Caracterização de Filmes a-C:H:Cl e a-C:H:Si:Cl produzidos por deposição à vapor químico assistido por plasma (PECVD) e deposição e implantação iônica por imersão em plasma (PIIID)

Pós-graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais - FC

Optical properties of boron carbide (B5C) thin films fabricated by plasma-enhanced chemical-vapor deposition

Variable angle of incidence spectroscopic ellipsometry was used to determine the optical constants near the band edge of boron carbide (B5C) thin films deposited on glass and n-type Si(111) via plasma-enhanced chemical-vapor deposition. The index of refraction n, the extinction coefficient k, and the absorption coefficient are reported in the photon energy spectrum between 1.24 and 4 eV. Ellipsometry analysis of B5C films on silicon indicates a graded material, while the optical constants of B5C on glass are homogeneous. Line shape analyses of absorption data for the films on glass indicate an indirect transition at approximately 0.75 eV and a direct transition at about 1.5 eV. ©1996 American Institute of Physics.

Polyazomethine with vinylene and phenantridine moieties in the main chain: Synthesis, characterization, opto(electrical) properties and theoretical calculations

The opto(electrical) properties and theoretical calculations of polyazomethine with vinylene and phenantridine moieties in the main chain were investigated in the present study. 2,5-Bis(hexyloxy)-1,4-bis[(2,5-bis(hexyloxy)-4-formyl-phenylenevinylene]benzene was polymerized in solution with 3,8-diamino-6-phenylphenanthridine (PAZ-PV-Ph). The temperatures of 5% weight loss (T-5%) of the polyazomethine was observed at 356 degrees C in nitrogen. Electrochemical properties of thin film of the polymer were studied by differential pulse voltammetry. The HOMO level of the PAZ-PV-Ph was at -4.97 eV. The energy band gap (E-g) was detected of approximately similar to 1.9 eV. Energy band gap (E-gopt) was additionally calculated from absorption spectrum and absorption coefficient alpha. The absorption UV-vis spectra of polyazomethine recorded in solution showed a blue shift in comparison with the solid state. HOMO-LUMO levels and E-g were additionally calculated theoretically by density functional theory and molecular simulations of PAZ-PV-Ph are presented. Current density-voltage (J-U) measurements were performed on ITO/PAZ-PV-Ph/Al, ITO/TiO2/PAZ-PV-Ph/Al and ITO/PEDOT/PAZ-PV-Ph:TiO2/Al devices in the dark and during irradiation with light (under illumination of 1000 W m(-2)). The polymer was tested using AFM technique and roughness (R-a, R-ms) along with skew and kurtosis are presented.

In vivo study of laser irradiation of fractionated drug administration based mechanism for effective photodynamic therapy in rat liver

Up-regulation of stress-activated proteins in cancer cells plays a protective role against photodynamic induced apoptosis. Post photodynamic therapy extracted normal rat liver tissue usually shows a fraction of surviving cells, the photodynamic resistant cells, residing in the necrotic region. To treat these photo-dynamic resistant cells a technique has been proposed based on fractionated drug administration of diluted photosensitizer, keeping the net concentration (5 mg/kg) constant, and subsequently varying drug light interval (DLI). Flourescence measurements were made for the presence of photosensitizer in a tissue. For qualitative analysis both histological and morphological studies were made. Although preliminary aim of this approach was not achieved but there were some interesting observation made i.e. for higher dilution of photosensitizer there was a sharp boundary between necrotic and normal portion of tissue. An increase in the absorption coefficient (alpha) from 2.7 -> 2.9 was observed as photosensitizer was diluted while the corresponding threshold dose (D (th)) persistently decreases from (0.10 -> 0.02) J/cm(2) when irradiated with a 635 nm laser fluence of 150 J/cm(2).

