The role of Na surface species on oxygen charge transfer in the Pt/YSZ system

The role of sodium surface species in the modification of a platinum (Pt) catalyst film supported on 8 mol% yttria-stabilised-zirconia (YSZ) was investigated under a flow of 20 kPa oxygen at 400 °C. Cyclic and linear sweep voltammetry were used to investigate the kinetics of the oxygen charge transfer reaction. The Pt/YSZ systems of both ‘clean’ and variable-coverage sodium-modified catalyst surfaces were also characterised using SEM, XPS and work function measurements using the Kelvin probe technique.

Samples with sodium coverage from 0.5 to 100% were used. It was found that sodium addition modifies the binding energy of oxygen onto the catalyst surface. Cyclic voltammetry experiments showed that higher overpotentials were required for oxygen reduction with increasing sodium coverage. In addition, sodium was found to modify oxygen storage and/or adsorption and diffusion increasing current densities at higher cathodic overpotential. Ex situ XPS measurements showed the presence of sodium hydroxide, carbonate and/or oxide species on the catalyst surface, while the Kelvin probe technique showed a decrease of approximately 250 meV in the work function of samples with more than 50% sodium coverage (compared to a nominally ‘clean’ sample).

Increasing recoverable energy storage in electroceramic capacitors using “dead-layer” engineering

The manner in which ultrathin films of alumina, deposited at the dielectric-electrode interface, affect the recoverable energy density associated with (BiFeO3)0.6–(SrTiO3)0.4 (BFST) thin film capacitors has been characterised. Approximately 6 nm of alumina on 400 nm of BFST increases the maximum recoverable energy of the system by around 30% from 13 Jcc1 to 17 Jcc1.
Essentially, the alumina acts in the same way as a naturally present parasitic “dead-layer,” distorting the polarisation-field response such that the ultimate polarisation associated with the BFST is pushed to higher values of electric field. The work acts as a proof-of-principle to illustrate how the design of artificial interfacial dielectric “dead-layers” can increase energy densities in simple dielectric capacitors, allowing them to compete more generally with other energy storage technologies.

Selectable linear or quadratic coupling in an optomechanical system

There has been much interest recently in the analysis of optomechanical systems incorporating dielectric nano- or microspheres inside a cavity field. We analyse here the situation when one of the mirrors of the cavity itself is also allowed to move. We reveal that the interplay between the two oscillators yields a cross-coupling that results in, e.g., appreciable cooling and squeezing of the motion of the sphere, despite its nominal quadratic coupling. We also discuss a simple modification that would allow this cross-coupling to be removed at will, thereby yielding a purely quadratic coupling for the sphere.

Numerical study of film cooling scheme on a blunt-nosed body in hypersonic flow

In hypersonic flights, the prediction of aerodynamic heating and the construction of a proper thermal protection system (TPS) are significantly important. In this study, the method of a film cooling technique, which is already the state of the art in cooling gas turbine engine, is proposed for a fully reusable and active TPS. Effectiveness of the film cooling scheme to reduce convective heating rates for a blunt nosed spacecraft flying at Mach number 6.56 and 40 degree angle of attack is investigated numerically. The inflow boundary conditions used the standard values at an altitude of 30 km. Computational domain consists of infinite rows of film cooling holes on the bottom of a blunt-nosed slab. Laminar and several turbulent calculations have been performed and compared each other. The influence of blowing ratios on the film cooling effectiveness is investigated. The results exhibit that the film cooling technique could be an effective method for an active cooling of blunt-nosed bodies in hypersonic flows.

Near-Field Plasmonics of an Individual Dielectric Nanoparticle above a Metallic Substrate

We simulate and discuss the local electric-field enhancement in a system of a dielectric nanoparticle placed very near to a metallic substrate. We use finite-element numerical simulations in order to understand the field-enhancement mechanism in this dielectric NP-on-mirror system. Under appropriate excitation conditions, the gap between the particle and the substrate becomes a "hot spot", i.e., a region of intense electromagnetic field. We also show how the optical properties of the dielectric NP placed on a metallic substrate affect the plasmonic field enhancement in the nanogap and characterize the confinement in the gap. Our study helps to understand and design systems with dielectric NPs on metallic substrates which can be equally as effective for SERS, fluorescence, and nonlinear phenomena as conventional all plasmonic structures.

