Mikroliuskarakenteisen T-resonaattorin käyttö piirilevyn eristeominaisuuksien määrityksessä

Tässä diplomityössä tutkittiin ja kehitettiin edelleen mikroliuskarakenteisen T-resonaattorin käyttöä laajakaistaisessa piirilevylaminaattien dielektrisyysvakion ja häviökertoimen määrityksessä. Työssä perehdyttiin eristeominaisuuksien määrityksessä tarvittaviin laskentamenetelmiin sekä T-resonaattorin toimintaan. T-resonaattorin suunnittelu ja käyttöä varten valitut laskentamenetelmät on esitelty. Työssä suunniteltiin ja valmistettiin mikroliuskarakenteinen T-resonaattorimittausrakenne, jolla määritettiin erään FR-4 -tyyppisen piirilevylaminaattimateriaalin dielektrisyysvakio sekä häviökerroin mittausten ja laskennan avulla taajuuskaistalla 0,5 - 10 GHz. Tuloksia verrattiin muilla käytössä olevilla menetelmillä määritettyihin tuloksiin. Tulosten perusteella voitiin osoittaa, että mikroliuskarakenteinen T-resonaattori soveltuu hyvin piirilevylaminaattien eristeominaisuuksien määritykseen, ja käytetyt laskenta-menetelmät antavat realistisia tuloksia.

Mikroaaltoresonaattorin mittauselektroniikan kehittäminen

Tässä diplomityössä on kehitetty kapeakaistaisten mikroaaltoresonaattoreiden mittaukseen soveltuvaa elektroniikkaa 400 MHz taajuusalueelle. Työn teoriaosuudessa on tutustuttu RF- ja mikroaaltotaajuuksilla käytettävien resonaattoreiden ominaisuuksiin sekä tarkasteltu erilaisia mahdollisia mittauselektroniikkatoteutuksia. Tarkastelujen perusteella on valittu toteutettavan mittauselektroniikan periaate. Toteutettu mittauselektroniikka hyödyntää suoraa digitaalista taajuussynteesiä hyvän taajuusresoluution saavuttamiseksi. Mittauselektroniikkaa on kehitetty prototyyppien avulla. Työssä on myös vertailtu resonaattoreiden mittaustuloksia käytettäessä kehitettyä mittauselektroniikkaa ja piirianalysaattoria. Kehitetyllä mittauselektroniikalla saadut tulokset vastaavat hyvin piirianalysaattorimittauksen tuloksia.

L'any científic

Resum de l"any científic.

Nanoestruturas de carbono (nanotubos, grafeno): Quo Vadis?

We describe general considerations about the present and the future standing of carbon nanostructures, mainly carbon nanotubes and graphene. Basic concepts and definitions, select structure/property relationships, and potential applications are reviewed. The analysis of the global market for these nanostructures, the commercial products available currently, the role of the chemistry, the main challenges remaining and a brief view of the field in Brazil are also presented and discussed.

Efeito da variação de parâmetros reacionais na preparação de grafeno via oxidação e redução do grafite

This work shows the influence of several reactional parameters for obtaining graphene through successive steps of oxidation and exfoliation of bulk graphite (resulting in graphene oxide), followed by chemical reduction. The results showed that changes in temperature, reaction time, reducing agent and source of primary graphite lead to different surface compositions and stability in dispersion of graphene oxide. Also, the use of different reducing agents promoted different degrees of restoration of C=C bonds in the bidimensional structure of graphene.

Microwave Processes in Ferrite-ferroelectric Layered Structure

This work is devoted to investigation of wave processes in new hybrid ferrite/ferroelectric structures. Spin wave devices based on ferrite films have disadvanteges. And their applications are limited. Investigated structures allow to overcome disadvantages. This investigation helps to create new class of devices. Electromagnetic analysis of hybrid spin-electromagnetic waves in ferrite/ferroelectric structures were done. As a result dispersion relation was found. Numerical solution of this dispersion relation gave us follow results. These structures can be effectively tuned by external electric and magnetic field. Methods to increase tuning range were suggested. It was found that such structures have one basic disadvantage which is connected with presence of thick ferroelectric layer. To solve this problem is to use thin ferroelectric films. But this decreases tuning range. It was confirmed by experiment that this structures can be effectively tuned by electric and magnetic fields. Resonance characteristics of ferrite/ferroelectric resonator were succesfully tuned by magnetic and electric field.

