Growth and characterization of III-V compound semiconductor nanostructures by metalorganic chemical vapor deposition

Planar <110> GaAs nanowires and quantum dots grown by atmospheric MOCVD have been introduced to non-standard growth conditions such as incorporating Zn and growing them on free-standing suspended films and on 10° off-cut substrates. Zn doped nanowires exhibited periodic notching along the axis of the wire that is dependent on Zn/Ga gas phase molar ratios. Planar nanowires grown on suspended thin films give insight into the mobility of the seed particle and change in growth direction. Nanowires that were grown on the off-cut sample exhibit anti-parallel growth direction changes. Quantum dots are grown on suspended thin films and show preferential growth at certain temperatures. Envisioned nanowire applications include twin-plane superlattices, axial pn-junctions, nanowire lasers, and the modulation of nanowire growth direction against an impeding barrier and varying substrate conditions.

MOLECULAR MASS MANIPULATION ENABLED BY GRAPHENE BASED NANOSTRUCTURES

The surge of interest in graphene, as epitomized by the Nobel Prize in Physics in 2010, is attributed to its extraordinary properties. Graphene is ultrathin, mechanically tough, and has amendable surface chemistry. These features make graphene and graphene based nanostructure an ideal candidate for the use of molecular mass manipulation. The controllable and programmable molecular mass manipulation is crucial in enabling future graphene based applications, however is challenging to achieve. This dissertation studies several aspects in molecular mass manipulation including mass transportation, patterning and storage. For molecular mass transportation, two methods based on carbon nanoscroll are demonstrated to be effective. They are torsional buckling instability assisted transportation and surface energy induced radial shrinkage. To achieve a more controllable transportation, a fundamental law of direction transport of molecular mass by straining basal graphene is studied. For molecular mass patterning, we reveal a barrier effect of line defects in graphene, which can enable molecular confining and patterning in a domain of desirable geometry. Such a strategy makes controllable patterning feasible for various types of molecules. For molecular mass storage, we propose a novel partially hydrogenated bilayer graphene structure which has large capacity for mass uptake. Also the mass release can be achieved by simply stretching the structure. Therefore the mass uptake and release is reversible. This kind of structure is crucial in enabling hydrogen fuel based technology. Lastly, spontaneous nanofluidic channel formation enabled by patterned hydrogenation is studied. This novel strategy enables programmable channel formation with pre-defined complex geometry.

Fabrication et caractérisation de cellules solaires organiques nanostructurées par la méthode de nanoimpression thermique

La morphologie des couches actives des cellules solaires organiques joue un rôle important sur l’efficacité de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique de ces dispositifs. Les hétérojonctions planaires et les hétérojonctions en volume sont les plus communément utilisées. Cependant, la morphologie idéale pour l’efficacité se situerait à mis chemin entre celles-ci. Il s’agit de l’hétérojonction nanostructurée qui augmenterait la surface entre les couches actives de matériaux tout en favorisant le transport des porteurs de charge. L’objectif de ce projet de maîtrise est d’étudier l’impact de l’implantation de nanostructures dans les cellules solaires organiques sur leurs performances photovoltaïques. Pour ce faire, on utilise la méthode de nanoimpression thermique sur le matériau donneur, le P3HT, afin que celui-ci forme une interface nanostructurée avec le matériau accepteur, le PCBM. Pour effectuer les nanoimpressions, des moules en alumine nanoporeuse ont été fabriqués à l’aide du procédé d’anodisation en deux temps développé par Masuda et al. Ces moules ont subi un traitement afin de faciliter leur séparation du P3HT. Les agents antiadhésifs PDMS et FTDS ont été utilisés à cette fin. Les résultats obtenus témoignent de la complexité d’exécution du procédé de nanoimpression. Il a été démontré que la pression appliquée durant le procédé, la tension superficielle des éléments en contact et les dimensions des nanopores des moules sont des paramètres critiques pour le succès des nanoimpressions. Ceux-ci ont donc dû être optimisés de manière à réussir cette opération. Ainsi, des cellules à interface nanostructurée à 25% avec des nanobâtonnets de 35 nm de hauteur ont pu être fabriquées. Les cellules nanostructurées ont démontré une efficacité 2,3 ± 0,6 fois supérieure aux cellules sans nanostructures, dites planaires. D’autre part, un solvant a été proposé pour diminuer l’interdiffusion entre les couches de P3HT et de PCBM pouvant altérer les nanostructures. Ce phénomène bien connu survient lors du dépot de la couche de PCBM avec le dichlorométhane, un solvant orthogonal avec ces matériaux. Des mesures au TOF-SIMS ont démontré que le limonène permet de diminuer l’interdiffusion entre les couches de P3HT et de PCBM, ce qui en fait un meilleur solvant orthogonal que le dichlorométhane.

