Molecular Ordering in Layer-by-Layer Polyelectrolyte Films Studied by Sum-Frequency Vibrational Spectroscopy: The Effects of Drying Procedures

Sum-Frequency Vibrational Spectroscopy (SFVS) has been used to investigate the effect of nitrogen-flow drying on the molecular ordering of Layer-by-Layer (LbL) films of poly(allylamine hydrochloride) (PAH) alternated with poly(styrene sulfonate) (PSS). We find that films dried by spontaneous water evaporation are more ordered and homogeneous than films dried by nitrogen flow. The latter are quite inhomogeneous and may have regions with highly disordered polymer conformation. We propose that drying by spontaneous water evaporation reduces the effect of drag by the drying front, while during nitrogen-flow drying the fast evaporation of water ""freezes"" the disordered conformation of adsorbed polyelectrolyte molecules. These findings are important for many applications of LbL films, since device performance usually depends on film morphology and its molecular structure.

Immobilization of Poly(propylene imine) Dendrimer/Nickel Phtalocyanine as Nanostructured Multilayer Films To Be Used as Gate Membranes for SEGFET pH Sensors

We describe the assembly of layer-by-layer films based on the poly(propylene imine) dendrimer (PPID) generation 3 and nickel tetrasulfonated phthalocyanine (NiTsPc) for application as chemically sensitive membranes in sepal alive extended-gate field effect transistor (SEGFET) pH sensors PPID/NiTsPc films wet e adsorbed on quartz, glass. indium tin oxide. or gold (Au)-covered glass substrates Multilayer formation was monitored via UV-vis absorption upon following the increment in the Q-band intensity (615 nm) of NiTsPc The nanostructured membranes were very stable in a pH range of 4-10 and displayed a good sensitivity toward H(+), ca 30 mV/pH for PPID/N(1)TsPc films deposited on Au-covered substrates For films deposited on ITO, the sensitivity was ca 52 4 mV/pH. close to the expected theoretical value for ton-sensitive membranes. The use of chemically stable PPID/NiTsPc films as gate membranes in SEGFETs, as introduced here, may represent an alternative for the fabrication of nanostructured, porous platforms for enzyme immobilization to be used in enzymatic biosensors.

Thermal dependence of the zero-bias conductance through a nanostructure

We show that the conductance of a quantum wire side-coupled to a quantum dot, with a gate potential favoring the formation of a dot magnetic moment, is a universal function of the temperature. Universality prevails even if the currents through the dot and the wire interfere. We apply this result to the experimental data of Sato et al. (Phys. Rev. Lett., 95 (2005) 066801). Copyright (C) EPLA, 2009

Structural and spectroscopic characterization of poly(styrene sulfonate) films doped with neodymium ions

This work reports the structural and spectroscopy characterization of poly(styrene sulfonate) (PSS) films doped with neodymium (Nd) ions. Nd-PSS films were processed using the acid of poly(styrene sulfonate) - H-PSS and neodymium nitrate - Nd(NO(3))(3); the maximum incorporation of Nd ions in the polymeric matrix was equal 19.3%. The absorption in the UV-Vis-NIR spectral region presents typical electronic transitions of Nd 3, ions, with well resolved peaks. The infrared spectra present the transition bands of PSS with characteristic line shape broadening, and the presence of vibrational modes of N-O groups in the range of 1400-720 cm(-1), prove the permanence of Nd(NO(3))(x), with x = 1, 2 and/or 3. in the H-PSS matrix. UV-Vis site selective photoluminescence data indicate that the incorporation of Nd 31 introduces a blue shift in PSS emission (325-800 nm), decreasing the interaction between adjacent PSS lateral groups (aromatic rings). Nd(3+) reabsorption and energy transfer effects between the PSS matrix and Nd(3+) were also observed. The IR emission of Nd-PSS films at 1076 rim ((4)F(3/2) -> (4)I(11/2)) present constant efficiency, independent on Nd(3+) concentration. The Judd-Ofelt theory was employed to analyze radiative properties. The excitation spectra prove the energy transfer between the polymeric matrix and Nd(3+). Complex impedance data was used to probe relaxation processes during the charge transport within the polymeric matrix. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Protein Assembly onto Cationic Supported Bilayers

