Use of diamond-like carbon with tungsten (W-DLC) films as biocompatible material

Diamond-like carbon (DLC), also known as amorphous hydrogenated carbon (a-C:H), are a class of materials with excellent mechanical, tribological and biological properties. When the DLC films are enhanced with other elements, all of these properties can be changed within a certain range. In this work, reactive magnetron sputtering was used to deposit W-DLC (hydrogenated tungsten carbide) films on Ti6A14V (implant material). Many films were made using pure tungsten (99.99%) target and different plasmas processes, with different ratio among argon and methane. It was possible to change the films composition (from pure amorphous carbon to carbon enhanced with tungsten) according to ratio of argon and methane plasma. Between all films processed, the carbon films enhanced with tungsten showed good results in the ""in vitro"" cytotoxicity testing. Raman spectroscopy was used to analyze the chemical bonds kinds and the chemical bonds quantities. The Rutherford Back Scattering (RBS) was used to analyze the films compositions. The chemical inertness was analyzed by scanning voltametry. W-DLC thin films obtained in these processes have low roughness, high chemical resistance, good adhesion and show a high biocompatibility, when compared with common DLC thin films. Hence we have concluded that the tungsten concentrations in the DLC films make an important role to improve the properties of the DLC layers. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

The crack tip strain field of AISI 4340 - Part III - Hydrogen influence

This paper studied the influence of hydrogen and water vapour environments on the plastic behaviour in the vicinity of the crack tip for AISI 4340. Hydrogen and water vapour (at a pressure of 15 Torr) significantly increased the crack tip opening displacement. The crack tip strain distribution in 15 Torr hydrogen was significantly different to that measured in vacuum. In the presence of sufficient hydrogen, the plastic zone was larger, was elongated in the direction of crack propagation and moreover there was significant creep. These observations support the hydrogen enhanced localised plasticity model for hydrogen embrittlement in this steel. The strain distribution in the presence of water vapour also suggests that SCC in AISI 4340 occurs via the hydrogen enhanced localised plasticity mechanism. (C) 1999 Kluwer Academic Publishers.

L'application de la spectroscopie Raman en criminalistique pour l'analyse du colorant des fibres textiles en acrylique, coton et laine

RESUME La méthode de la spectroscopie Raman est une technique d'analyse chimique basée sur l'exploitation du phénomène de diffusion de la lumière (light scattering). Ce phénomène fut observé pour la première fois en 1928 par Raman et Krishnan. Ces observations permirent à Raman d'obtenir le Prix Nobel en physique en 1930. L'application de la spectroscopie Raman a été entreprise pour l'analyse du colorant de fibres textiles en acrylique, en coton et en laine de couleurs bleue, rouge et noire. Nous avons ainsi pu confirmer que la technique est adaptée pour l'analyse in situ de traces de taille microscopique. De plus, elle peut être qualifiée de rapide, non destructive et ne nécessite aucune préparation particulière des échantillons. Cependant, le phénomène de la fluorescence s'est révélé être l'inconvénient le plus important. Lors de l'analyse des fibres, différentes conditions analytiques ont été testées et il est apparu qu'elles dépendaient surtout du laser choisi. Son potentiel pour la détection et l'identification des colorants imprégnés dans les fibres a été confirmé dans cette étude. Une banque de données spectrale comprenant soixante colorants de référence a été réalisée dans le but d'identifier le colorant principal imprégné dans les fibres collectées. De plus, l'analyse de différents blocs de couleur, caractérisés par des échantillons d'origine inconnue demandés à diverses personnes, a permis de diviser ces derniers en plusieurs groupes et d'évaluer la rareté des configurations des spectres Raman obtenus. La capacité de la technique Raman à différencier ces échantillons a été évaluée et comparée à celle des méthodes conventionnelles pour l'analyse des fibres textiles, à savoir la micro spectrophotométrie UV-Vis (MSP) et la chromatographie sur couche mince (CCM). La technique Raman s'est révélée être moins discriminatoire que la MSP pour tous les blocs de couleurs considérés. C'est pourquoi dans le cadre d'une séquence analytique nous recommandons l'utilisation du Raman après celle de la méthode d'analyse de la couleur, à partir d'un nombre de sources lasers le plus élevé possible. Finalement, la possibilité de disposer d'instruments équipés avec plusieurs longueurs d'onde d'excitation, outre leur pouvoir de réduire la fluorescence, permet l'exploitation d'un plus grand nombre d'échantillons. ABSTRACT Raman spectroscopy allows for the measurement of the inelastic scattering of light due to the vibrational modes of a molecule when irradiated by an intense monochromatic source such as a laser. Such a phenomenon was observed for the first time by Raman and Krishnan in 1928. For this observation, Raman was awarded with the Nobel Prize in Physics in 1930. The application of Raman spectroscopy has been undertaken for the dye analysis of textile fibers. Blue, black and red acrylics, cottons and wools were examined. The Raman technique presents advantages such as non-destructive nature, fast analysis time, and the possibility of performing microscopic in situ analyses. However, the problem of fluorescence was often encountered. Several aspects were investigated according to the best analytical conditions for every type/color fiber combination. The potential of the technique for the detection and identification of dyes was confirmed. A spectral database of 60 reference dyes was built to detect the main dyes used for the coloration of fiber samples. Particular attention was placed on the discriminating power of the technique. Based on the results from the Raman analysis for the different blocs of color submitted to analyses, it was possible to obtain different classes of fibers according to the general shape of spectra. The ability of Raman spectroscopy to differentiate samples was compared to the one of the conventional techniques used for the analysis of textile fibers, like UV-Vis Microspectrophotometry (UV-Vis MSP) and thin layer chromatography (TLC). The Raman technique resulted to be less discriminative than MSP for every bloc of color considered in this study. Thus, it is recommended to use Raman spectroscopy after MSP and light microscopy to be considered for an analytical sequence. It was shown that using several laser wavelengths allowed for the reduction of fluorescence and for the exploitation of a higher number of samples.