Nanotubos de carbono de parede simples funcionalizados com polietilenoglicol: avaliação de parâmetros in vivo e in vitro

Os nanomateriais apresentam uma escala na qual ao menos uma das dimensões varia entre 1 e 100 nm e possuem propriedades químicas, físicas ou biológicas dependentes da nanoestrutura e que lhes confere características funcionais de interesse para fins comerciais ou aplicações na área médica. Dentre os nanomateriais mais estudados e utilizados, destacam-se os de carbono, que incluem os fulerenos e os nanotubos de carbono (NT). Uma potencial utilização dos nanomateriais de carbono é na área biomédica, já que estes podem interagir com os sistemas biológicos em nível molecular e supramolecular com alto grau de especificidade. Em contrapartida, é importante considerar que os nanotubos de carbono podem exercer efeitos tóxicos, tendo como possível mecanismo o estresse oxidativo. Sendo assim, o objetivo desse trabalho foi investigar a ação dos nanotubos de carbono de parede única funcionalizados com polietilenoglicol (SWNT-PEG) em Danio rerio “zebrafish” (Teleostei, Cyprinidae). Avaliaram-se parâmetros bioquímicos, histológicos, comportamentais e de biodistribuição para entender como esse material se comporta in vitro e in vivo. Foi observado que o tipo de funcionalização é determinante para a ação desse material em meio biológico. No experimento in vitro o SWNT-PEG não mostrou efeito pró-oxidante nas avaliações de peroxidação lipídica, capacidade antioxidante total, conteúdo de GSH e atividade de GCL. Na exposição intraperitoneal em zebrafish constatou-se a agregação e geração de processo inflamatório, o que sugere que a cadeia de PEG utilizada para a funcionalização dos NT possui um tamanho inadequado e/ou uma funcionalização ineficiente para manter a estabilidade do material em meio biológico e evitar uma resposta inflamatória por parte do organismo exposto. Possivelmente devido a esta característica do nanomaterial, nas análises de biodistribuição, através de espectroscopia Raman, não se observou distribuição de SWNT-PEG no sistema nervoso central de zebrafish. No entanto, através da análise histológica foi observado processo inflamatório no tecido nervoso central, bem como alterações comportamentais avaliadas na tarefa de campo aberto.

Exogenous Administration of 15d-PGJ(2)-Loaded Nanocapsules Inhibits Bone Resorption in a Mouse Periodontitis Model

The 15-deoxy-(Delta 12,14)-PG J(2) (15d-PGJ(2)) has demonstrated excellent anti-inflammatory results in different experimental models. It can be used with a polymeric nanostructure system for modified drug release, which can change the therapeutic properties of the active principle, leading to increased stability and slower/prolonged release. The aim of the current study was to test a nano-technological formulation as a carrier for 15d-PGJ(2), and to investigate the immunomodulatory effects of this formulation in a mouse periodontitis model. Poly (D, L-lactide-coglycolide) nanocapsules (NC) were used to encapsulate 15d-PGJ(2). BALB/c mice were infected on days 0, 2, and 4 with Aggregatibacter actinomycetemcomitans and divided into groups (n = 5) that were treated daily during 15 d with 1, 3, or 10 mu g/kg 15d-PGJ(2)-NC. The animals were sacrificed, the submandibular lymph nodes were removed for FACS analysis, and the jaws were analyzed for bone resorption by morphometry. Immunoinflammatory markers in the gingival tissue were analyzed by reverse transcriptase-quantitative PCR, Western blotting, or ELISA. Infected animals treated with the 15d-PGJ(2)-NC presented lower bone resorption than infected animals without treatment (p < 0.05). Furthermore, infected animals treated with 10 mu g/kg 15d-PGJ(2)-NC had a reduction of CD4(+)CD25(+)FOXP3(+) cells and CD4/CD8 ratio in the submandibular lymph node (p < 0.05). Moreover, CD55 was upregulated, whereas RANKL was downregulated in the gingival tissue of the 10 mu g/kg treated group (p < 0.05). Several proinflammatory cytokines were decreased in the group treated with 10 mu g/kg 15d-PGJ(2)-NC, and high amounts of 15d-PGJ(2) were observed in the gingiva. In conclusion, the 15d-PGJ(2)-NC formulation presented immunomodulatory effects, decreasing bone resorption and inflammatory responses in a periodontitis mouse model. The Journal of Immunology, 2012, 189: 1043-1052.