Cationic supported bilayers on latex are useful to isolate and immobilize oppositely charged proteins as a monomolecular layer over a range of low protein concentrations and particle number densities. Cholera toxin (CT) from Vibrio cholerae, an 87 kDa AB(5) hexameric protein and bovine serum albumin (BSA) self-assembled on dioctadecyldimethylammonium bromide (DODAB) supported bilayers with high affinity yielding highly organized and monodisperse particulates at 5 x 10(9) particles/mL, over a range of low protein concentrations (0-0.025 mg/mL BSA or CT). Protein association onto the bilayer-covered polystyrene sulfate (PSS) was determined from adsorption isotherms, dynamic light scattering for size distributions and zeta-potential analysis revealing a monomolecular, thin and highly organized protein layer surrounding each particle with potential for biospecific recognition such as antigen-antibody, receptor-ligand, hybridization of oligonucleotide sequences, all of them important in immunodiagnosis, selective biomolecular chromatographic separations, microarrays design and others.

Interactions between Bacteriophage DNA and Cationic Biomimetic Particles

The interaction between giant bacteriophage DNA and cationic biomimetic particles was characterized from sizing by dynamic light-scattering, zeta-potential analysis, turbidimetry, determination of colloid stability, visualization from atomic force microscopy (AFM), and determination of cytotoxicity against E. coli from colony forming unities counting. First, polystyrene sulfate (PSS) particles with different sizes were covered by a dioctadecyldimethylammonium bromide (DODAB) bilayer yielding the so-called cationic biomimetic particles (PSS/DODAB). These cationic particles are highly organized, present a narrow size distribution and were obtained over a range of particle sizes. Thereafter, upon adding lambda, T5 or T2-DNA to PSS/DODAB particles, supramolecular assemblies PSS/DODAB/DNA were obtained and characterized over a range of DNA concentrations and particle sizes (80-700 nm). Over the low DNA concentration range, PSS/DODAB/DNA assemblies were cationic, colloidally stable with moderate polydispersity and highly cytotoxic against E. coli. From DNA concentration corresponding to charge neutralization, neutral or anionic supramolecular assemblies PSS/DODAB/DNA exhibited low colloid stability, high polydispersity and moderate cytotoxicity. Some nucleosome mimetic assemblies were observed by AFM at charge neutralization (zeta-potential equal to zero).

Nanoparticle Platform to Modulate Reaction Mechanism of Phenothiazine Photosensitizers

Herein, we report on the synthesis of photosensitizing nanoparticles in which the generation of different oxidizing species, i.e., singlet oxygen ((1)O(2)) or radicals, was modulated. Sol gel and surface chemistry were used to obtain nanoparticles with specific ratios of dimer to monomer species of phenothiazine photosensitizers (PSs). Due to competition between the reactions involving electron transfer within dimer species and energy transfer from monomer triplets to oxygen, the efficiency of (1)O(2) generation could be controlled. Nanoparticles with an excess of dimer have an (1)O(2) generation efficiency (S(Delta)) of 0.01 while those without dimer have a S, value of 0.4. Furthermore, we demonstrate that the PS properties of the nanoparticles are not subjected to interference from the external medium as is commonly the case for free PSs, i.e., PS ground and triplet states are not reduced by NADH and ascorbate, respectively, and singlet excited states are less suppressed by bromide. The modulated (1)O(2) generation and the PS protection from external interferences make this nanoparticle platform a promising tool to aid in performing mechanistic studies in biological systems. Also, it offers potential application in technological areas in which photo-induced processes take place.

