudier l’impact de l’implantation de nanostructures dans les cellules solaires organiques sur leurs performances photovoltaïques. Pour ce faire, on utilise la méthode de nanoimpression thermique sur le matériau donneur, le P3HT, afin que celui-ci forme une interface nanostructurée avec le matériau accepteur, le PCBM. Pour effectuer les nanoimpressions, des moules en alumine nanoporeuse ont été fabriqués à l’aide du procédé d’anodisation en deux temps développé par Masuda et al. Ces moules ont subi un traitement afin de faciliter leur séparation du P3HT. Les agents antiadhésifs PDMS et FTDS ont été utilisés à cette fin. Les résultats obtenus témoignent de la complexité d’exécution du procédé de nanoimpression. Il a été démontré que la pression appliquée durant le procédé, la tension superficielle des éléments en contact et les dimensions des nanopores des moules sont des paramètres critiques pour le succès des nanoimpressions. Ceux-ci ont donc dû être optimisés de manière à réussir cette opération. Ainsi, des cellules à interface nanostructurée à 25% avec des nanobâtonnets de 35 nm de hauteur ont pu être fabriquées. Les cellules nanostructurées ont démontré une efficacité 2,3 ± 0,6 fois supérieure aux cellules sans nanostructures, dites planaires. D’autre part, un solvant a été proposé pour diminuer l’interdiffusion entre les couches de P3HT et de PCBM pouvant altérer les nanostructures. Ce phénomène bien connu survient lors du dépot de la couche de PCBM avec le dichlorométhane, un solvant orthogonal avec ces matériaux. Des mesures au TOF-SIMS ont démontré que le limonène permet de diminuer l’interdiffusion entre les couches de P3HT et de PCBM, ce qui en fait un meilleur solvant orthogonal que le dichlorométhane.