Wetting of Graphene

Graphene, a remarkable 2D material, has attracted immense attention for its unique physical properties that make it ideal for a myriad of applications from electronics to biology. Fundamental to many such applications is the interaction of graphene with water, necessitating an understanding of wetting of graphene. Here, molecular dynamics simulations have been employed to understand two fundamental issues of water drop wetting on graphene: (a) the dynamics of graphene wetting and (b) wetting of graphene nanostructures. The first problem unravels that the wetting dynamics of nanodrops on graphene are exactly the same as on standard, non-2D (or non-layered) solids – this is an extremely important finding given the significant difference in the wetting statics of graphene with respect to standard solids stemming from graphene’s wetting translucency effect. This same effect, as shown in the second problem, interplays with roughness introduced by nanostructures to trigger graphene superhydrophobicity following a hitherto unknown route.

Enhanced electrocatalytic activity of Au@Cu core@shell nanoparticles towards CO2 reduction

The development of technologies for the recycling of carbon dioxide into carbon-containing fuels is one of the major challenges in sustainable energy research. Two of the main current limitations are the poor efficiency and fast deactivation of catalysts. Core–shell nanoparticles are promising candidates for enhancing challenging reactions. In this work, Au@Cu core–shell nanoparticles with well-defined surface structures were synthesized and evaluated as catalysts for the electrochemical reduction of carbon dioxide in neutral medium. The activation potential, the product distribution and the long term durability of this catalyst were assessed by electrochemical methods, on-line electrochemical mass spectrometry (OLEMS) and on-line high performance liquid chromatography. Our results show that the catalytic activity and the selectivity can be tweaked as a function of the thickness of Cu shells. We have observed that the Au cubic nanoparticles with 7–8 layers of copper present higher selectivity towards the formation of hydrogen and ethylene; on the other hand, we observed that Au cubic nanoparticles with more than 14 layers of Cu are more selective towards the formation of hydrogen and methane. A trend in the formation of the gaseous products can be also drawn. The H2 and CH4 formation increases with the number of Cu layers, while the formation of ethylene decreases. Formic acid was the only liquid species detected during CO2 reduction. Similar to the gaseous species, the formation of formic acid is strongly dependent on the number of Cu layers on the core@shell nanoparticles. The Au cubic nanoparticles with 7–8 layers of Cu showed the largest conversion of CO2 to formic acid at potentials higher than 0.8 V vs. RHE. The observed trends in reactivity and selectivity are linked to the catalyst composition, surface structure and strain/electronic effects.

Electrocatalytic oxidation enhancement at the surface of InGaN films and nanostructures grown directly on Si(111)

Pronounced electrocatalytic oxidation enhancement at the surface of InGaN layers and nanostructures directly grown on Si by plasma-assisted molecular beam epitaxy is demonstrated. The oxidation enhancement, probed with the ferro/ferricyanide redox couple increases with In content and proximity of nanostructure surfaces and sidewalls to the c-plane. This is attributed to the corresponding increase of the density of intrinsic positively charged surface donors promoting electron transfer. Strongest enhancement is for c-plane InGaN layers functionalized with InN quantum dots (QDs). These results explain the excellent performance of our InN/InGaN QD biosensors and water splitting electrodes for further boosting efficiency.