Influence of nanoparticle size on the nonlinear optical properties of magnetite ferrofluids

The nonlinear index of refraction (n(2)) and the two-photon absorption coefficient (beta) of water-based ferrofluids made of magnetite nanocrystals of different sizes and with different coatings have been measured through the Z-scan technique, with ultrashort (femtoseconds) laser pulses. Their third-order susceptibility is calculated from the values of n(2) and beta. The influence of different particles' coatings and sizes on these nonlinear optical properties are investigated. The values of n(2) and beta depend more significantly on the nanoparticles' size than on the particular coating. We observe a decrease of beta as the nanoparticles' diameters decrease, although the optical gap is found to be the same for all samples. The results are interpreted considering modifications in the electronic orbital shape due to the particles' nanosize effect.

Erzeugung höchster 3 He-Kernspinpolarisation durch metastabiles optisches Pumpen

In dieser Arbeit wird zum Erreichen hoher Kernspinpolarisationen die Methode des metastabilen optischen Pumpens benutzt. Das Verfahren beruht auf dem "Ubertrag des Drehimpulses absorbierter Photonen auf das hierbei angeregte Valenzelektron, welches durch Hyperfeinkopplung den Drehimpuls weiter auf den $^3$He-Kern transferiert. Da der Polarisationsprozess nur bei Dr"ucken von ca. 1~mbar effizient funktioniert, f"ur die meisten Anwendungen aber polarisiertes $^3$He bei einem Druck von $geq 1$~bar ben"otigt wird, muss das Gas nach der Aufpolarisation komprimiert werden. In unserer Arbeitsgruppe steht eine Maschine ("`Polarisator"') zur Verf"ugung, die das Gas polarisiert und anschlie"send komprimiert. Ziel dieser Dissertation ist, einerseits die Leistungsf"ahigkeit des Polarisators bez"uglich Maximalpolarisation und Gasfluss zu verbessern und andererseits den metastabilen Pumpprozess selbst genauer zu untersuchen.\ noindent Durch die Verwendung neuer Laser auf Basis der Fasertechnologie sowie einer systematischen Optimierung der optischen Komponenten konnten in abgeschlossenen Pumpzellen Rekord-Polarisationsgrade von $91pm 2$% erzielt werden.\ noindent Mit der Implementierung neuartiger Optiken und Laser am Mainzer Polarisator konnte die Leistungscharakteristik entscheidend verbessert werden. So wurde die erreichbare Polarisation bei identischer Produktionsrate um 20 Prozentpunkte gesteigert. Zurzeit sind maximale Polarisationsgrade von mehr als 75% im optischen Pumpvolumen erreichbar. Eine am Mainzer Triga-Reaktor durchgef"uhrte Polarisationsbestimmung ergab einen Wert von $72.7pm 0.7$%. Dies veranschaulicht die geringen Polarisationsverluste infolge der Gaskompression, des Transports und einer Lagerung "uber mehrere Stunden.\ noindent Zur Dynamik der geschwindigkeitsver"andernden St"o"se sowie zur Bestimmung der mittleren Photonen-Absorptionsrate wurde ein Modell entwickelt, welches auch experimentell best"atigt wurde. Damit konnte erstmalig das gemessene Absorptionsverhalten einer spektral schmalbandigen Laserdiode korrekt beschrieben werden.\ noindent Zudem stimmen die an so genannten abgeschlossenen Pumpzellen gemessenen extrem hohen Polarisationswerte mit theoretischen Vorhersagen "uberein, sofern der Druck im optischen Pumpvolumen geringer als 1~mbar ist und das $^3$He nicht durch Fremdgase verunreinigt ist. Bei derartigen Pumpzellen ist die gemessene Abh"angigkeit der Polarisation von Laserleistung, Metastabilendichte und falscher Zirkularkomponente mit der Theorie kompatibel.\

