Interplay between double-exchange, superexchange, and Lifshitz localization in doped manganites

Considering the disorder caused in manganites by the substitution Mn→Fe or Ga, we accomplish a systematic study of doped manganites begun in previous papers. To this end, a disordered model is formulated and solved using the variational mean-field technique. The subtle interplay between double exchange, superexchange, and disorder causes similar effects on the dependence of T_(C) on the percentage of Mn substitution in the cases considered. Yet, in La_(2/3)Ca_(1/3)Mn_(1-y)Ga_(y)O_(3) our results suggest a quantum critical point (QCP) for y ≈ 0.1–0.2, associated to the localization of the electronic states of the conduction band. In the case of La_(x)Ca_(x)Mn_(1-y)Fe_(y)O_(3) (with x = 1/3,3/8) no such QCP is expected.

Giant piezoresistance in silicon-germanium alloys

We use first-principles electronic structure methods to show that the piezoresistive strain gauge factor of single-crystalline bulk n-type silicon-germanium alloys at carefully controlled composition can reach values of G = 500, three times larger than that of silicon, the most sensitive such material used in industry today. At cryogenic temperatures of 4 K we find gauge factors of G = 135 000, 13 times larger than that observed in Si whiskers. The improved piezoresistance is achieved by tuning the scattering of carriers between different (Delta and L) conduction band valleys by controlling the alloy composition and strain configuration.

Giant enhancement of n-type carrier mobility in highly strained germanium nanostructures

First-principles electronic structure methods are used to predict the rate of n-type carrier scattering due to phonons in highly-strained Ge. We show that strains achievable in nanoscale structures, where Ge becomes a direct bandgap semiconductor, cause the phonon-limited mobility to be enhanced by hundreds of times that of unstrained Ge, and over a thousand times that of Si. This makes highly tensile strained Ge a most promising material for the construction of channels in CMOS devices, as well as for Si-based photonic applications. Biaxial (001) strain achieves mobility enhancements of 100 to 1000 with strains over 2%. Low temperature mobility can be increased by even larger factors. Second order terms in the deformation potential of the Gamma valley are found to be important in this mobility enhancement. Although they are modified by shifts in the conduction band valleys, which are caused by carrier quantum confinement, these mobility enhancements persist in strained nanostructures down to sizes of 20 nm.

Loading effect in copper(II) oxide cluster-surface-modified titanium(IV) oxide on visible- and UV-light activities

Cu(acac)2 is chemisorbed on TiO2 particles [P-25 (anatase/rutile = 4/1 w/w), Degussa] via coordination by surface Ti–OH groups without elimination of the acac ligand. Post-heating of the Cu(acac)2-adsorbed TiO2 at 773 K yields molecular scale copper(II) oxide clusters on the surface (CuO/TiO2). The copper loading amount (Γ/Cu ions nm–2) is controlled in a wide range by the Cu(acac)2 concentration and the chemisorption–calcination cycle number. Valence band (VB) X-ray photoelectron and photoluminescence spectroscopy indicated that the VB maximum of TiO2 rises up with increasing Γ, while vacant midgap levels are generated. The surface modification gives rise to visible-light activity and concomitant significant increase in UV-light activity for the degradation of 2-naphthol and p-cresol. Prolonging irradiation time leads to the decomposition to CO2, which increases in proportion to irradiation time. The photocatalytic activity strongly depends on the loading, Γ, with an optimum value of Γ for the photocatalytic activity. Electrochemical measurements suggest that the surface CuO clusters promote the reduction of adsorbed O2. First principles density functional theory simulations clearly show that, at Γ < 1, unoccupied Cu 3d levels are generated in the midgap region, and at Γ > 1, the VB maximum rises and the unoccupied Cu 3d levels move to the conduction band minimum of TiO2. These results suggest that visible-light excitation of CuO/TiO2 causes the bulk-to-surface interfacial electron transfer at low coverage and the surface-to-bulk interfacial electron transfer at high coverage. We conclude that the surface CuO clusters enhance the separation of photogenerated charge carriers by the interfacial electron transfer and the subsequent reduction of adsorbed O2 to achieve the compatibility of high levels of visible and UV-light activities.