Dispersion of Hybrid Electromagnetic-Spin Waves in the Slotline

The presented thesis is devoted to investigation of wave processes in hybrid ferrite / ferroelectric structures. Spin wave devices based on ferrite films have such disadvantages, as huge size of the magnetic systems, low tuning velocity, considerable power inputs for parameters control that limits possible device applications. The considered layered structures allow to overcome the disadvantages mentioned and to promote the development of novel class of tunable microwave devices. The proposed theoretical analysis is intended to construct a model of hybrid electromagnetic-spin waves. Based on the theoretical analysis the experimental investigations were carried out. The experimental resonance characteristics of ferrite / ferroelectric resonator were obtained and their tunability by means of magnetic and electric field was demonstrated.

Synthesis, characterization and chemical sensor application of conducting polymers

Polymeric materials that conduct electricity are highly interesting for fundamental studies and beneficial for modern applications in e.g. solar cells, organic field effect transistors (OFETs) as well as in chemical and bio‐sensing. Therefore, it is important to characterize this class of materials with a wide variety of methods. This work summarizes the use of electrochemistry also in combination with spectroscopic methods in synthesis and characterization of electrically conducting polymers and other π‐conjugated systems. The materials studied in this work are intended for organic electronic devices and chemical sensors. Additionally, an important part of the presented work, concerns rational approaches to the development of water‐based inks containing conducting particles. Electrochemical synthesis and electroactivity of conducting polymers can be greatly enhanced in room temperature ionic liquids (RTILs) in comparison to conventional electrolytes. Therefore, poly(para‐phyenylene) (PPP) was electrochemically synthesized in the two representative RTILs: bmimPF6 and bmiTf2N (imidazolium and pyrrolidinium‐based salts, respectively). It was found that the electrochemical synthesis of PPP was significantly enhanced in bmimPF6. Additionally, the results from doping studies of PPP films indicate improved electroactivity in bmimPF6 during oxidation (p‐doping) and in bmiTf2N in the case of reduction (n‐doping). These findings were supported by in situ infrared spectroscopy studies. Conducting poly(benzimidazobenzophenanthroline) (BBL) is a material which can provide relatively high field‐effect mobility of charge carriers in OFET devices. The main disadvantage of this n‐type semiconductor is its limited processability. Therefore in this work BBL was functionalized with poly(ethylene oxide) PEO, varying the length of side chains enabling water dispersions of the studied polymer. It was found that functionalization did not distract the electrochemical activity of the BBL backbone while the processability was improved significantly in comparison to conventional BBL. Another objective was to study highly processable poly(3,4‐ethylenedioxythiophene) poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) water‐based inks for controlled patterning scaled‐down to nearly a nanodomain with the intention to fabricate various chemical sensors. Developed PEDOT:PSS inks greatly improved printing of nanoarrays and with further modification with quaternary ammonium cations enabled fabrication of PEDOT:PSS‐based chemical sensors for lead (II) ions with enhanced adhesion and stability in aqueous environments. This opens new possibilities for development of PEDOT:PSS films that can be used in bio‐related applications. Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are a broad group of π‐conjugated materials consisting of aromatic rings in the range from naphthalene to even hundred rings in one molecule. The research on this type of materials is intriguing, due to their interesting optical properties and resemblance of graphene. The objective was to use electrochemical synthesis to yield relatively large PAHs and fabricate electroactive films that could be used as template material in chemical sensors. Spectroscopic, electrochemical and electrical investigations evidence formation of highly stable films with fast redox response, consisting of molecules with 40 to 60 carbon atoms. Additionally, this approach in synthesis, starting from relatively small PAH molecules was successfully used in chemical sensor for lead (II).