Two-dimensional images of dissolved sulfide and metals in anoxic sediments by a novel diffusive gradients in thin film probe and optical scanning techniques

A novel diffusive gradients in thin film probe developed comprises diffusive gel layer of silver iodide (AgI) and a back-up Microchelex resin gel layer. 2D high-resolution images of sulfide and trace metals were determined respectively on the AgI gel by densitometric analysis and on the Microchelex resin layer with laser-ablation-inductively-coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS).We investigated the validity of the analytical procedures used for the determination of sulfide and trace metals. We found low relative standard deviations on replicate measurements, linear trace-metal calibration curves between the LA-ICP-MS signal and the true trace-metal concentration in the resin gel, and a good agreement of the sulfide results obtained with the AgI resin gel and with other analytical methods. The method was applied on anoxic sediment pore waters in an estuarine and marine system. Simultaneous remobilization of sulfide and trace metals was observed in the marine sediment.

Temperature dependence of the mid-infrared dielectric function of YBCO in the ab plane

We have excited mid-infrared surface plasmons in two YBCO thin films of contrasting properties using attenuated total reflection of light and found that the imaginary part of the dielectric function decreases linearly with reduction in temperature. This result is in contrast with the commonly reported conclusion of infrared normal reflectance studies. If sustained it may clarify the problem of understanding the normal state properties of YBCO and the other cuprates. The dielectric function of the films, epsilon = epsilon(1) + i epsilon(2), was determined between room temperature and 80K: epsilon(1) was found to be only slightly temperature dependent but somewhat sample dependent, probably as a result of surface and grain boundary contamination. The imaginary part, epsilon(2), (and the real part of the conductivity, sigma(1),) decreased linearly with reduction in temperature in both films. Results obtained were: for film 1: epsilon(1) = - 14.05 - 0.0024T and epsilon(2) - 4.11 + 0.086T and for film 2: epsilon(1) = - 24.09 + 0.0013T and epsilon(2) = 7.66 + 0.067T where T is the temperature in Kelvin. An understanding of the results is offered in terms of temperature-dependent intrinsic intragrain inelastic scattering and temperature-independent contributions: elastic and inelastic grain boundary scattering and optical interband (or localised charge) absorption. The relative contribution of each is estimated. A key conclusion is that the interband (or localised charge) absorption is only similar to 10%. Most importantly, the intrinsic scattering rate, 1/tau, decreases linearly with fall in temperature, T, in a regime where current theory predicts dependence on frequency, omega, to dominate. The coupling constant, lambda, between the charge carriers and the thermal excitations has a value of 1.7, some fivefold greater than the far infrared value. These results imply a need to restate the phenomenology of the normal state of high temperature superconductors and seek a corresponding theoretical understanding.

DC resistance and dielectric function at 3392 nm of YBCO films from 300 K to 80 K

The dielectric function of a YBCO film was determined at 3392nm at temperatures down to 80K. Results obtained were epsilon(i) = -24.09 - 0.0013T and epsilon(i) = 7.66 + 0.067T. The results for epsilon(i) are compared with the de resistance of the film. Intrinsic intragrain scattering, elastic and inelastic grain boundary scattering and optical interband absorption are estimated as 82%, 5%, 13% and 10% respecively at 0K.

Development of a doped titania immobilised thin film multi tubular photoreactor

This paper describes a novel doped titania immobilised thin film multi tubular photoreactor which has been developed for use with liquid, vapour or gas phase media. In designing photocatalytic reactors measuring active surface area of photocatalyst within the unit is one of the critical design parameters. This dictate greatly limits the applicability of any semi-conductor photocatalyst in industrial applications, as a large surface area equates to a powder catalyst. This demonstration of a thin film coating, doped with a rare earth element, novel photoreactor design produces a photocatalytic degradation of a model pollutant (methyl orange) which displayed a comparable degradation achieved with P25 TiO2. The use of lanthanide doping is reported here in the titania sol gel as it is thought to increase the electron hole separation therefore widening the potential useful wavelengths within the electromagnetic spectrum. Increasing doping from 0.5% to 1.0% increased photocatalytic degradation by ∼17% under visible irradiation. A linear relationship has been seen between increasing reactor volume and degradation which would not normally be observed in a typical suspended reactor system. © 2012 Elsevier B.V.