Role of Polyelectrolyte for Layer-by-Layer Compact TiO(2) Films in Efficiency Enhanced Dye-Sensitized Solar Cells

Efficient compact TiO(2) films using different polyeleetrolytes are prepared by the layer-by-layer technique (LbL) and applied as an effective contact and blocking film in dye-sensitized solar cells (DSCs). The polyanion thermal stability plays a major role on the compact layers, which decreases back electron transfer processes and current losses at the FTO/TiO(2) interface. FESEM images show that polyelectrolytes such is sodium sullonated polystyrene (PSS) and sulfonated lignin (SE), in comparison to poly(acrylic acid) (FAA), ensure an adequate morphology for the LbL TiO(2) layer deposited before the mesoporous film, even triter the sintering step at 450 degrees C. The so treated photoanode in DSCs leads to a 30% improvement On the overall conversion efficiency. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) is employed to ascertain the role of die compact films with such polyelectrolytes. The significant increase in V(oc) of the solar cells with adequate polyelectrolytes in the LbL TiO(2) films shows their pivotal role in decreasing the electron recombination at the FTO surface and enhancing the electrical contact of FTO with the mesoporous TiO(2) layer.

Layer-by-layer TiO(2) films as efficient blocking layers in dye-sensitized solar cells

Charge recombination at the conductor substrate/electrolyte interface has been prevented by using efficient blocking layers of TiO(2) compact films in dye-sensitized solar cell photoanodes. Compact blocking layers have been deposited before the mesoporous TiO(2) film by the layer-by-layer technique using titania nanoparticles as cations and sodium sulfonated polystyrene, PSS, as a polyanion. The TiO(2)/PSS blocking layer in a DSC prevents the physical contact of FTO and the electrolyte and leads to a 28% increase in the cell`s overall conversion efficiency, from 5.7% to 7.3%. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Using Polycarbonate Membranes as Templates for the Preparation of Au Nanostructures for Surface-Enhanced Raman Scattering

Polycarbonate membranes (PCM) of various pores sizes (400, 200, 100 and 50 nm) were used as templates for gold deposition. The electrodeposition from gold ions resulted in the formation of gold nanotubes when large pores size PCMs (400 and 200 nm) were used. On the other hand, gold nanowires were predominant for the PCMs with smaller pores size (100 and 50 nm). Surface-enhanced Raman scattering (SERS) from the probe molecule 4-mercaptopyridine (4-MPy) was obtained from all these nanostructures. The SERS efficiency of the substrates produced using the PC M templates were compared to two commonly used SERS platforms: a roughened gold electrode and gold nanostructures electrodeposited through organized polystyrene spheres (PSS). The SERS signal of the probe molecule increased as the pore diameter of the PCM template decreased. Moreover, the SERS efficiency from the nanostructures produced using 50 nm PCM templates was four and two times better than the signal from the roughened gold electrode and the PSS template, respectively. The SERS substrates prepared using PCM templates were more homogenous over a larger area (ca. 1 cm(2)), presented better spatial and sample to sample reproducibility than the other substrates. These results show that SERS substrates prepared using PCM templates are promising for the fabrication of planar SERS platforms for analytical/bioanalytical applications.

Uma ferramenta para automação da geração do leiaute de circuitos analógicos sobre uma matriz de transistores MOS pré-difundidos