Degradacao termica e catalitica da borra oleosa de Petroleo com materiais nanoestruturados al-mcm-41 e AL-SBA-15

Aiming to reduce and reuse waste oil from oily sludge generated in large volumes by the oil industry, types of nanostructured materials Al-MCM-41 and Al-SBA-15, with ratios of Si / Al = 50, were synthesized , and calcined solids used as catalysts in the degradation of oily sludge thermocatalytic oil from oilfield Canto do Amaro, in the state of Rio Grande do Norte. Samples of nanostructured materials were characterized by thermogravimetric analysis (TG / DTG), X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), absorption spectroscopy in the infrared Fourier transform (FT-IR) and adsorption nitrogen (BET). The characterization showed that the synthesized materials resulted in a catalyst nanostructure, and ordered pore diameter and surface area according to existing literature. The oily sludge sample was characterized by determining the API gravity and sulfur content and SARA analysis (saturates, aromatics, resins and asphaltenes). The results showed a material equivalent to the average oil with API gravity of 26.1, a low sulfur content and considerable amount of resins and asphaltenes, presented above in the literature. The thermal and catalytic degradation of the oily sludge oil was performed from room temperature to 870 ° C in the ratios of heating of 5, 10 and 20 ° C min-1. The curves generated by TG / DTG showed a more accelerated degradation of oily sludge when it introduced the nanostructured materials. These results were confirmed by activation energy calculated by the method of Flynn-Wall, in the presence of catalysts reduced energy, in particular in the range of cracking, showing the process efficiency, mainly for extraction of lightweight materials of composition of oily sludge, such as diesel and gasoline

Fonctionnalisation covalente de monocouches et bicouches de graphène

Le graphène est une nanostructure de carbone hybridé sp2 dont les propriétés électroniques et optiques en font un matériau novateur avec un très large potentiel d’application. Cependant, la production à large échelle de ce matériau reste encore un défi et de nombreuses propriétés physiques et chimiques doivent être étudiées plus en profondeur pour mieux les exploiter. La fonctionnalisation covalente est une réaction chimique qui a un impact important dans l’étude de ces propriétés, car celle-ci a pour conséquence une perte de la structure cristalline des carbones sp2. Néanmoins, la réaction a été très peu explorée pour ce qui est du graphène déposé sur des surfaces, car la réactivité chimique de ce dernier est grandement dépendante de l’environnement chimique. Il est donc important d’étudier la fonctionnalisation de ce type de graphène pour bien comprendre à la fois la réactivité chimique et la modification des propriétés électroniques et optiques pour pouvoir exploiter les retombées. D’un autre côté, les bicouches de graphène sont connues pour avoir des propriétés très différentes comparées à la monocouche à cause d’un empilement des structures électroniques, mais la croissance contrôlée de ceux-ci est encore très difficile, car la cinétique de croissance n’est pas encore maîtrisée. Ainsi, ce mémoire de maîtrise va porter sur l’étude de la réactivité chimique du graphène à la fonctionnalisation covalente et de l’étude des propriétés optiques du graphène. Dans un premier temps, nous avons effectué des croissances de graphène en utilisant la technique de dépôt chimique en phase vapeur. Après avoir réussi à obtenir du graphène monocouche, nous faisons varier les paramètres de croissance et nous nous rendons compte que les bicouches apparaissent lorsque le gaz carboné nécessaire à la croissance reste présent durant l’étape de refroidissement. À partir de cette observation, nous proposons un modèle cinétique de croissance des bicouches. Ensuite, nous effectuons une étude approfondie de la fonctionnalisation du graphène monocouche et bicouche. Tout d’abord, nous démontrons qu’il y a une interaction avec le substrat qui inhibe grandement le greffage covalent sur la surface du graphène. Cet effet peut cependant être contré de plusieurs façons différentes : 1) en dopant chimiquement le graphène avec des molécules réductrices, il est possible de modifier le potentiel électrochimique afin de favoriser la réaction; 2) en utilisant un substrat affectant peu les propriétés électroniques du graphène; 3) en utilisant la méthode d’électrogreffage avec une cellule électrochimique, car elle permet une modulation contrôlée du potentiel électrochimique du graphène. De plus, nous nous rendons compte que la réactivité chimique des bicouches est moindre dû à la rigidité de structure due à l’interaction entre les couches. En dernier lieu, nous démontrons la pertinence de la spectroscopie infrarouge pour étudier l’effet de la fonctionnalisation et l’effet des bicouches sur les propriétés optiques du graphène. Nous réussissons à observer des bandes du graphène bicouche dans la région du moyen infrarouge qui dépendent du dopage. Normalement interdites selon les règles de sélection pour la monocouche, ces bandes apparaissent néanmoins lorsque fonctionnalisée et changent grandement en amplitude dépendamment des niveaux de dopage et de fonctionnalisation.