Eine kontinuierliche Lyman-alpha-Quelle basierend auf Festkörperlasersystemen

In dieser Arbeit wird eine schmalbandige kontinuierliche kohärente Lyman-α-Quelle basierend auf Festkörperlasersystemen zur zukünftigen Kühlung von Antiwasserstoff vorgestellt. Die fundamentalen Festkörperlasersysteme ermöglichen es im Vier-Wellen-Misch-Prozess zur Erzeugung der Lyman-α-Strahlung nicht nur die 6^1S – 7^1S-Zwei-Photonen-Resonanz des Quecksilbers sondern erstmals auch die 6^1S – 6^3P-Ein-Photonen-Resonanz zur Erhöhung der Konversionseffizienz optimal zu nutzen. In ersten Messungen wurden 0,063nW Leistung bei Lyman-α erzeugt. Mit dieser Lyman-α-Quelle war es, durch die Nähe des ersten fundamentalen Lasers zur Ein-Photonen-Resonanz, erstmals möglich den kompletten Verlauf der Phasenanpassungskurve des Vier-Wellen- Misch-Prozesses aufzunehmen. Neben den fundamentalen Lasersystemen und der Lyman-alpha-Erzeugung selbst, wird in dieser Arbeit die Detektion der produzierten Lyman-α-Strahlung mit einem Photomultiplier vorgestellt, die soweit optimiert wurde, dass eine zuverlässige Abschätzung der erzeugten Leistung möglich ist. Für diesen Zweck wurde zudem ein Teststand aufgebaut, mit dem die Transmissivität der Optiken, welche in der Lyman-α-Apparatur verwendet werden, bei 121,56nm gemessen wurde. Des Weiteren wird hier eine vielseitige Rechnung vorgestellt, mit der die erzeugte Leistung bei Lyman-α, unter anderem in Abhängigkeit von der Temperatur, der Absorption des ersten fundamentalen Laserstrahls, dem Dichteprofil des Quecksilberdampfes und unter dem Einfluss eines Puffergases, bestimmt wird.

Thin films of polythiophene: Linear and nonlinear optical characterization

Wir haben die linearen und nichtlinearen optischen Eigenschaften von dünnen Schichten und planaren Wellenleitern aus mehreren konjugierten Polymeren (MEH-PPV und P3AT) und Polymeren mit -Elektronen Systemen in der Seitenkette (PVK und PS) untersucht und verglichen. PVK und PS haben relativ kleine Werte des nichtlinearen Brechungsindex n2 bei 532 nm, nämlich (1,2 ± 0,5)10-14 cm2/W und (2,6 ± 0,5) 10-14 cm2/W.rnWir haben die linearen optischen Konstanten von mehreren P3ATs untersucht, insbesondere den Einfluss der Regioregularität und Kettenlänge der Alkylsubstituenten. Wir haben das am besten geeignete Polymere für Wellenleiter Anwendungen identifiziert, welches P3BT-ra genannt ist. Wir haben die linearen optischen Eigenschaften dünner Schichten des P3BT-ra untersucht, die mit Spincoating aus verschiedenen Lösungsmitteln mit unterschiedlichen Siedetemperaturen präparieret wurden. Wir haben festgestellt, dass P3BT-ra Filme aus Toluol-Lösungen die am besten geeigneten Wellenleiter für die intensitätsabhängigen Prismen-Kopplungs Experimente sind, weil diese geringe Wellenleiterdämpfungsverluste bei = 1064 nm haben. rnWir haben die Dispersionen des Wellenleiterdämfungsverlustes gw, des nichtlinearen Brechungsindex n2 und des nichtlinearen Absorptionskoeffizienten 2 von Wellenleitern aus P3BT-ra im Bereich von 700 - 1500 nm gemessen. Wir haben große Werte des nichtlinearen Brechungsindex bis 1,5x10-13 cm2/W bei 1150 nm beobachtet. Wir haben gefunden, dass die Gütenkriterien (“figures of merit“) für rein optische Schalter im Wellenlängebereich 1050 - 1200 nm erfüllt sind. Dieser Bereich entspricht dem niederenergetischen Ausläufer der Zwei-Photonen-Absorption. Die Gütekriterien von P3BT-ra gehören zu den besten der bisher bekannten Werte von konjugierten Polymeren.rnWir haben gefunden, dass P3BT-ra ein vielversprechender Kandidat für integriert-optische Schalter ist, weil es eine gute Kombination aus großer Nichtlinearität dritter Ordnung, geringen Wellenleiterdämpfungverlusten und ausreichender Photostabilität zeigt. rnWir haben einen Vergleich der gemessenen Dispersion von gw, n2 und 2 mit der Theorie durchgeführt. Durch Kurvenanpassung der Dispersion von gw haben wir gefunden, dass Rayleigh-Streuung der dominierende Dämpfungsmechanismus in MEH-PPV und P3BT-ra Wellenleitern ist. Ein quantenmechanischer Ansatz wurde zur Berechnung der nichtlinearen Suszeptibilität dritter Ordnung (3) verwendet, um die gemessenen Spektren von n2 und 2 von P3BT-ra und MEH-PPV zu simulieren. Dies kann erklären, dass sättigbare Absorption und Zwei-Photonen Absorption die hauptsächlichen Effekte sind, welche die Dispersion von n2 und 2 verursachen. rn