Développement et caractérisation de dérivés dipyrrométhène pour des applications dans le domaine du photovoltaïque

Ce projet de recherche mené en collaboration industrielle avec St-Jean Photochimie Inc. / PCAS Canada vise le développement et la caractérisation de dérivés dipyrrométhène pour des applications dans le domaine du photovoltaïque. La quête du récoltage des photons se situant dans le proche-infrarouge a été au centre des modifications structurales explorées afin d’augmenter l’efficacité de conversion des cellules solaires de type organique et à pigments photosensibles. Trois familles de composés intégrant le motif dipyrrométhène ont été synthétisées et caractérisées du point de vue spectroscopique, électrochimique, structural ainsi que par modélisation moléculaire afin d’établir des relations structures-propriétés. La première famille comporte six azadipyrrométhènes au potentiel de coordination tétradentate sur des centres métalliques. Le développement d’une nouvelle voie synthétique asymétrique combinée à l’utilisation d’une voie symétrique classique ont permis d’obtenir l’ensemble des combinaisons de substituants possibles sur les aryles proximaux incluant les noyaux 2-hydroxyphényle, 2-méthoxyphényle et 2- pyridyle. La modulation du maximum d’absorption dans le rouge a pu être faite entre 598 et 619 nm. De même, la présence de groupements méthoxyle ou hydroxyle augmente l’absorption dans le violet (~410 nm) tel que démontré par modélisation. La caractérisation électrochimique a montré que les dérivés tétradentates étaient en général moins stables aux processus redox que leur contre-parti bidentate. La deuxième famille comporte dix dérivés BODIPY fusionnés de façon asymétrique en position [b]. L’aryle proximal a été modifié de façon systématique afin de mieux comprendre l’impact des substituents riches en électron et de la fusion de cycles aromatiques. De plus, ces dérivés ont été mis en relation avec une vaste série de composés analogues. Les résultats empiriques ont montré que les propriétés optoélectroniques de la plateforme sont régies par le degré de communication électronique entre l’aryle proximal, le pyrrole sur lequel il est attaché et le noyau indolique adjacent à ce dernier. Les maximums d’absorption dans le rouge sont modulables entre 547 et 628 nm et la fluorescence des composés se situe dans le proche- infrarouge. L’un des composé s’est révélé souhaitable pour une utilisation en photovoltaïque ainsi qu’à titre de sonde à pH. La troisième famille comporte cinq complexes neutres de RuII basés sur des polypyridines et portant un ligand azadipyrrométhène cyclométalé. Les composés ont montré une forte absorption de photons dans la région de 600 à 800 nm (rouge à proche- infrarouge) et qui a pu être étendue au-delà de 1100 nm dans le cas des dérivés portant un ligand terpyridine. L’analyse des propriétés optoélectroniques de façon empirique et théorique a montré un impact significatif de la cyclométalation et ouvert la voie pour leur étude en tant que photosensibilisateurs en OPV et en DSSC. La capacité d’un des complexes à photo-injecter un électron dans la bande de conduction du semi-conducteur TiO2 a été démontré en collaboration avec le groupe du Pr Gerald J. Meyer à University of North Carolina at Chapel Hill, premier pas vers une utilisation dans les cellules solaires à pigments photosensibles. La stabilité des complexes en solution s’est toutefois avérée problématique et des pistes de solutions sont suggérées basées sur les connaissances acquises dans le cadre de cette thèse.

Développement et caractérisation de dérivés dipyrrométhène pour des applications dans le domaine du photovoltaïque