Weld joint characteristics by nano-materials addition

The need for industries to remain competitive in the welding business, has created necessity to develop innovative processes that can exceed customer’s demand. Significant development in improving weld efficiency, during the past decades, still have their drawbacks, specifically in the weld strength properties. The recent innovative technologies have created smallest possible solid material known as nanomaterial and their introduction in welding production has improved the weld strength properties and to overcome unstable microstructures in the weld. This study utilizes a qualitative research method, to elaborate the methods of introducing nanomaterial to the weldments and the characteristic of the welds produced by different welding processes. The study mainly focuses on changes in the microstructural formation and strength properties on the welded joint and also discusses those factors influencing such improvements, due to the addition of nanomaterials. The effect of nanomaterial addition in welding process modifies the physics of joining region, thereby, resulting in significant improvement in the strength properties, with stable microstructure in the weld. The addition of nanomaterials in the welding processes are, through coating on base metal, addition in filler metal and utilizing nanostructured base metal. However, due to its insignificant size, the addition of nanomaterials directly to the weld, would poses complications. The factors having major influence on the joint integrity are dispersion of nanomaterials, characteristics of the nanomaterials, quantity of nanomaterials and selection of nanomaterials. The addition of nanomaterials does not affect the fundamental properties and characteristics of base metals and the filler metal. However, in some cases, the addition of nanomaterials lead to the deterioration of the joint properties by unstable microstructural formations. Still research are ongoing to achieve high joint integrity, in various materials through different welding processes and also on other factors that influence the joint strength.

Viologen based electroactive polymers and composites for durable electrochromic systems

Electrochromism, the phenomenon of reversible color change induced by a small electric charge, forms the basis for operation of several devices including mirrors, displays and smart windows. Although, the history of electrochromism dates back to the 19th century, only the last quarter of the 20th century has its considerable scientific and technological impact. The commercial applications of electrochromics (ECs) are rather limited, besides top selling EC anti-glare mirrors by Gentex Corporation and airplane windows by Boeing, which made a huge commercial success and exposed the potential of EC materials for future glass industry. It is evident from their patents that viologens (salts of 4,4ʹ-bipyridilium) were the major active EC component for most of these marketed devices, signifying the motivation of this thesis focusing on EC viologens. Among the family of electrochromes, viologens have been utilized in electrochromic devices (ECDs) for a while, due to its intensely colored radical cation formation induced by applying a small cathodic potential. Viologens can be synthesized as oligomer or in the polymeric form or as functionality to conjugated polymers. In this thesis, polyviologens (PVs) were synthesized starting from cyanopyridinium (CNP) based monomer precursors. Reductive coupling of cross-connected cyano groups yields viologen and polyviologen under successive electropolymerization using for example the cyclic voltammetry (CV) technique. For further development, a polyviologen-graphene composite system was fabricated, focusing at the stability of the PV electrochrome without sacrificing its excellent EC properties. High electrical conductivity, high surface area offered by graphene sheets together with its non-covalent interactions and synergism with PV significantly improved the electrochrome durability in the composite matrix. The work thereby continued in developing a CNP functionalized thiophene derivative and its copolymer for possible utilization of viologen in the copolymer blend. Furthermore, the viologen functionalized thiophene derivative was synthesized and electropolymerized in order to explore enhancement in the EC contrast and overall EC performance. The findings suggest that such electroactive viologen/polyviologen systems and their nanostructured composite films as well as viologen functionalized conjugated polymers, can be potentially applied as an active EC material in future ECDs aiming at durable device performances.

Fonctionnalisation covalente des nanotubes de carbone : propriétés, réversibilité et applications dans le domaine de l'électronique

Le sujet général de cette thèse est l’étude de la fonctionnalisation covalente des nanotubes de carbone (CNT) et son application en électronique. Premièrement, une introduction au sujet est présentée. Elle discute des propriétés des CNT, des différentes sortes de fonctionnalisation covalente ainsi que des principales techniques de caractérisation utilisées au cours de la thèse. Deuxièmement, les répercussions de la fonctionnalisation covalente sur les propriétés des nanotubes de carbone monoparoi (SWNT) sont étudiées. Deux types de fonctionnalisation sont regardés, soit le greffage de groupements phényles et le greffage de groupements dichlorométhylènes. Une diminution de l’absorption optique des SWNT dans le domaine du visible-proche infrarouge est observée ainsi qu’une modification de leur spectre Raman. De plus, pour les dérivés phényles, une importante diminution de la conductance des nanotubes est enregistrée. Troisièmement, la réversibilité de ces deux fonctionnalisations est examinée. Il est montré qu’un recuit permet de résorber les modifications structurales et retrouver, en majorité, les propriétés originales des SWNT. La température de défonctionnalisation varie selon le type de greffons, mais ne semble pas affectée par le diamètre des nanotubes (diamètre examinés : dérivés phényles, Ømoyen= 0,81 nm, 0,93 nm et 1,3 nm; dérivés dichlorométhylènes, Ømoyen = 0,81 nm et 0,93 nm). Quatrièmement, la polyvalence et la réversibilité de la fonctionnalisation covalente par des unités phényles sont exploitées afin de développer une méthode d’assemblage de réseaux de SWNT. Celle-ci, basée sur l’établissement de forces électrostatiques entre les greffons des SWNT et le substrat, est à la fois efficace et sélective quant à l’emplacement des SWNT sur le substrat. Son application à la fabrication de dispositifs électroniques est réalisée. Finalement, la fonctionnalisation covalente par des groupements phényles est appliquée aux nanotubes de carbone à double paroi (DWNT). Une étude spectroscopique montre que cette dernière s’effectue exclusivement sur la paroi externe. De plus, il est démontré que la signature électrique des DWNT avant et après la fonctionnalisation par des groupements phényles est caractéristique de l’agencement nanotube interne@ nanotube externe.