Plasma-enhanced chemical vapor deposition of boron nitride thin films from B2H6-H2-NH3 and B2H6-N2 gas mixtures

Highly transparent and stoichiometric boron nitride (BN) films were deposited on both electrodes (anode and cathode) of a radio-frequency parallel-plate plasma reactor by the glow discharge decomposition of two gas mixtures: B2H6-H2-NH3 and B2H6-N2. The chemical, optical, and structural properties of the films, as well as their stability under long exposition to humid atmosphere, were analyzed by x-ray photoelectron, infrared, and Raman spectroscopies; scanning and transmission electron microscopies; and optical transmittance spectrophotometry. It was found that the BN films grown on the anode using the B2H6-H2-NH3 mixture were smooth, dense, adhered well to substrates, and had a textured hexagonal structure with the basal planes perpendicular to the film surface. These films were chemically stable to moisture, even after an exposition period of two years. In contrast, the films grown on the anode from the B2H6-N2 mixture showed tensile stress failure and were very unstable in the presence of moisture. However, the films grown on the cathode from B2H6-H2-NH3 gases suffered from compressive stress failure on exposure to air; whereas with B2H6-N2 gases, adherent and stable cathodic BN films were obtained with the same crystallographic texture as anodic films prepared from the B2H6-H2-NH3 mixture. These results are discussed in terms of the origin of film stress, the effects of ion bombardment on the growing films, and the surface chemical effects of hydrogen atoms present in the gas discharge.

Enhanced compressed sensing recovery with level set normals.

We propose a compressive sensing algorithm that exploits geometric properties of images to recover images of high quality from few measurements. The image reconstruction is done by iterating the two following steps: 1) estimation of normal vectors of the image level curves, and 2) reconstruction of an image fitting the normal vectors, the compressed sensing measurements, and the sparsity constraint. The proposed technique can naturally extend to nonlocal operators and graphs to exploit the repetitive nature of textured images to recover fine detail structures. In both cases, the problem is reduced to a series of convex minimization problems that can be efficiently solved with a combination of variable splitting and augmented Lagrangian methods, leading to fast and easy-to-code algorithms. Extended experiments show a clear improvement over related state-of-the-art algorithms in the quality of the reconstructed images and the robustness of the proposed method to noise, different kind of images, and reduced measurements.