Ce projet de recherche mené en collaboration industrielle avec St-Jean Photochimie Inc. / PCAS Canada vise le développement et la caractérisation de dérivés dipyrrométhène pour des applications dans le domaine du photovoltaïque. La quête du récoltage des photons se situant dans le proche-infrarouge a été au centre des modifications structurales explorées afin d’augmenter l’efficacité de conversion des cellules solaires de type organique et à pigments photosensibles. Trois familles de composés intégrant le motif dipyrrométhène ont été synthétisées et caractérisées du point de vue spectroscopique, électrochimique, structural ainsi que par modélisation moléculaire afin d’établir des relations structures-propriétés. La première famille comporte six azadipyrrométhènes au potentiel de coordination tétradentate sur des centres métalliques. Le développement d’une nouvelle voie synthétique asymétrique combinée à l’utilisation d’une voie symétrique classique ont permis d’obtenir l’ensemble des combinaisons de substituants possibles sur les aryles proximaux incluant les noyaux 2-hydroxyphényle, 2-méthoxyphényle et 2- pyridyle. La modulation du maximum d’absorption dans le rouge a pu être faite entre 598 et 619 nm. De même, la présence de groupements méthoxyle ou hydroxyle augmente l’absorption dans le violet (~410 nm) tel que démontré par modélisation. La caractérisation électrochimique a montré que les dérivés tétradentates étaient en général moins stables aux processus redox que leur contre-parti bidentate. La deuxième famille comporte dix dérivés BODIPY fusionnés de façon asymétrique en position [b]. L’aryle proximal a été modifié de façon systématique afin de mieux comprendre l’impact des substituents riches en électron et de la fusion de cycles aromatiques. De plus, ces dérivés ont été mis en relation avec une vaste série de composés analogues. Les résultats empiriques ont montré que les propriétés optoélectroniques de la plateforme sont régies par le degré de communication électronique entre l’aryle proximal, le pyrrole sur lequel il est attaché et le noyau indolique adjacent à ce dernier. Les maximums d’absorption dans le rouge sont modulables entre 547 et 628 nm et la fluorescence des composés se situe dans le proche- infrarouge. L’un des composé s’est révélé souhaitable pour une utilisation en photovoltaïque ainsi qu’à titre de sonde à pH. La troisième famille comporte cinq complexes neutres de RuII basés sur des polypyridines et portant un ligand azadipyrrométhène cyclométalé. Les composés ont montré une forte absorption de photons dans la région de 600 à 800 nm (rouge à proche- infrarouge) et qui a pu être étendue au-delà de 1100 nm dans le cas des dérivés portant un ligand terpyridine. L’analyse des propriétés optoélectroniques de façon empirique et théorique a montré un impact significatif de la cyclométalation et ouvert la voie pour leur étude en tant que photosensibilisateurs en OPV et en DSSC. La capacité d’un des complexes à photo-injecter un électron dans la bande de conduction du semi-conducteur TiO2 a été démontré en collaboration avec le groupe du Pr Gerald J. Meyer à University of North Carolina at Chapel Hill, premier pas vers une utilisation dans les cellules solaires à pigments photosensibles. La stabilité des complexes en solution s’est toutefois avérée problématique et des pistes de solutions sont suggérées basées sur les connaissances acquises dans le cadre de cette thèse.

BODIPY-Porphyrazin-Hybride als panchromatische Lichtsammelsysteme für farbstoffsensibilisierte Solarzellen