Este trabalho apresenta o LIT, uma ferramenta de auxílio ao projeto de circuitos integrados analógicos que utiliza a técnica da associação trapezoidal de transistores (TAT) sobre uma matriz digital pré-difundida. A principal característica é a conversão de cada transistor simples de um circuito analógico em uma associação TAT equivalente, seguido da síntese automática do leiaute da associação séria-paralela de transistores. A ferramenta é baseada na matriz SOT (sea-of-transistors), cuja arquitetura é voltada para o projeto de circuitos digitais. A matriz é formada somente por transistores unitários de canal curto de dimensões fixas. Através da técnica TAT, entretanto, é possível criar associações série-paralelas cujo comportamento DC aproxima-se dos transistores de dimensões diferentes dos unitários. O LIT é capaz de gerar automaticamente o leiaute da matriz SOT e dos TATs, além de células analógicas básicas, como par diferencial e espelho de corrente, respeitando as regras de casamento de transistores. O cálculo dos TATs equivalentes também é realizado pela ferramenta. Ela permite a interação com o usuário no momento da escolha da melhor associação. Uma lista de possíveis associações é fornecida, cabendo ao projetista escolher a melhor. Além disso, foi incluído na ferramenta um ambiente gráfico para posicionamento das células sobre a matriz e um roteador global automático. Com isso, é possível realizar todo o fluxo de projeto de um circuito analógico com TATs dentro do mesmo ambiente, sem a necessidade de migração para outras ferramentas. Foi realizado também um estudo sobre o cálculo do TAT equivalente, sendo que dois métodos foram implementados: aproximação por resistores lineares (válida para transistores unitários de canal longo) e aproximação pelo modelo analítico da corrente de dreno através do modelo BSIM3. Três diferentes critérios para a escolha da melhor associação foram abordados e discutidos: menor diferença de corrente entre o TAT e o transistor simples, menor número de transistores unitários e menor condutância de saída. Como circuito de teste, foi realizado o projeto com TATs de um amplificador operacional de dois estágios (amplificador Miller) e a sua comparação com o mesmo projeto utilizando transistores full-custom. Os resultados demonstram que se pode obter bons resultados usando esta técnica, principalmente em termos de desempenho em freqüência. A contribuição da ferramenta LIT ao projeto de circuitos analógicos reside na redução do tempo de projeto, sendo que as tarefas mais suscetíveis a erro são automatizadas, como a geração do leiaute da matriz e das células e o roteamento global. O ambiente de projeto, totalmente gráfico, permite que mesmo projetistas analógicos menos experientes realizem projetos com rapidez e qualidade. Além disso, a ferramenta também pode ser usada para fins educacionais, já que as facilidades proporcionadas ajudam na compreensão da metodologia de projeto.

Centralidade espacial : uma nova operacionalização do modelo baseada em um Sistema de Informações Geográficas

Neste trabalho realizou-se a vinculação entre o Modelo de Centralidade e um Sistema de Informações Geográficas. A motivação para a realização dessa tarefa surgiu do reconhecimento de que as principais ferramentas utilizadas atualmente em análises espaciais urbanas – Modelos Urbanos e SIGs – apresentam sérias limitações, e que sua união em uma nova ferramenta pode superar muitas dessas limitações. Propôs-se então uma estrutura básica de Sistemas de Suporte ao Planejamento (PSS) que fosse capaz de oferecer suporte efetivo às diversas etapas do processo de planejamento. Essa estrutura serve como base de apoio para a construção da nova ferramenta, cujo objetivo foi testar duas hipóteses: a) A união de Sistemas de Informação Geográficas e o Modelo de Centralidade pode aumentar a qualidade de análises espaciais urbanas, através de aspectos como visualização e precisão dos resultados, e rapidez, facilidade e flexibilidade na realização das análises. b) Sistemas de Informações Geográficas podem contribuir para operacionalizar novos aportes teóricos no Modelo de Centralidade, principalmente através das capacidades de manipulação de elementos espaciais A ferramenta foi construída através de rotinas de personalização do ArcView (scripts), em conjunto com módulos analíticos externos, em forma de DLL, construídos em Delphi. Os scripts se encarregam de compilar os dados necessários à análise de Centralidade, referentes ao traçado e à quantidade e qualidade das formas edificadas, e alimenta o módulo analítico com as informações necessárias. Este as processa e retorna os resultados aos scripts, que então preenchem as tabelas de atributos referentes às unidades espaciais, deixando-as prontas para serem submetidas aos procedimentos de geração de mapas e cruzamentos de dados usualmente realizadas pelos SIGs “comuns”. Para testar a hipótese “a”, realizou-se um estudo de caso na cidade de Pato Branco (PR) para avaliar o desempenho da ferramenta quando aplicada a uma situação próxima da realidade. O desempenho da ferramenta mostrou-se bastante satisfatório, quando comparado com o método tradicional de análise da Centralidade. A organização dos dados foi beneficiada, assim como o tempo de realização das análises, aumentando a flexibilidade para a realização de testes com diferentes configurações. Para testar a hipótese “b”, propôs-se uma pequena alteração no Modelo de Centralidade, que atribuiu pesos diferenciados às conexões entre elementos espaciais, como forma de tentar superar algumas das limitações das representações utilizadas até o momento. Dessa forma, os ângulos entre os trechos de logradouros passaram a definir custos diferenciados entre trechos, que por sua vez influenciavam na determinação dos caminhos mínimos entre trechos, dado essencial para o conceito de Centralidade Ficou provado então que é possível operacionalizar novos aportes teóricos ao modelo de Centralidade utilizando as capacidades de manipulação de dados espaciais oferecidas pelos SIGs, ainda que a validade do aporte utilizado neste trabalho não tenha sido testada. Outras conclusões do estudo são a adequação da estrutura modular da ferramenta, a necessidade de bases de dados completas e adequadas desde o ponto de vista do modelo de dados, e o reconhecimento de um vasto campo de experimentações a serem feitas como evolução natural das idéias apresentadas aqui.