Vers la fabrication d’échantillons permettant la condensation Bose-Einstein de polaritons excitoniques dans des cristaux d’anthracène en microcavités

Nous investiguons dans ce travail la création d'échantillons permettant l'étude du comportement des polaritons excitoniques dans les matériaux semi-conducteurs organiques. Le couplage fort entre les états excités d'électrons et des photons impose la création de nouveaux états propres dans le milieu. Ces nouveaux états, les polaritons, ont un comportement bosonique et sont donc capables de se condenser dans un état fortement dégénéré. Une occupation massive de l'état fondamental permet l'étude de comportements explicables uniquement par la mécanique quantique. La démonstration, au niveau macroscopique, d'effets quantiques promet d'éclairer notre compréhension de la matière condensée. De plus, la forte localisation des excitons dans les milieux organiques permet la condensation des polaritons excitoniques organiques à des températures beaucoup plus hautes que dans les semi-conducteurs inorganiques. À terme, les échantillons proposés dans ce travail pourraient donc servir à observer une phase cohérente macroscopique à des températures facilement atteignables en laboratoire. Les cavités proposées sont des résonateurs Fabry-Perot ultraminces dans lesquels est inséré un cristal unique d'anthracène. Des miroirs diélectriques sont fabriqués par une compagnie externe. Une couche d'or de 60 nanomètres est ensuite déposée sur leur surface. Les miroirs sont ensuite mis en contact, or contre or, et compressés par 2,6 tonnes de pression. Cette pression soude la cavité et laisse des espaces vides entre les lignes d'or. Une molécule organique, l'anthracène, est ensuite insérée par capillarité dans la cavité et y est cristallisée par la suite. Dans leur état actuel, les cavités présentent des défauts majeurs quant à la planarité des miroirs et à l'uniformité des cristaux. Un protocole détaillé est présenté et commenté dans ce travail. Nous y proposons aussi quelques pistes pour régler les problèmes courants de l'appareil.