In farbstoffsensibilisierten Solarzellen (DSSC) spielen Chromophore, die als Lichtsammel- und Energie-/Elektronentransfersysteme fungieren, eine zentrale Rolle. Phthalocyanine mit ihren intensiven Absorptionsbanden um 400 nm und 700 nm besitzen großes Potential für die effektive Sensibilisierung von Solarzellen. Trotz ihrer vielversprechenden physikochemischen Eigenschaften und intensiver Bemühungen erreichen Phthalocyanin-sensibilisierte Solarzellen nicht die Effizienzen, die bisher mit anderen Chromophorklassen erzielt werden konnten. In der vorliegenden Dissertation wurde die Entwicklung effizienter Lichtsammelsysteme für DSSC auf der Basis von Aza-substituierten Phthalocyaninen, sogenannten Pyrazinoporphyrazinen, verfolgt. Ein besonderer Fokus lag dabei auf einer Verbesserung der Absorptionseigenschaften der Chromophore im Bereich ihrer intrinsischen Absorptionslücke zwischen den Maxima um 400 nm und 700 nm. Um diese optische Lücke zu schließen wurden komplementär absorbierende BODIPY-Farbstoffe kovalent an synthetisch maßgeschneiderte Porphyrazine gebunden. Insgesamt wurden sechs neue Porphyrazin-Sensibilisatoren synthetisiert und photophysikalisch sowie elektrochemisch charakterisiert. Alle in dieser Arbeit untersuchten Porphyrazine tragen sterisch anspruchsvolle Tri(p-tolyl)propinyl-Gruppen um Agglomerationen zu vermeiden. Darüber hinaus wurden die Porphyrazine peripher entweder mit Hydroxy- oder Carboxygruppen als Bindungsstellen für oxidische Materialien ausgestattet sowie mit sechs BODIPY-Auxiliarfarbstoffen funktionalisiert, deren Substitutionsmuster variiert wurden. Zur Darstellung der komplexen Porphyrazine wurde eine Syntheseroute erarbeitet, die statistische Cyclisierungen unterschiedlicher Dinitril-Vorstufen beinhaltete und es ermöglichte, funktionelle Gruppen erst am vorgeformten Makrocyclus einzuführen. Die photophysikalische Untersuchung der hochfunktionalisierten Farbstoffe erfolgte über UV/Vis- und Fluoreszenzspektroskopie. Im Fall der BODIPY-Porphyrazin-Hybride schließt die zusätzliche Absorptionsbande der peripheren BODIPY-Einheiten die intrinsische Absorptionslücke der Porphyrazine. Die Hybride zeigen somit eine breite Absorption über den gesamten sichtbaren Spektralbereich mit hohen Extinktionskoeffizienten von ca. 4·10^5 M^−1cm^−1. Mittels Fluoreszenz- und Anregungsspektren wurde ein photoinduzierter Energie-transfer von den BODIPY-Einheiten auf den Porphyrazinkern nachgewiesen. Das elektrochemische Verhalten der BODIPY- und Porphyrazin-Verbindungen wurde mittels Cyclo- und Square-Wave-Voltammetrie untersucht. Die Effizienzen der Lichtenergieumwandlung wurden mit Hilfe von selbst-hergestellten und standardisierten farbstoffsensibilisierten Solarzellen bewertet. Alle Solarzellen zeigten eine messbare Photoaktivität unter Bestrahlung. Die Wirkungsgrade der Zellen lagen jedoch alle unter 1 %. Generell führten die Carboxyl-funktionalisierten Porphyrazine zu besseren Wirkungsgraden als die analogen, mit der tripodalen Ankergruppe ausgestatteten Derivate. Die mit Hilfe von Adsorptionsisothermen ermittelten Bindungskonstanten der Adsorption der Farbstoffe auf der TiO2-Oberfläche zeigten, dass beide Hafteinheiten eine feste Verankerung der Chromophore auf den TiO2-Elektroden ermöglichten. Insgesamt wirkte sich die Präsenz der peripheren BODIPY-Farbstoffe positiv auf die Wirkungsgrade der Solarzellen aus, jedoch nur in geringem Maß. Dieses Ergebnis wurde hauptsächlich auf die geringe Energiedifferenz zwischen der Leitungsbandkante des TiO2 und den LUMO-Energieniveaus der Chromophore zurückgeführt. Zusätzlich scheinen konkurrierende Prozesse wie die direkte Photoelektroneninjektion von den BODIPY-Einheiten in das TiO2 eine wichtige Rolle zu spielen. Neben der Anwendung in DSSC wurde die Wechselwirkung der Porphyrazine mit Graphen untersucht. Hierzu wurden A3B-Porphyrazine mit Pyrenyl-Seitenketten ausgestattet, die eine nicht-kovalente Verankerung des Chromophors auf Graphen ermöglichen. UV/Vis- und Fluoreszenzmessungen gaben u.a. erste Hinweise auf eine elektronische Kommunikation zwischen den beiden Hybridpartnern.

Nonlinear electrical conduction and broad band noise in the charge-ordered rare earth manganate Nd0.5Ca0.5MnO3

Measurements of the dc transport properties and the low-frequency conductivity noise in films of charge-ordered Nd0.5Ca0.5MnO3 grown on Si substrate reveal the existence of a threshold field in the charge-ordered regime beyond which strong nonlinear conduction sets in along with a large broad band conductivity noise. Threshold-dependent conduction disappears as T --> T-CO, the charge-ordering temperature. This observation suggests that the charge-ordered state gets depinned at the onset of the nonlinear conduction. (C) 1999 American Institute of Physics. [S0003-6951(99)05247-X].