Morphology dependence of the dielectric properties of epitaxial BaTiO3 films and epitaxial BaTiO3/SrTiO3 multilayers

Epitaxial BaTiO3 films and epitaxial BaTiO3/SrTiO3 multilayers were grown by pulsed laser deposition on vicinal surfaces of (001)-oriented Nb-doped SrTiO3 (SrTiO3:Nb) single-crystal substrates. Atomic force microscopy was used to investigate the surface topography of the deposited films. The morphology of the films, of the BaTiO3/SrTiO3 interfaces, and of the column boundaries was investigated by cross-sectional high-resolution transmission electron microscopy. Measurements of the dielectric properties were performed by comparing BaTiO3 films and BaTiO3/SrTiO3 multilayers of different numbers of individual layers, but equal overall thickness. The dielectric loss saturates for a thickness above 300 nm and linearly decreases with decreasing film thickness below a thickness of 75 nm. At the same thickness of 75 nm, the thickness dependence of the dielectric constant also exhibits a change in the linear slope both for BaTiO3 films and BaTiO3/SrTiO3 multilayers. This behaviour is explained by the change observed in the grain morphology at a thickness of 75 nm. For the thickness dependence of the dielectric constant, two phenomenological models are considered, viz. a 'series-capacitor' model and a 'dead-layer' model.

Microstructure and dielectric properties of epitaxial BaTiO3 films and BaTiO3/SrTiO3 multilayers

Epitaxial BaTiO3 films and BaTiO3/SrTiO3 multilayers were grown by pulsed laser deposition (PLD) on (001)-oriented Nb-doped SrTiO3 (SrTiO3:Nb) substrates. Measurements of the dielectric properties were performed comparing BaTiO3 films and BaTiO3/SrTiO3 multilayers of different number of individual layers, but equal overall thickness. The dielectric loss saturates for a thickness above 300 nm, and linearly decreases with decreasing film thickness below a thickness of 75 nm, and it is independent on the number of multilayers, pointing to some interface effect. The thickness dependence of the dielectric constant of BaTiO3 films and BaTiO3/SrTiO3 multilayers; exhibits a change in the linear slope at a thickness of 75 nm. This behavior is explained by the change observed in the morphology at a thickness of 75 nm. In order to explain the thickness dependence of the dielectric constant, two approaches are considered in this paper, viz. a "series capacitor" model and a "dead layer" model.

Influence of impurities and catalyst surface characteristics on the oxygen charge transfer reaction in the Pt/YSZ system

Spillover processes (i.e. the migration of ionic species from the support to the catalyst and vice versa) are known to play a very important role in catalysis and electrocatalysis. These spillover processes can be influenced by impurities (pre-existing on the catalyst surface) and by the catalyst morphology that may differ as a result of the differences in catalyst manufacturing processes. This work investigates the influence of impurities present in three commercial platinum (Pt) precursors. The resulting platinum films studied here were supported on yttria-stabilised-zirconia (YSZ). It was found that the three different catalyst films contained a range of impurities (determined by ICP-OES) that appear to affect the oxygen charge transfer reaction as studied by cyclic voltammetry (CV). © 2012 Elsevier B.V.

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.

Automated P.falciparum detection system for post-treatment malaria diagnosis using modified annular ring ratio method

The gametocytes of the malaria parasite Plasmodium falciparum are highly resistant to antimalarial drugs. Its presence in the blood can be detected even after a successful malaria treatment. This paper explains a modified Annular Ring Ratio method which successfully locates and differentiates gametocytes of P. falciparum species in thin blood film images. The method can be used as an efficient tool for gametocyte detection for post-treatment malaria diagnosis. It also identifies the presence of any White Blood Cells (WBCs) in the image, and discards other artifacts and non infected cells. It utilizes the information based on structure, color and geometry of the cells and does not require any segmentation or non-illumination correction techniques that are commonly used for cell detection.

Nanotech thin film photovoltaics

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Electrónica e Telecomunicações