Propriétés optiques dans l'infrarouge des nanotubes de carbone et du graphène

Les nanotubes de carbone et le graphène sont des nanostructures de carbone hybridé en sp2 dont les propriétés électriques et optiques soulèvent un intérêt considérable pour la conception d’une nouvelle génération de dispositifs électroniques et de matériaux actifs optiquement. Or, de nombreux défis demeurent avant leur mise en œuvre dans des procédés industriels à grande échelle. La chimie des matériaux, et spécialement la fonctionnalisation covalente, est une avenue privilégiée afin de résoudre les difficultés reliées à la mise en œuvre de ces nanostructures. La fonctionnalisation covalente a néanmoins pour effet de perturber la structure cristalline des nanostructures de carbone sp2 et, par conséquent, d’affecter non seulement lesdites propriétés électriques, mais aussi les propriétés optiques en émanant. Il est donc primordial de caractériser les effets des défauts et du désordre dans le but d’en comprendre les conséquences, mais aussi potentiellement d’en exploiter les retombées. Cette thèse traite des propriétés optiques dans l’infrarouge des nanotubes de carbone et du graphène, avec pour but de comprendre et d’expliquer les mécanismes fondamentaux à l’origine de la réponse optique dans l’infrarouge des nanostructures de carbone sp2. Soumise à des règles de sélection strictes, la spectroscopie infrarouge permet de mesurer la conductivité en courant alternatif à haute fréquence des matériaux, dans une gamme d’énergie correspondant aux vibrations moléculaires, aux modes de phonons et aux excitations électroniques de faible énergie. Notre méthode expérimentale consiste donc à explorer un espace de paramètres défini par les trois axes que sont i. la dimensionnalité du matériau, ii. le potentiel chimique et iii. le niveau de désordre, ce qui nous permet de dégager les diverses contributions aux propriétés optiques dans l’infrarouge des nanostructures de carbone sp2. Dans un premier temps, nous nous intéressons à la spectroscopie infrarouge des nanotubes de carbone monoparois sous l’effet tout d’abord du dopage et ensuite du niveau de désordre. Premièrement, nous amendons l’origine couramment acceptée du spectre vibrationnel des nanotubes de carbone monoparois. Par des expériences de dopage chimique contrôlé, nous démontrons en effet que les anomalies dans lespectre apparaissent grâce à des interactions électron-phonon. Le modèle de la résonance de Fano procure une explication phénoménologique aux observations. Ensuite, nous établissons l’existence d’états localisés induits par la fonctionnalisation covalente, ce qui se traduit optiquement par l’apparition d’une bande de résonance de polaritons plasmons de surface (nanoantenne) participant au pic de conductivité dans le térahertz. Le dosage du désordre dans des films de nanotubes de carbone permet d’observer l’évolution de la résonance des nanoantennes. Nous concluons donc à une segmentation effective des nanotubes par les greffons. Enfin, nous montrons que le désordre active des modes de phonons normalement interdits par les règles de sélection de la spectroscopie infrarouge. Les collisions élastiques sur les défauts donnent ainsi accès à des modes ayant des vecteurs d’onde non nuls. Dans une deuxième partie, nous focalisons sur les propriétés du graphène. Tout d’abord, nous démontrons une méthode d’électrogreffage qui permet de fonctionnaliser rapidement et à haute densité le graphène sans égard au substrat. Par la suite, nous utilisons l’électrogreffage pour faire la preuve que le désordre active aussi des anomalies dépendantes du potentiel chimique dans le spectre vibrationnel du graphène monocouche, des attributs absents du spectre d’un échantillon non fonctionnalisé. Afin d’expliquer le phénomène, nous présentons une théorie basée sur l’interaction de transitions optiques intrabandes, de modes de phonons et de collisions élastiques. Nous terminons par l’étude du spectre infrarouge du graphène comportant des îlots de bicouches, pour lequel nous proposons de revoir la nature du mécanisme de couplage à l’œuvre à la lumière de nos découvertes concernant le graphène monocouche.

Preparation, Characterisation And Microwave Dielectric Properties Of Anbn-1o3n (N=5,6,8) Type Perovskite Compounds

The present study on the preparation , characterization and microwave dielectric properties of AnBn-1O3n (N=5,6,8) type perovskite compounds. The explored ceramics show dielectric constant between 11 and 54,quality factor in the range 2400 to 88900 GHz and Tf in the range -73 to +231ppm/0C.Most of the investigated cation deficient hexagonal perovskites show intermediate dielectric constant with high quality factors. This study gives a general introduction about material, scientific and technological aspects of DRs.Three important ,€r ,Q and Tf, used for the DR characterization are described. The relationship of the above parameters with the fundamental material characteristics is discussed. Different modes are excited when a DR is excited with suitable microwave spectrum of frequencies .A description of analytical determination of frequencies and construction of mode charts used for sample design and mode identification are also discussed. In this study several ceramics are developed for DR purposes, very little attention has been paid to grow the single crystals. It might be due to the fact that the difficulties and time involved in the growth of single crystals, big enough to function as microwave resonators make them expensive .However single crystals of these materials may have very high Q values. It is also possible that a better understanding of the dielectric properties in relation to the structure can be arrived using single crystals. Hence one of the future directions of dielectric resonator research should be to grow good quality single crystals of the above materials.

Dielectric Behavior of Natural Rubber Composites in Microwave Fields

In this article, we report the preparation of conducting natural rubber (NR) with polyaniline (Pani). NR was made into a conductive material by the compounding of NR with Pani in powder form. NR latex was made into a conductive material by the in situ polymerization of aniline in the presence of NR latex. Different compositions of Pani- NR semi-interpenetrating networks were prepared, and the dielectric properties of all of the samples were determined in microwave frequencies. The cavity perturbation techpique was used for this study. A HP8510 vector network analyzer with a rectangular cavity resonator was used for this study. S bands 2-4 GHz in frequency were used. Thermal studies were also carried out with thermogravimetric analysis and differential scanning calorimetry.