L'any científic

Resum de l"any científic.

Reduced ceria nanofilms from structure prediction

Experimentally, Ce2O3 films are used to study cerium oxide in its fully or partially reduced state, as present in many applications. We have explored the space of low energy Ce2O3 nanofilms using structure prediction and density functional calculations, yielding more than 30 distinct nanofilm structures. First, our results help to rationalize the roles of thermodynamics and kinetics in the preparation of reduced ceria nanofilms with different bulk crystalline structures (e.g. A-type or bixbyite) depending on the support used. Second, we predict a novel, as yet experimentally unresolved, nanofilm which has a structure that does not correspond to any previously reported bulk A2B3 phase and which has an energetic stability between that of A-type and bixbyite. To assist identification and fabrication of this new Ce2O3 nanofilm we calculate some observable properties and propose supports for its epitaxial growth.

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.

Unusual bismuth-containing surface layers of III-V compound semiconductors

The understanding and engineering of bismuth (Bi) containing semiconductor surfaces are signi cant in the development of novel semiconductor materials for electronic and optoelectronic devices such as high-e ciency solar cells, lasers and light emitting diodes. For example, a Bi surface layer can be used as a surfactant which oats on a III-V compound-semiconductor surface during the epitaxial growth of IIIV lms. This Bi surfactant layer improves the lm-growth conditions if compared to the growth without the Bi layer. Therefore, detailed knowledge of the properties of the Bi/III-V surfaces is needed. In this thesis, well-de ned surface layers containing Bi have been produced on various III-V semiconductor substrates. The properties of these Bi-induced surfaces have been measured by low-energy electron di raction (LEED), scanning-tunneling microscopy and spectroscopy (STM), and synchrotron-radiation photoelectron spectroscopy. The experimental results have been compared with theoretically calculated results to resolve the atomic structures of the studied surfaces. The main ndings of this research concern the determination of the properties of an unusual Bi-containing (2×1) surface structure, the discovery and characterization of a uniform pattern of Bi nanolines, and the optimization of the preparation conditions for this Bi-nanoline pattern.

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.

La1-xSrxMnO3 as a candidate for a room temperature pressure sensor /

Perovskite manganite compounds, Lai-xDxMnOs (D-divalent alkaline earth Ca, Sr or Ba), whose electrical and magnetic properties were first investigated nearly a half century ago, have attracted a great deal of attention due to their rich phase diagram. From the point of view of designing a future application, the strong pressure dependence of the resistivity and the accompanying effects in thin films have potential for application in pressure sensing and electronic devices. In this study we report our experimental investigations of pressure dependence of the resistivity of Lao.siSvo^iQMnOs and Lai-xSvxMnOs (LSMO) epitaxial films with x= 0.15, 0.20, 0.25, 0.30, 0.35, on SrTiOs substrates.

Systematic studies of the effect of pressure on magnetic and electronic properties of La2/3Ca1/3MnO3 thin films with various thicknesses /

Interest in mixed-valent perovskite manganese oxides of La\-xAxMnO^ (v4-divalent alkaline earth Ca, Sr or Ba), whose unusual properties were discovered nearly a half century ago, has recently been revived. The discovery of the colossal magnetoresistance and pressure effects introduced new questions concerning the complex interplay between lattice structure, magnetism and transport in doped perovskite manganites. In this study, we report our experimental investigations of pressure and magnetic field dependencies of La-i/sCai/sMnOs (LCMO) epitaxial films with various thickness on SrTiO$ substrate. An analysis of film thickness dependency of the resistivity of LCMO epitaxial films under pressure and magnetic field has been performed by taking into account substrate contributions. This verifies the correlation of lattice distortion with magnetic and transport properties. Strong dependencies of Mn — O — Mn bond bending and Mn — O bond stretching with pressure as well as Mn spin alignment with magnetic field, and the lattice distortion induced by the substrate are discussed.