Filmes finos dielétricos para a tecnologia do silício : processamento térmico e caracterização

O rápido avanço tecnológico coloca a tecnologia do Si diante de um grande desafio: substituir o dielétrico de porta utilizado por mais de 40 anos em dispositivos MOSFET (transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor), o óxido de silício (SiO2), por um material alternativo com maior constante dielétrica. Nesse contexto, vários materiais têm sido investigados. Nesta tese concentramos nossa atenção em três candidatos: o óxido de alumínio (Al2O3), o silicato de zircônio (ZrSixOy) e o aluminato de zircônio (ZrAlxOy). Nossos resultados experimentais baseiam-se em técnicas de análise com feixes de íons ou raios-X e de microscopia de força atômica. No caso do Al2O3, investigamos a difusão e reação de oxigênio através de filmes relativamente espessos (35 nm) quando submetidos a tratamento térmico em atmosfera oxidante, e os efeitos que esses processos provocam em filmes finos (6,5 nm) de Al2O3 depositados sobre uma estrutura SiO2/Si. Observamos que o processo de difusão-reação em filmes de Al2O3 é diferente do observado em filmes de SiO2: no primeiro caso, oxigênio difunde e incorpora-se em todo o volume do filme, enquanto que em filmes de SiO2, oxigênio difunde através do filme, sem incorporar-se em seu volume, em direção à interface SiO2/Si, onde reage. Além disso, quando oxigênio atinge a interface Al2O3/Si e reage com o Si, além da formação de SiO2, parte do Si migra em direção ao Al2O3, deslocando parte dos átomos de Al e de O. Modelos baseados em difusão e reação foram capazes de descrever qualitativamente os resultados experimentais em ambos os casos. A deposição de filmes de Al2O3 sobre Si por deposição química de camada atômica a partir de vapor também foi investigada, e uma nova rotina de deposição baseada em préexposição dos substratos de Si ao precursor de Al foi proposta. As estruturas ZrSixOy/Si e ZrAlxOy/Si (ligas pseudobinárias (ZrO2)z(SiO2)1-z e (ZrO2)z(Al2O3)1-z depositadas sobre Si) foram submetidas a tratamentos térmicos em oxigênio ou vácuo com o objetivo de investigar possíveis instabilidades. Os tratamentos térmicos não provocaram instabilidades na distribuição de Zr, mas migração e incorporação de Si no filme dielétrico foram observadas durante os dois tratamentos para ambos os materiais.