Ein neuartiges Interferometer zur Messung magneto-optischer Effekte an L-Absorptionskanten von ferromagnetischen Metallen mit linearpolarisierter Undulatorstrahlung

Am Mainzer Mikrotron MAMI wurde ein neuartiges Interferometer entwickelt und getestet, mit dem magneto-optische Effekte an dünnen, freitragenden Folien von 3d-Übergangsmetallen wie Eisen, Kobalt oder Nickel an den L_{2,3}-Absorptionskanten (im Spektralbereich der weichen Röntgenstrahlung) gemessen werden können. Es handelt sich um eine Weiterentwicklung eines an MAMI erprobten Interferometers, das im wesentlichen aus einer kollinearen Anordnung zweier identischer Undulatoren, zwischen die die dünne Probefolie eingebracht wird, und einem Gitterspektrometer besteht. Aus den als Funktion des Abstands der Undulatoren beobachtbaren Intensitätsoszillation lassen sich das Dekrement des Realteils δ und der Absorptionskoeffizient β des komplexen Brechungsindex bestimmen.rnIm Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Apparatur derart weiterentwickelt, dass auch die magnetisch zirkulare Doppelbrechung Δδ und der magnetisch zirkulare Dichroismus Δβ an den L_{2,3}-Absorptionskanten von Übergangsmetallen gemessen werden können. Der zweite Undulator wurde um die Elektronenstrahlachse um den Winkel Ψ = ±107° drehbar gemacht. Damit dient er auch als Analysator der aus der Folie austretenden elliptisch polarisierten weichen Röntgenstrahlung, für die - wie bei der Faraday-Rotation - die Polarisationsebene gedreht ist. Weiterhin kann die Spaltbreite der 10-poligen Hybrid-Undulatoren mit einer Periodenlänge von 12 mm und damit der Undulatorparameter über eine Antriebsmechanik kontinuierlich variiert werden, wodurch eine optimale Anpassung der Amplituden der Undulatorstrahlung aus den beiden Undulatoren möglich wird. Der maximale Undulatorparameter beträgt K = 1.1. Auch das Spektrometer, das auf einem selbstfokussierenden Gitter mit variierter Liniendichte (im Mittel 1400 Linien / mm) basiert, wurde weiterentwickelt. Als Detektor kommt jetzt eine fensterlose CCD mit 1024 x 1024 Pixeln und einer Pixelgröße von 13 μm x 13 μm zum Einsatz, die im Bildmodus betrieben wird, was die gleichzeitige Messung eines Energieintervalls von ca. 50 eV ermöglicht. Die totale Linienbreite wurde bei einer vertikalen Strahlfleckausdehnung von σ_y = 70 μm (rms) am Neon 1s-3p Übergang bei (867.18 ±0.02) eV zu Δħω = (0.218 ±0.002) eV (FWHM) gemessen. Das hohe Auflösungsvermögen von 4000 und die Möglichkeit der Eichung gegen den 1s-3p Übergang von Neon wurden ausgenutzt, um die Energie der Maxima an den Absorptionskanten von Nickel (weiße Linien) neu zu bestimmen. Die Ergebnisse E_{L_2}=(869.65_{-0.16}^{+0.27}) eV und E_{L_3}=(852.37_{-0.11}^{+0.16}) eV stellen eine Verbesserung früherer Messungen dar, die große Streuungen aufwiesen.rnAus systematischen Messungen als Funktion des Abstandes der Undulatoren und des Drehwinkels Ψ wurden die magnetisch zirkulare Doppelbrechung Δδ im Energiebereich 834 eV ≤ ħω ≤ 885 eV an einer freitragenden, bis zur Sättigung magnetisierten Nickelfolie der Dicke von (96.4 ±2.7) nm gemessen. Sowohl das Auflösungsvermögen als auch die Genauigkeit der Messungen für Δδ übersteigen bekannte Literaturangaben signifikant, so dass eine bisher nicht bekannte Feinstruktur gefunden werden konnte. Außerdem wurde der Betrag des magnetisch zirkularen Dichroismus |Δβ| im Bereich des Maximums an der L_3-Absorptionskante mit hoher Genauigkeit gemessen.rn