Preparation of SrMgx-Ru1-xO3 thin films by pulsed laser deposition /

SrMg^Rui-iOa thin films were made by using pulsed laser deposition on SrTiOa (100) substrates in either O2 or Ar atmosphere. The thin films were characterized by x-ray diffraction, energy dispersive x-ray microanalysis, dc resistivity measurement, and dc magnetization measurement. The effect of Mg doping was observed. As soon as the amount of Mg increased in SrMg-cRui-iOa thin films, the magnetization decreased, and the resistivity increased. It had little effect on the Curie temperature (transition temperature). The magnetization states of SrMgiRui-iOa thin films, for x < 0.15, are similar to SrRuOs films. X-ray diffraction results for SrMga-Rui-iOa thin films made in oxygen showed that the films are epitaxial. The thin films could not be well made in Ar atmosphere during laser ablation as there was no clear peak of SrMg^Rui-iOa in x-ray diffraction results. Substrate temperatures had an effect on the resistivity of the films. The residual resistivity ratios were increased by increasing substrate temperature. It was observed that the thickness of thin films are another factor for film quality: Thin films were epitaxial, but thicker films were not epitaxial.

L’étude de l’InP et du GaP suite à l’implantation ionique de Mn et à un recuit thermique

Cette thèse est dédiée à l’étude des matériaux InMnP et GaMnP fabriqués par implantation ionique et recuit thermique. Plus précisément nous avons investigué la possibilité de former par implantation ionique des matériaux homogènes (alliages) de InMnP et GaMnP contenant de 1 à 5 % atomiques de Mn qui seraient en état ferromagnétique, pour des possibles applications dans la spintronique. Dans un premier chapitre introductif nous donnons les motivations de cette recherche et faisons une revue de la littérature sur ce sujet. Le deuxième chapitre décrit les principes de l’implantation ionique, qui est la technique utilisée pour la fabrication des échantillons. Les effets de l’énergie, fluence et direction du faisceau ionique sur le profil d’implantation et la formation des dommages seront mis en évidence. Aussi dans ce chapitre nous allons trouver des informations sur les substrats utilisés pour l’implantation. Les techniques expérimentales utilisées pour la caractérisation structurale, chimique et magnétique des échantillons, ainsi que leurs limitations sont présentées dans le troisième chapitre. Quelques principes théoriques du magnétisme nécessaires pour la compréhension des mesures magnétiques se retrouvent dans le chapitre 4. Le cinquième chapitre est dédié à l’étude de la morphologie et des propriétés magnétiques des substrats utilisés pour implantation et le sixième chapitre, à l’étude des échantillons implantés au Mn sans avoir subi un recuit thermique. Notamment nous allons voir dans ce chapitre que l’implantation de Mn à plus que 1016 ions/cm2 amorphise la partie implantée du matériau et le Mn implanté se dispose en profondeur sur un profil gaussien. De point de vue magnétique les atomes implantés se trouvent dans un état paramagnétique entre 5 et 300 K ayant le spin 5/2. Dans le chapitre 7 nous présentons les propriétés des échantillons recuits à basses températures. Nous allons voir que dans ces échantillons la couche implantée est polycristalline et les atomes de Mn sont toujours dans un état paramagnétique. Dans les chapitres 8 et 9, qui sont les plus volumineux, nous présentons les résultats des mesures sur les échantillons recuits à hautes températures : il s’agit d’InP et du GaP implantés au Mn, dans le chapitre 8 et d’InP co-implanté au Mn et au P, dans le chapitre 9. D’abord, dans le chapitre 8 nous allons voir que le recuit à hautes températures mène à une recristallisation épitaxiale du InMnP et du GaMnP; aussi la majorité des atomes de Mn se déplacent vers la surface à cause d’un effet de ségrégation. Dans les régions de la surface, concentrés en Mn, les mesures XRD et TEM identifient la formation de MnP et d’In cristallin. Les mesures magnétiques identifient aussi la présence de MnP ferromagnétique. De plus dans ces mesures on trouve qu’environ 60 % du Mn implanté est en état paramagnétique avec la valeur du spin réduite par rapport à celle trouvée dans les échantillons non-recuits. Dans les échantillons InP co-implantés au Mn et au P la recristallisation est seulement partielle mais l’effet de ségrégation du Mn à la surface est beaucoup réduit. Dans ce cas plus que 50 % du Mn forme des particules MnP et le restant est en état paramagnétique au spin 5/2, dilué dans la matrice de l’InP. Finalement dans le dernier chapitre, 10, nous présentons les conclusions principales auxquels nous sommes arrivés et discutons les résultats et leurs implications.

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.

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.

Electron energy loss spectroscopy assessment of cationic migration in La2/3Ca1/3MnO3 thin films

Màster en Nanociència i Nanotecnologia curs 2006-2007. Directors: Francesca Peiró i Martínez and Jordi Arbiol i Cobos