In-line Monitoring of Precipitation Process using Raman Spectroscopy and ATR-FTIR

Polymorfian jatkuva seuranta saostuksessa on hyödyllistä suunnittelun ja kidetuotteen ominaisuuksien sekä kiteytystä seuraavan jatkoprosessoinnin kannalta. Tässä diplomityössä on tutkittu L-glutamiinihapon kahden (- ja ß) polymorfimuodon liukoisuuden riippuvuutta pH:sta ja lämpötilasta.Tulokseksi saatiin, että kummankin polymorfin liukoisuus kasvoi sekä pH:ta ettälämpötilaa kasvatettaessa. ¿¿muodon liukoisuus oli korkeampi kuin ß-muodon liukoisuus valituilla pH-arvoilla eri lämpötiloissa. Lisäksi seurattiin puolipanostoimisen saostuksen aikana 1-litraisella laboratoriokiteyttimellä muodostuvan kiteisen polymorfiseoksen koostumusta hyödyntäen in-line Raman-spektroskopiaa. Myös liuoksen pH-muutosta seurattiin sekä liuoksen koostumusta ATR FTIR-spektroskopian (Attenuated Total Reflection Fourier Transform Infrared Spectrometer) avulla. Tutkittavina muuttujina olivat mm. sekoitusintensiteetti, sekoitintyyppi, reaktanttien (natriumglutamaatti ja rikkihappo) konsentraatiot sekä syötetyn rikkihapon syöttökohta kiteyttimessä. Työhön sisältyi 36 koetta ja osa kokeista toistettiin tulosten oikeellisuuden tarkistamiseksi. Inline-mittaustulosten verifioimiseksi kidenäytteet analysoitiin myös käyttämällä konfokaali Raman-mikroskooppia. Kidemorfologiaa tutkittiin SEM-kuvien (Scanning Eletronic Microscope) avulla. Työ osoitti, että Raman-spektroskopia on joustava ja luotettava menetelmä saostusprosessin jatkuvaan seurantaan L-glutamiinihapolla. Alhaiset lähtöainepitoisuudet tuottivat pääasiassa ¿¿muotoa, kun taas alhainen sekoitusteho edisti ß-muodon muodostumista. Syöttökohta vaikutti merkittävästi polymorfiaan. Kun rikkihapon syöttökohta oli epäideaalisesti sekoitetulla vyöhykkeellä, nousi ylikylläisyystaso korkeaksi ja päätuote oli tällöin ß-muotoa. 6-lapainen vinolapaturbiini (nousukulma 45o) ja 6-lapainen levyturbiini eivät merkittävästi poikenneet toisistaan muodostuvien polymorfien osalta.

Blackbody emission under laser excitation of silicon nanopowder produced by plasma-enhanced chemical-vapor deposition

Previous results concerning radiative emission under laser irradiation of silicon nanopowder are reinterpreted in terms of thermal emission. A model is developed that considers the particles in the powder as independent, so under vacuum the only dissipation mechanism is thermal radiation. The supralinear dependence observed between the intensity of the emitted radiation and laser power is predicted by the model, as is the exponential quenching when the gas pressure around the sample increases. The analysis allows us to determine the sample temperature. The local heating of the sample has been assessed independently by the position of the transverse optical Raman mode. Finally, it is suggested that the photoluminescence observed in porous silicon and similar materials could, in some cases, be blackbody radiation

Montage et caractérisation d’un système de spectroscopie Raman accordable en longueur d’onde utilisant des réseaux de Bragg comme filtre : application aux nanotubes de carbone

La spectroscopie Raman est un outil non destructif fort utile lors de la caractérisation de matériau. Cette technique consiste essentiellement à faire l’analyse de la diffusion inélastique de lumière par un matériau. Les performances d’un système de spectroscopie Raman proviennent en majeure partie de deux filtres ; l’un pour purifier la raie incidente (habituellement un laser) et l’autre pour atténuer la raie élastique du faisceau de signal. En spectroscopie Raman résonante (SRR), l’énergie (la longueur d’onde) d’excitation est accordée de façon à être voisine d’une transition électronique permise dans le matériau à l’étude. La section efficace d’un processus Raman peut alors être augmentée d’un facteur allant jusqu’à 106. La technologie actuelle est limitée au niveau des filtres accordables en longueur d’onde. La SRR est donc une technique complexe et pour l’instant fastidieuse à mettre en œuvre. Ce mémoire présente la conception et la construction d’un système de spectroscopie Raman accordable en longueur d’onde basé sur des filtres à réseaux de Bragg en volume. Ce système vise une utilisation dans le proche infrarouge afin d’étudier les résonances de nanotubes de carbone. Les étapes menant à la mise en fonction du système sont décrites. Elles couvrent les aspects de conceptualisation, de fabrication, de caractérisation ainsi que de l’optimisation du système. Ce projet fut réalisé en étroite collaboration avec une petite entreprise d’ici, Photon etc. De cette coopération sont nés les filtres accordables permettant avec facilité de changer la longueur d’onde d’excitation. Ces filtres ont été combinés à un laser titane : saphir accordable de 700 à 1100 nm, à un microscope «maison» ainsi qu’à un système de détection utilisant une caméra CCD et un spectromètre à réseau. Sont d’abord présentés les aspects théoriques entourant la SRR. Par la suite, les nanotubes de carbone (NTC) sont décrits et utilisés pour montrer la pertinence d’une telle technique. Ensuite, le principe de fonctionnement des filtres est décrit pour être suivi de l’article où sont parus les principaux résultats de ce travail. On y trouvera entre autres la caractérisation optique des filtres. Les limites de basses fréquences du système sont démontrées en effectuant des mesures sur un échantillon de soufre dont la raie à 27 cm-1 est clairement résolue. La simplicité d’accordabilité est quant à elle démontrée par l’utilisation d’un échantillon de NTC en poudre. En variant la longueur d’onde (l’énergie d’excitation), différentes chiralités sont observées et par le fait même, différentes raies sont présentes dans les spectres. Finalement, des précisions sur l’alignement, l’optimisation et l’opération du système sont décrites. La faible acceptance angulaire est l’inconvénient majeur de l’utilisation de ce type de filtre. Elle se répercute en problème d’atténuation ce qui est critique plus particulièrement pour le filtre coupe-bande. Des améliorations possibles face à cette limitation sont étudiées.