Charge separation and recombination in novel polymeric absorber materials for organic solar cells : a photophysical study

In dieser Dissertation wird die Ladungsträgergeneration und -rekombination in neuen polymeren Absorbermaterialien für organische Solarzellen untersucht. Das Verständnis dieser Prozesse ist wesentlich für die Entwicklung neuer photoaktiver Materialsysteme, die hohe Effizienzen erzielen und organische Solarzellen konkurrenzfähig im Bereich der erneuerbaren Energien machen. Experimentell verwendet diese Arbeit hauptsächlich die Methode der transienten Absorptionsspektroskopie, die sich für die Untersuchung photophysikalischer Prozesse auf einer Zeitskala von 100 fs bis 1 ms als sehr leistungsfähig erweist. Des Weiteren wird eine soft-modeling Methode vorgestellt, die es ermöglicht, photophysikalische Prozesse aus einer gemessenen transienten Absorptions-Datenmatrix zu bestimmen, wenn wenig a priori Kenntnisse der Reaktionskinetiken vorhanden sind. Drei unterschiedliche Donor:Akzeptor-Systeme werden untersucht; jedes dieser Systeme stellt eine andere Herangehensweise zur Optimierung der Materialien dar in Bezug auf Lichtabsorption über einen breiten Wellenlängenbereich, effiziente Ladungstrennung und schnellen Ladungstransport. Zuerst wird ein Terpolymer untersucht, das aus unterschiedlichen Einheiten für die Lichtabsorption und den Ladungstransport besteht. Es wird gezeigt, dass es möglich ist, den Fluss angeregter Zustände vom Chromophor auf die Transporteinheit zu leiten. Im zweiten Teil wird der Einfluss von Kristallinität auf die freie Ladungsträgergeneration mit einer Folge von ternären Mischungen, die unterschiedliche Anteile an amorphem und semi-kristallinem Polymer enthalten, untersucht. Dabei zeigt es sich, dass mit steigendem amorphen Polymeranteil sowohl der Anteil der geminalen Ladungsträgerrekombination erhöht als auch die nicht-geminale Rekombination schneller ist. Schlussendlich wird ein System untersucht, in dem sowohl Donor als auch Akzeptor Polymere sind, was zu verbesserten Absorptionseigenschaften führt. Die Rekombination von Ladungstransferzuständen auf der unter 100 ps Zeitskala stellt hier den hauptsächliche Verlustkanal dar, da freie Ladungsträger nur an Grenzflächen erzeugt werden können, an denen Donor und Akzeptor face-to-face zueinander orientiert sind. Darüber hinaus wird festgestellt, dass weitere 40-50% der Ladungsträger durch die Rekombination von Grenzflächenzuständen verloren gehen, die aus mobilen Ladungsträgern geminal gebildet werden.