Temperature dependence of spin lifetime of conduction electrons in bulk germanium

Optically generated spin polarized electrons in bulk n-type Ge samples have been detected by using a radio-frequency modulation technique. Using the Hanle effect in an external magnetic field, the spin lifetime was measured as a function of temperature in the range 90 K to 180 K. The lifetime decreases with increasing temperature from similar to 5 ns at 100 K to similar to 2 ns at 180 K. We show that the temperature dependence is consistent with the Elliott-Yafet spin relaxation mechanism R. J. Elliot, Phys. Rev. 96, 266 (1954)]. (C) 2012 American Institute of Physics. http://dx.doi.org/10.1063/1.4772500]

Electrical conduction and optical properties of doped silicon-on-insulator photonic crystals

We investigate the electrical properties of silicon-on-insulator (SOI) photonic crystals as a function of both doping level and air filling factor. The resistance trends can be clearly explained by the presence of a depletion region around the sidewalls of the holes that is caused by band pinning at the surface. To understand the trade-off between the carrier transport and the optical losses due to free electrons in the doped SOI, we also measured the resonant modes of L3 photonic crystal nanocavities and found that surprisingly high doping levels, up to 1018 / cm3, are acceptable for practical devices with Q factors as high as 4× 104. © 2011 American Institute of Physics.

Effect of Ka-band microwave on the spin dynamics of electrons in a GaAs/Al0.35Ga0.65As heterostructure

We report experimental results of the effect of Ka-band microwave on the spin dynamics of electrons in a two-dimensional electron system (2DES) in a GaAs/Al0.35Ga0.65As heterostructure via time-resolved Kerr rotation measurements. While the microwave reduces the transverse spin lifetime of electrons in the bulk GaAs, it significantly increases that in the 2DES, from 745 to 1213 ps, when its frequency is close to the Zeeman splitting of the electrons in the magnetic field. Such a microwave-enhanced spin lifetime is ascribed to the microwave-induced electron scattering which leads to a "motional narrowing" of spins via D'yakonov-Perel' mechanism.

DISTRIBUTION FUNCTION OF A DRIFTING ELECTRON-GAS FOR GENERAL ENERGY-BAND STRUCTURES

The usual application of the Lei-Ting balance equation method for treating electron transport problems makes use of a Fermi distribution function for the electron motion relative to the center of mass. It is pointed out that this presumes the existence of a moving frame of reference that is dynamically equivalent to the rest frame of reference, and this is only true for electrons with a constant effective mass. The method is thus inapplicable to problems where electrons governed by a general energy-band dispersion E(k) are important (such as in miniband conduction). It is demonstrated that this difficulty can be overcome by introducing a distribution function for a drifting electron gas by maximizing the entropy subject to a prescribed average drift velocity. The distribution function reduces directly to the usual Fermi distribution for electron motion relative to the center of mass in the special case of E(k)=($) over bar h(2)\k\(2)/2m*. This maximum entropy treatment of a drifting electron gas provides a physically more direct as well as a more general basis for the application of the balance equation method.

Fast hole surface conduction observed for indoline sensitizer dyes immobilized at fluorine-doped tin oxide - TiO2 surfaces

The indoline dyes D102, D131, D149, and D205 have been characterized when adsorved on fluorine-doped tin oxide (FTO) and TiO2 electrode surfaces. Adsorption from 50:50 acetonitrile - tert-butanol onto flourine-doped tin oxide (FTO) allows approximate Langmuirian binding constants of 6.5 x 10(4), 2.01 x 10(3), 2.0 x 10(4), and 1.5 x 10(4) mol-1 dm3, respectively, to be determined. Voltammetric data obtained in acetonitrile/0.1 M NBu4PF6 indicate reversible on-electron oxidation at Emid = 0.94, 0.91, 0.88, and 0.88 V vs Ag/AgCI(3 M KCI), respectively, with dye aggregation (at high coverage) causing additional peak features at more positive potentials. Slow chemical degradation processes and electron transfer catalysis for iodine oxidation were observed for all four oxidezed indolinium cations. When adsorbed onto TiO2 nanoparticle films (ca. 9nm particle diameter and ca.3/um thickness of FTO0, reversible voltammetric responses with Emid = 1.08, 1.156, 0.92 and 0.95 V vs Ag/AgCI(3 M KCI), respectively, suggest exceptionally fast hole hopping diffusion (with Dapp > 5 x 10(-9) m2 s-1) for adsorbed layers of four indoline dyes, presumably due to pie-pie stacking in surface aggregates. Slow dye degradation is shown to affect charge transport via electron hopping. Spectrelectrochemical data for the adsorbed indoline dyes on FTO-TiO2 revealed a red-shift of absorption peaks after oxidation and the presence of a strong charge transfer band in the near-IR region. The implications of the indoline dye reactivity and fast hole mobility for solar cell devices are discussed.