Fabrication des films microstructurés et leurs caractéristiques en spectroscopie de résonance des plasmons de surface

Cette thèse caractérise les propriétés optiques des matériaux plasmoniques microstructurés et procède à l’évaluation des paramètres analytiques afin de les employer comme plateforme de biodétection en spectroscopie de résonance des plasmons de surface (SPR). Aux dimensions micrométriques, les matériaux plasmoniques présentent des caractéristiques optiques propres aux nano- et macromatériaux. La cartographie physicooptiques en SPR de matériaux méso- et microscopiques s’est effectuée à l’aide de films structurés de motifs périodiques triangulaires et circulaires fabriqués par une technique modifiée de lithographie par nanosphères (nanosphere lithography, NSL). À partir de cette vue d’ensemble, quelques films structurés ont été sélectionné en fonction d’aspects analytiques tels que la sensibilité et la résolution face aux variations d’indice de réfraction (RI) pour déterminer le potentiel de ces matériaux comme plateforme de biodetection. Les propriétés optiques distinctes des films microstructurés proviennent d’interactions résonantes entre les modes de plasmons de surface (SP) localisé et délocalisé identifiés par la relation de dispersion en SPR ainsi que l’imagerie Raman. Les conditions de résonance des modes SP dépendant de paramètres expérimentaux (λ, θ, η) tel qu’observés numériquement par rigorous coupled wave analysis (RCWA) et empiriquement. Ces travaux démontrent la nature plasmonique distincte des micro-matériaux et leur potentiel d’intégration aux techniques analytiques SPR existantes. Les matériaux plasmoniques micrométriques furent également étudiés pour l’implémentation de la SPR à une pointe de microscopie à force atomique (atomic force microscopy, AFM) combinant ainsi la spectroscopie à l’imagerie topographique. Des travaux préliminaires se sont concentrés sur la signature spectroscopique de leviers en silicium (Si) et en nitrure de silicium (Si3N4), l’impact d’un revêtement d’or sur les pointes et l’influence de milieu environnant. Une image d’origine plasmonique a été obtenue avec des leviers en Si3N4 revêtus d’or en transmission dans un environnement aqueux, indiquant ainsi le potentiel de ces pointes comme micro-biocapteur SPR. Ces résultats préliminaires servent de fondement pour orienter les prochaines investigations dans ce projet.

Raman spectra of polymethyl methacrylate optical fibres excited by a 532 nm diode pumped solid state laser

Polymethyl methacrylate (PMMA) optical fibres are fabricated by a preform drawing process. The Raman spectra of PMMA fibres are recorded using a diode pumped solid state laser emitting at 532 nm and a CCD-spectrograph in the 400–3800 cm−1 range. The variation of the Raman intensity with the length of the optical fibre is studied. Investigations are carried out on the variation of FWHM of the Raman peak at 2957 cm−1 with the length of the optical fibre and pump power. The differential scattering cross section and gain coefficient of the Raman peak at 2957 cm−1 in PMMA are calculated in relation to that of toluene.