Thermal model for optimization of vascular laser tissue soldering

Laser tissue soldering (LTS) is a promising technique for tissue fusion based on a heat-denaturation process of proteins. Thermal damage of the fused tissue during the laser procedure has always been an important and challenging problem. Particularly in LTS of arterial blood vessels strong heating of the endothelium should be avoided to minimize the risk of thrombosis. A precise knowledge of the temperature distribution within the vessel wall during laser irradiation is inevitable. The authors developed a finite element model (FEM) to simulate the temperature distribution within blood vessels during LTS. Temperature measurements were used to verify and calibrate the model. Different parameters such as laser power, solder absorption coefficient, thickness of the solder layer, cooling of the vessel and continuous vs. pulsed energy deposition were tested to elucidate their impact on the temperature distribution within the soldering joint in order to reduce the amount of further animal experiments. A pulsed irradiation with high laser power and high absorbing solder yields the best results.

Determining the optical properties of a gelatin-TiO2 phantom at 780 nm

Tissue phantoms play a central role in validating biomedical imaging techniques. Here we employ a series of methods that aim to fully determine the optical properties, i.e., the refractive index n, absorption coefficient μa, transport mean free path ℓ∗, and scattering coefficient μs of a TiO2 in gelatin phantom intended for use in optoacoustic imaging. For the determination of the key parameters μa and ℓ∗, we employ a variant of time of flight measurements, where fiber optodes are immersed into the phantom to minimize the influence of boundaries. The robustness of the method was verified with Monte Carlo simulations, where the experimentally obtained values served as input parameters for the simulations. The excellent agreement between simulations and experiments confirmed the reliability of the results. The parameters determined at 780 nm are n=1.359(±0.002), μ′s=1/ℓ∗=0.22(±0.02) mm-1, μa= 0.0053(+0.0006-0.0003) mm-1, and μs=2.86(±0.04) mm-1. The asymmetry parameter g obtained from the parameters ℓ∗ and μ′s is 0.93, which indicates that the scattering entities are not bare TiO2 particles but large sparse clusters. The interaction between the scattering particles and the gelatin matrix should be taken into account when developing such phantoms.

A technique for continuous detection of drill liquid in ice cores

When drilling ice cores deeper than ∼100 m, drill liquid is required to maintain ice-core quality and to limit borehole closure. Due to high-pressure air bubbles in the ice, the ice core can crack during drilling and core retrieval, typically at 600–1200 m depth in Greenland. Ice from this 'brittle zone' can be contaminated by drill liquid as it seeps through cracks into the core. Continuous flow analysis (CFA) systems are routinely used to analyse ice for chemical impurities, so the detection of drill liquid is important for validating accurate measurements and avoiding potential instrument damage. An optical detector was constructed to identify drill liquid in CFA tubing by ultraviolet absorption spectroscopy at a wavelength of 290 nm. The set-up was successfully field-tested in the frame of the NEEM ice-core drilling project in Greenland. A total of 27 cases of drill liquid contamination were identified during the analysis of 175 m of brittle zone ice. The analyses most strongly affected by drill liquid contamination include insoluble dust particles, electrolytic conductivity, ammonium, hydrogen peroxide and sulphate. This method may also be applied to other types of drill liquid used at other drill sites.

Dissolved organic matter in the Lena River Delta Region, Siberia, Russia

Connectivity between the terrestrial and marine environment in the Artic is changing as a result of climate change, influencing both freshwater budgets and the supply of carbon to the sea. This study characterizes the optical properties of dissolved organic matter (DOM) within the Lena Delta region and evaluates the behavior of DOM across the fresh water-marine gradient. Six fluorescent components (four humic-like; one marine humic-like; one protein-like) were identified by Parallel Factor Analysis (PARAFAC) with a clear dominance of allochthonous humic-like signals. Colored DOM (CDOM) and dissolved organic carbon (DOC) were highly correlated and had their distribution coupled with hydrographical conditions. Higher DOM concentration and degree of humification were associated with the low salinity waters of the Lena River. Values decreased towards the higher salinity Laptev Sea shelf waters. Results demonstrate different responses of DOM mixing in relation to the vertical structure of the water column, as reflecting the hydrographical dynamics in the region. Two mixing curves for DOM were apparent. In surface waters above the pycnocline there was a sharper decrease in DOM concentration in relation to salinity indicating removal. In the bottom water layer the DOM decrease within salinity was less. We propose there is a removal of DOM occurring primarily at the surface layer, which is likely driven by photodegradation and flocculation.