Fonctionnalisation covalente de monocouches et bicouches de graphène

Le graphène est une nanostructure de carbone hybridé sp2 dont les propriétés électroniques et optiques en font un matériau novateur avec un très large potentiel d’application. Cependant, la production à large échelle de ce matériau reste encore un défi et de nombreuses propriétés physiques et chimiques doivent être étudiées plus en profondeur pour mieux les exploiter. La fonctionnalisation covalente est une réaction chimique qui a un impact important dans l’étude de ces propriétés, car celle-ci a pour conséquence une perte de la structure cristalline des carbones sp2. Néanmoins, la réaction a été très peu explorée pour ce qui est du graphène déposé sur des surfaces, car la réactivité chimique de ce dernier est grandement dépendante de l’environnement chimique. Il est donc important d’étudier la fonctionnalisation de ce type de graphène pour bien comprendre à la fois la réactivité chimique et la modification des propriétés électroniques et optiques pour pouvoir exploiter les retombées. D’un autre côté, les bicouches de graphène sont connues pour avoir des propriétés très différentes comparées à la monocouche à cause d’un empilement des structures électroniques, mais la croissance contrôlée de ceux-ci est encore très difficile, car la cinétique de croissance n’est pas encore maîtrisée. Ainsi, ce mémoire de maîtrise va porter sur l’étude de la réactivité chimique du graphène à la fonctionnalisation covalente et de l’étude des propriétés optiques du graphène. Dans un premier temps, nous avons effectué des croissances de graphène en utilisant la technique de dépôt chimique en phase vapeur. Après avoir réussi à obtenir du graphène monocouche, nous faisons varier les paramètres de croissance et nous nous rendons compte que les bicouches apparaissent lorsque le gaz carboné nécessaire à la croissance reste présent durant l’étape de refroidissement. À partir de cette observation, nous proposons un modèle cinétique de croissance des bicouches. Ensuite, nous effectuons une étude approfondie de la fonctionnalisation du graphène monocouche et bicouche. Tout d’abord, nous démontrons qu’il y a une interaction avec le substrat qui inhibe grandement le greffage covalent sur la surface du graphène. Cet effet peut cependant être contré de plusieurs façons différentes : 1) en dopant chimiquement le graphène avec des molécules réductrices, il est possible de modifier le potentiel électrochimique afin de favoriser la réaction; 2) en utilisant un substrat affectant peu les propriétés électroniques du graphène; 3) en utilisant la méthode d’électrogreffage avec une cellule électrochimique, car elle permet une modulation contrôlée du potentiel électrochimique du graphène. De plus, nous nous rendons compte que la réactivité chimique des bicouches est moindre dû à la rigidité de structure due à l’interaction entre les couches. En dernier lieu, nous démontrons la pertinence de la spectroscopie infrarouge pour étudier l’effet de la fonctionnalisation et l’effet des bicouches sur les propriétés optiques du graphène. Nous réussissons à observer des bandes du graphène bicouche dans la région du moyen infrarouge qui dépendent du dopage. Normalement interdites selon les règles de sélection pour la monocouche, ces bandes apparaissent néanmoins lorsque fonctionnalisée et changent grandement en amplitude dépendamment des niveaux de dopage et de fonctionnalisation.