Transporte atômico e incorporação de oxigênio em filmes de HfSiO e HfSiON depositados sobre Si

Esse trabalho estuda a estabilidade térmica e o transporte atômico em filmes dielétricos de HfSiO e HfSiON depositados por sputtering reativo sobre c-Si. Esses materiais possuem alta constante dielétrica (high- ) e são candidatos a substituir o óxido de silício como dielétrico de porta em dispositivos do tipo transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor (MOSFETs). Esses filmes foram submetidos a diferentes seqüências de tratamentos térmicos em atmosferas inerte e de O2, e foram caracterizados através de análises de feixe de íons e espectroscopia de fotoelétrons induzidos por raios-X (XPS). Nesse estudo foi observado que a incorporação de oxigênio se dá através da troca com N ou O previamente existente nos filmes. Em filmes de aproximadamente 50 nm de espessura foi observado que a presença do N limita a difusão de oxigênio de forma que a frente de incorporação avança em direção ao interior do filme com o aumento do tempo de tratamento, enquanto nos filmes de HfSiO/Si o oxigênio é incorporado ao longo de todo o filme, mesmo para o tempo mais curto de tratamento. Diferentemente de outros materiais high- estudados, não foi possível observar migração de Si do substrato em direção a superfície dos filmes de HfSiON/Si com aproximadamente 2,5 nm de espessura. Os resultados obtidos nesse trabalho mostram que filmes de HfSiON/Si são mais estáveis termicamente quando comparados com outros filmes dielétricos depositados sobre Si anteriormente estudados, mas antes que ele se torne o dielético de porta é ainda necessário que se controle a difusão de N em direção ao substrato como observado nesse trabalho.

Relaxação estrutural de camadas pseudomórficas de SiGe/Si(100) induzida pela implantação iônica de He ou Si e tratamento térmico

O Si tensionado (sSi) é um material com propriedades de transporte eletrônico bastante superiores as do Si, sendo considerado como uma alternativa importante para a produção de dispositivos MOSFET (transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor) de mais alta performance (e.g. freqüências de operação f>100 GHz). O sSi é obtido através do crescimento epitaxial de Si sobre um substrato de mesma estrutura cristalina, porém com parâmetro de rede diferente. Esta tese apresenta uma investigação detalhada de um novo método que possibilita a produção de camadas relaxadas de Si1xGex com espessuras inferiores a 300 nm, consideradas como a melhor alternativa tecnológica para a produção de sSi. Este método envolve a implantação de íons de He+ ou de Si+ em heteroestruturas pseudomórficas de Si1-xGex/Si(001) e tratamentos térmicos. Foram estudados os efeitos dos diversos parâmetros experimentais de implantação e tratamentos térmicos sobre o processo de relaxação estrutural, utilizando-se heteroestruturas pseudomórficas de Si1-xGex/Si(001) crescidas via deposição de vapor químico, com distintas concentrações de Ge (0,19x 0,29) e com espessuras entre 70 e 425 nm. Com base no presente estudo foi possível identificar diversos mecanismos atômicos que influenciam o processo de relaxação estrutural das camadas de Si1-xGex/Si(001). O processo de relaxação é discutido em termos de um mecanismo complexo que envolve formação, propagação e interação de discordâncias a partir de defeitos introduzidos pela implantação. No caso das implantações de He, por exemplo, descobrimos que podem ocorrer perdas de He durante as implantações e que este efeito influencia negativamente a relaxação de camadas finas. Além disso, também demonstramos que os melhores resultados são obtidos para energias e fluências de implantação que resultam na formação de bolhas planas localizadas no substrato de Si a uma distância da interface equivalente a uma vez a espessura da camada de SiGe. O grau de relaxação satura em 50% para camadas de SiGe com espessura 100 nm. Este resultado é discutido em termos da energia elástica acumulada na camada de SiGe e da retenção de He. No caso de implantações de Si, discutimos a formação de defeitos tipo {311} e sua transformação térmica em discordâncias. Este estudo resultou numa visão abrangente dos principais fatores limitantes do processo, bem como na otimização dos valores de parâmetros experimentais para a produção de camadas de SiGe com alto grau de relaxação e com baixa densidade de defeitos.