Selective reductions using visible light photocatalysts of supported gold nanoparticles

Photocatalytic synthesis using visible light is a desirable chemical process because of its potential to utilize sunlight. Supported gold nanoparticles (Au-NPs) were found to be efficient photocatalysts and the effects of the supports were identified including CeO2, TiO2, ZrO2, Al2O3, and zeolite Y. In particular Au/CeO2 exhibited the high catalytic activity to reduce nitroaromatics to azo compounds, hydrogenate azobenzene to hydroazobenzene, reduce ketones to alcohols, and deoxygenate epoxides to alkenes at ambient temperatures, under irradiation of visible light (or simulated sunlight). The reac-tive efficiency depends on two primary factors: one is the light adsorption of catalysts and another is the driving ability of catalysts corresponding to the reactants. The light absorption by Au-NPs is due to surface plasmon resonance effect or inter-band electron transition; this is related to the reduction ability of the photocatalysts. Irradiation with shorter wavelengths can excite the conduction electrons in Au-NPs to higher energy levels and as a result, induce reduction with more negative reduction potentials. It is known when irradiated with light the Au-NPs can abstract hydrogen from isopropanol forming Au-H species on the Au-NP surface. Hence, we proposed that the active Au-H species will react with the N=O, N=N, C=O double bonds or epoxide bonds, which are weakened by the interaction with the excited electrons in the Au-NPs, and yield the final reductive products. The reacting power of the Au-H species depends on the energy of the excited electrons in Au-NPs: the higher the electronic energy, the stronger the reduction ability of the Au-H species. This finding demonstrates that we can tune the reduction ability of the photocatalysts by manipulating the irradiation wavelength.

Photocatalysis on supported gold and silver nanoparticles under ultraviolet and visible light irradiation

Studies of the optical properties and catalytic capabilities of noble metal nanoparticles (NPs), such as gold (Au) and silver (Ag), have formed the basis for the very recent fast expansion of the field of green photocatalysis: photocatalysis utilizing visible and ultraviolet light, a major part of the solar spectrum. The reason for this growth is the recognition that the localised surface plasmon resonance (LSPR) effect of Au NPs and Ag NPs can couple the light flux to the conduction electrons of metal NPs, and the excited electrons and enhanced electric fields in close proximity to the NPs can contribute to converting the solar energy to chemical energy by photon-driven photocatalytic reactions. Previously the LSPR effect of noble metal NPs was utilized almost exclusively to improve the performance of semiconductor photocatalysts (for example, TiO2 and Ag halides), but recently, a conceptual breakthrough was made: studies on light driven reactions catalysed by NPs of Au or Ag on photocatalytically inactive supports (insulating solids with a very wide band gap) have demonstrated that these materials are a class of efficient photocatalysts working by mechanisms distinct from those of semiconducting photocatalysts. There are several reasons for the significant photocatalytic activity of Au and Ag NPs. (1) The conduction electrons of the particles gain the irradiation energy, resulting in high energy electrons at the NP surface which is desirable for activating molecules on the particles for chemical reactions. (2) In such a photocatalysis system, both light harvesting and the catalysing reaction take place on the nanoparticle, and so charge transfer between the NPs and support is not a prerequisite. (3) The density of the conduction electrons at the NP surface is much higher than that at the surface of any semiconductor, and these electrons can drive the reactions on the catalysts. (4) The metal NPs have much better affinity than semiconductors to many reactants, especially organic molecules. Recent progress in photocatalysis using Au and Ag NPs on insulator supports is reviewed. We focus on the mechanism differences between insulator and semiconductor-supported Au and Ag NPs when applied in photocatalytic processes, and the influence of important factors, light intensity and wavelength, in particular estimations of light irradiation contribution, by calculating the apparent activation energies of photo reactions and thermal reactions.