Raman spectra of polymethyl methacrylate optical fibres excited by a 532 nm diode pumped solid state laser

Polymethyl methacrylate (PMMA) optical fibres are fabricated by a preform drawing process. The Raman spectra of PMMA fibres are recorded using a diode pumped solid state laser emitting at 532 nm and a CCD-spectrograph in the 400–3800 cm−1 range. The variation of the Raman intensity with the length of the optical fibre is studied. Investigations are carried out on the variation of FWHM of the Raman peak at 2957 cm−1 with the length of the optical fibre and pump power. The differential scattering cross section and gain coefficient of the Raman peak at 2957 cm−1 in PMMA are calculated in relation to that of toluene

Enhanced UV emission from ZnO nanoflowers synthesized by the hydrothermal process

ZnO nanoflowers were synthesized by the hydrothermal process at an optimized growth temperature of 200 ◦C and a growth/reaction time of 3 h. As-prepared ZnO nanoflowers were characterized by x-ray diffraction, scanning electron microscopy, UV–visible and Raman spectroscopy. X-ray diffraction and Raman studies reveal that the as-synthesized flower-like ZnO nanostructures are highly crystalline with a hexagonal wurtzite phase preferentially oriented along the (1 0 1 1) plane. The average length (234–347 nm) and diameter (77–106 nm) of the nanorods constituting the flower-like structure are estimated using scanning electron microscopy studies. The band gap of ZnO nanoflowers is estimated as 3.23 eV, the lowering of band gap is attributed to the flower-like surface morphology and microstructure of ZnO. Room temperature photoluminescence spectrum shows a strong UV emission peak at 392 nm, with a suppressed visible emission related to the defect states, indicating the defect free formation of ZnO nanoflowers that can be potentially used for UV light-emitting devices. The suppressed Raman bands at 541 and 583 cm−1 related to defect states in ZnO confirms that the ZnO nanoflowers here obtained have a reduced presence of defects

Blackbody emission under laser excitation of silicon nanopowder produced by plasma-enhanced chemical-vapor deposition

Previous results concerning radiative emission under laser irradiation of silicon nanopowder are reinterpreted in terms of thermal emission. A model is developed that considers the particles in the powder as independent, so under vacuum the only dissipation mechanism is thermal radiation. The supralinear dependence observed between the intensity of the emitted radiation and laser power is predicted by the model, as is the exponential quenching when the gas pressure around the sample increases. The analysis allows us to determine the sample temperature. The local heating of the sample has been assessed independently by the position of the transverse optical Raman mode. Finally, it is suggested that the photoluminescence observed in porous silicon and similar materials could, in some cases, be blackbody radiation

Electrospinning atactic polystyrene: A neutron scattering study

Electrospinning is a method used to produce nanoscale to microscale sized polymer fibres. In this study we electrospin 1:1 blends of deuterated and hydrogenated atactic-Polystyrene from N,N-Dimethylformamide for small angle neutron scattering experiments in order to analyse the chain conformation in the electrospun fibres. Small angle neutron scattering was carried out on randomly orientated fibre mats obtained using applied voltages of 10kV-15kV and needle tip to collector distances of 20cm and 30cm. Fibre diameters varied from 3mm - 20mm. Neutron scattering data from fibre samples were compared with bulk samples of the same polymer blend. The scattering data indicates that there are pores and nanovoiding present in the fibres; this was confirmed by scanning electron microscopy. A model that combines the scattering from the pores and the labelled polymer chains was used to extract values for the radius of gyration. The radius of gyration in the fibres is found to vary little with the applied voltage, but varies with the initial solution concentration and fibre diameter. The values for the radius of gyration in the fibres are broadly equivalent to that of the bulk state.

Electrospinning atactic polystyrene: a neutron scattering study

Electrospinning is a method used to produce nanoscale to microscale sized polymer fibres. In this study we electrospin 1:1 blends of deuterated and hydrogenated atactic- Polystyrene from N,N-Dimethylformamide for small angle neutron scattering experiments in order to analyse the chain conformation in the electrospun fibres. Small angle neutron scattering was carried out on randomly orientated fibre mats obtained using applied voltages of 10kV-15kV and needle tip to collector distances of 20cm and 30cm. Fibre diameters varied from 3μm – 20μm. Neutron scattering data from fibre samples were compared with bulk samples of the same polymer blend. The scattering data indicates that there are pores and nanovoiding present in the fibres; this was confirmed by scanning electron microscopy. A model that combines the scattering from the pores and the labelled polymer chains was used to extract values for the radius of gyration. The radius of gyration in the fibres is found to vary little with the applied voltage, but varies with the initial solution concentration and fibre diameter. The values for the radius of gyration in the fibres are broadly equivalent to that of the bulk state.